基于放射性束的核结构、核天体物理研究 刘 忠 outline brief introduction to rib...

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基基基基基基基基基基 基基基 基基基基 、体 刘 刘 Outline Brief introduction to RIB physics 100 Sn 刘刘刘刘刘刘刘 刘刘刘刘刘刘刘刘刘刘刘 ( 刘刘刘刘刘刘刘刘 ) Nuclear Detectors R&D for RIB physics Outlook

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基于放射性束的核结构、核天体物理研究

刘 忠

Outline• Brief introduction to RIB physics• 100Sn 区域奇异核衰变• 远离稳定线核素质量测量• ( 直接质子放射性核 )• Nuclear Detectors R&D for RIB physics• Outlook

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Halo nuclei

208Pb

Hansen & Jonson, Europhys. Lett., 1987, 4:409.

Halo nuclei

Rm∝2/1

2 )2/( nS

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100Sn:Gamow-Teller Strength in its Decay

rp process

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Shell Model Orbitals

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100SnGT-strength is unique tool to study wave fct.

pure spin-flip transition0+ => (pg9/2

-1 ng7/2)1+

large decay energy=> most of GT strength in b-decay window

measure:T1/2

b-endpoint energy(branching)=> GT-strength

Shell modelGrawe et al.

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100Sn:Gamow-Teller Strength in its DecaySearch for its Isomer

rp process

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100Sn:Gamow-Teller Strength in its DecaySearch for its IsomerParticle Stability of Neighbours: key to the rp-process

rp process

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key to the astrophysical rp-process

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100Sn history

year where production events quantity

1994 GSI fragm. 124Xe 7 T1/2 E() E() S139

1994 GANIL fragm. 112Sn 11 ident.1996 GANIL fusion 11 m

1998 GSI fragm. 112Sn 1 T1/2 E() E() S192

2007 MSU fragm. 112Sn 14 T1/2

2008 GSI fragm. 124Xe 259 T1/2 E() E() S330

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1st Bρ separation 2nd Bρ separationΔE

identification F2-F4: DE => ZBr(x,x´,a´) = b g A/q m0c

q = ZTOF => b

F2F4

the FRagment Separator (FRS)

~109 s-1

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the FRagment Separator (FRS)

~109 s-1

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100Sn setting (full statistics, 15 days)

A/Q

Z

Te

Ag

Cd

In

Sn

Sb

N=Z+2N=Z+1N=ZN=Z-1

259 100Sn

s = 6pb 103Sb?

99Sn

97In

95Cd

93Ag

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Silicon Implantation Detectorand Beta Absorber

SIMBA

100Sn

pixels in implantation zone: 3x60x40 = 7200

X SSSD 60x60x0.3 mm3

Y SSSD 60x60x0.3 mm3

10 SSSD 60x40x1 mm3

3 DSSD 60x40x0.7 mm3

Gassiplex+ MesytecR - chain

7 x-strips

7 x-strips10 SSSD 60x40x1 mm3

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Implantation

RISING

SIMBA

DEG

RADER

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and how it looks in reality

100Sn

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RISING

+

15 x 7

Germanium detectors

ePhoto~ 11%@ 662 keV

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Correlation of Implantation and Decay

require same position within ± 1mm in x,y,z

record all decay triggers within 15 s(b+ of 3 generations)

Maximum Likelihood analysisvarying the 100Sn half-lifewith known: daughter decays,efficiencies, dead times, background

T1/2 = 1.16 ± 0.20 s

Comparison: MSU 2007 0.55 s

GSI 1997 0.94 s

100Snonly 1st decays +0.70

-0.31

+0.54 -0.26

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Gamma Spectrum after Beta Decay of 100Sn

all events within 4 s after implantation

511

141

436

96

1297 2048

141

436

96

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Gamma Intensities

5 lines add up to 4018 keV ???

2003Stone, Walters 1985

(pg9/2)-1ng7/2

(pg9/2)-1nd5/2

what do we expect?

511

g intensitiescorrected for efficiencyand M1 conversion

70 100Sn b+ decays

111 total b+ decays

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E*(1+) = (2.71 + x) MeV with x ≈ 0.05 MeVbecause:

• total sum energy = 2.76(0.43) MeV (Schneider et al.)

• DMc2 - QEC(1+)= 2.6(1.0) MeV (Chartier et al.)

• one b-delayed proton event:

Ep + Sp(100In) = 2.93(0.34) MeV (Audi et al.)

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compare to shell model

Grawe et al. Nowacki, Sieja

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Extraction of Beta Spectrum

100Snb spectrum

conv. line?

from maximum likelihood Emax = 3.29 ± 0.20 MeV

QEC = 4.31 ± 0.20 MeV

to excited state

=> I(b+) = 87%

=> log ft = 2.62

sum over total energy within 3 s after implantation

in implantation zone + calorimeter

tested (by eye) for uninterrupted tracks

range of analysis

result of ML analysis

-0.19+0.13

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known log(ft) values

Nuclear Data Sheets 84 (1998) 487

log (ft)

100Sn

superallowed GT

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Decay of the heaviest N=Z doubly magic nucleus 100Sn

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Gamow Teller Strength

A. Bobyk, W. Kaminski, I. Borzov 2000

8.17

81

12

4 2/72/9

refGT

gg

refGT

B

NN

l

lB

ft26951

s86142

ftgg

Ft2B

22VA

GT

.

.

/exp

exp. FFS

QRPA

SM truncatedextreme SM

GT strength of even Sn isotopes

H. Grawe, 2010

6203GT 19B .

.exp .

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why is BGT that large?

wave functions must be rather pure

I i > = {(pg9/2)10} 0+

< f I = {(pg9/2)9 (ng7/2)1} 1+

10 protons can transform into a neutron

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the 100Sn shell gap

is robust

Conclusions

- doubly magic -

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3 isomer decays after ToF=200nsdecaying within 25 ns ?

6+ isomer in 100Sn ?

1

5

4

3

2

Eg/MeV

0 2015105 T/ms

Eg/MeV

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what‘s new?

93Ag

103Sb T1/2 < 50 ns !

99Sn

95Cd

T 1/2 > 0.2 m

s

97In

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Conclusions

• first observation of 93Ag, 95Cd, 97In, and 99Sn

• reduced rate of 103Sb => T1/2 < 50 ns

• 102Sn: new isomeric state

• 100Sn: probably no isomer

• 1st g-spectrum after decay of 100Sn

• 100Sn decay: T1/2, Ebmax, E , g BGT

• superallowed GT transition

=> dominant configurations (pg9/2)10 =>(pg9/2)9 (ng7/2)1

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The 100Sn Team

photo taken by Hans Geissel

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Shell structure near doubly-magic 100Sn Abundance of isomeric states Exotic decay mode

Study of N ≥ Z proton drip-line nuclei 96,97,98Cd with astrophysical consequences

Spokespersons: A. Blazhev, P. Boutachkov Z. Liu, R. Wadsworth

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T=0, S=1

T=1, S=0

Tz=0

Neutron-proton pairing

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N=Z nuclei, unique systems to study np correlations

T=0 Pairing may become Important in A>80 N=Z nuclei

A. L. Goodman , PRC 60, 014311 (1999)

Experimental signals for T=0 np pairing

Binding energy diff erences

 Deutron transfer reactions

 Rotational properties: delayed alignments in N=Z nucl

Level structure: 9 2 Pd, B. Cederwall et a l . Nature 469, 68-71 (2011)

Spin-gap isomer:

9 6 Cd

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Effect of T=0 np interaction in 96Cd

Shell model calculations by H. Grawe

T=0

No T=0

E6 Spin gap

96Cd

T=0

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Primary beam124Xe @ 850 MeV/u

RISING S352 Experimental SetupStopped RISING

Z

A/Q

96Ag

Active stopper

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0.27(14) s

1.58(3) s

78(8) s

B(E4; 19+ 15+) = 0.4(3) W.u.

B(E2; 19+ 17+) = 4(3) W.u.

B(E3; 13- 10+) = 0.187 (20) W.u.

E[keV]

Coun

ts

known: R. Grzywacz et al. PRC 55 (1997) 1126

new

96Ag

4264

4168

SE

Tf<1 s

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96Cd

0.2 – 4.5 μs

96Cd

0-0.2 μs

T1/2 (421) = 0.67 0.15 s (96Cd g.s.)

0.2 – 4.5 μs

T1/2 (470, 1506, 667) = 0.29-0.10 + 0.11 s

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E6 Spin gap

Effect of iso-scalar np interaction in 96Cd, 16+ isomer

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Beta decay GT strengths in GF space 100% g

9/2 → g

9/2, similar to the case of g

9/2 → g

7/2 seen in 100Sn

16+ 15+

BGF = 0.14 with quenching factor of 0.6 (Herndl and Brown NPA627, 35 (1997))

Bexp = [3860(18) * ] / (f T1/2) = 0.19 + 0.08-0.07 with T1/2 = 0.29 secs

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96Cd Results

B. S. Nara Singh, Z. Liu et al. , Phys. Rev. Lett. 107, 172502 (2011)

• Evidence for the existence of the 16+ E6 “spin-gap” isomer in 96Cd

• Evidence for the strong influence of the iso-scalar neutron-proton interaction

• Our work allows to deduce T1/2 = 0.67 ± 0.15 s for the g.s. in 96Cd

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Results in other nuclei

-decaying high-spin isomers were observed in 94Pd

96Ag 98Cd

Core-excited states aross the N=Z=50 shell closure

identified in 96Ag

more in 98Cd

Phys. Rev. C 82, 061309(R) (2010) Phys.Rev. C 84, 044311 (2011)

J.Phys.:Conf.Ser. 205, 012035 (2010)

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SMS and IMS

In jection

Septum

E lectronC ooler

(m /q)

(m /q)

(m /q)

(m /q)

>

>

>

SchottkyN oise-P ickups

v 1

(m /q)0

(m /q)0

(m /q)1

v 1

(m /q)1

v 0

In jection

Septumv 0

TO F-D etector

ff

vv

(m /q)m /q2

t= + 2

t

21 (1 )

vv

0 t

SCHOTTKY M A SS SPECTROM ETRY ISOCHRONOUS M A SS SPECTROM ETRY

Cooled Fragments Hot Fragments

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SMS: Broad Band Frequency Spectra

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M.W.Reed et al., PRL 105 172501, (2010)

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FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) (Darmstadt, Germany)

~1GeV/u 350m

ring branch

GSI 现有和将来的实验装置

RISING

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NEUTRON DETECTOR

DSSD IMPLANTATIONDETECTOR

GE γ-ARRAY

RADIOACTIVEBEAM

DEcay SPECtroscopy (DESPEC)

Total Absorption Spectrometer (TAS)Fast timing measurementsCompact, flexible and modular geometryg-factors and quadrupole moments

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8 x 8 cm128 x 128 strips1 mm (Micron)3 dssd

24 c

m

8 cm

E

Veto

AIDA: Advanced Implantation Detector Array

ww

w.p

h.ed

.ac.

uk/~

td/A

IDA

Implantation energy measurementDecay energy measurement (several layers)Low threshold: ~40 keV (conversion electron!)Fast recovery (~µs); ASIC

beam

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ASIC Design Requirements

Selectable gain 20 1000 20000 MeV FSRLow noise 12 600 50000 keV FWHM

energy measurement of implantation and decay events

Selectable threshold < 0.25 – 10% FSRobserve and measure low energy , b b detection efficiency

Integral non-linearity < 0.1% and differential non-linearity < 2% for > 95% FSRspectrum analysis, calibration, threshold determination

Autonomous overload detection & recovery ~ msobserve and measure fast implantation – decay correlations

Nominal signal processing time < 10msobserve and measure fast decay – decay correlations

Receive (transmit) timestamp datacorrelate events with data from other detector systems

Timing trigger for coincidences with other detector systemsDAQ rate management, neutron ToF

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Schematic of Prototype ASIC Functionality

Note – ASIC will also evaluate use of digital signal processing

Potential advantages• decay – decay correlations to ~ 200ns• pulse shape analysis• ballistic deficit correction

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AIDA: ASIC schematic

High-speed bufferx10

DC fdbk

shaper

9R

R

Slowcomparator

Clamp comparator(for x10)

PeakHoldpositivePolarity

PeakHoldnegativePolarity

RC filter(with reset)

Fastcomparator

RC filter(with reset)

CM

OS

sw

itches

I thresholdR threshold

I thresholdR threshold

DC fdbk

shaperPeakHold

positivePolarity

PeakHoldnegativePolarity

Fastcomparator

RC filter(with reset)

I thresholdR threshold

4:1 MUX

1

2

2

3 4

4

5

6

6

7

8

9

9

10

10

10

10

1010

11

11

11

11

1111

12

13

14

14

15

16

17

18

18

1919

1919

19

19

19

19

19

19

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AIDA: status• Systems integrated prototypes available

- prototype tests in progress• Production planned Q3/2010

Mezzanine: 4x 16 channel ASICs Cu cover EMI/RFI/light screen cooling

FEE: 4x 16-bit ADC MUX readout (not visible) 8x octal 50MSPS 14-bit ADCs Xilinx Virtex 5 FPGA PowerPC 40x CPU core – Linux OS

Gbit ethernet, clock, JTAG portsPower

FEE width: 8cmPrototype – air coolingProduction – recirculating coolant

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FEE Assembly Sequence

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Prototype AIDA Enclosure

• Prototype mechanical design• Based on 8cm x 8cm DSSSD

evaluate prior to design for 24cm x 8cm DSSSD• Compatible with RISING, TAS, 4p neutron detector

• 12x 8cm x 8cm DSSSDs 24x AIDA FEE cards

• 3072 channels (x 3)

• Design complete

• Mechanical assembly in progress

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(3He,p)

np

Even-even

?s

T=0 J=0

Odd-odd

T=1 J=0

T=0 J=1

L=0 transfer – forward peaked

/1|| 2 iTf

Measure the np transfer cross section to T=1 and T=0 states

Both absolute s(T=0) and s(T=1) and relative s(T=0) / s(T=1) tell us about the character and strength of the correlations

(3He,p) Transfer Reactions

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Proton Radioactivity

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Many thanks to my collaborators:

A. Blazhev, P. Boutachkov, , Tom Davinson, L. Livinov, B. T.Faestermann, B. S. Nara Singh et al.