DDEP方法对40K衰变的评估

《Applied Surface Science Advances》：DDEP evaluation of 40K decay

钾-40衰变数据经全面修订，整合最新测量结果更新半衰期（1.248×10^9年，1.4%）及分支比（β?89.286±0.013%，EC 10.714±0.014%），首次直接测定电子捕获分支比并验证总衰变能量守恒。数据集包含核素参数、原子发射特征及地质年代学应用建议，已发布于DDEP平台。

　　

Xavier Mougeot

巴黎萨克雷大学，法国原子能委员会（CEA），List，亨利·贝克勒尔国家实验室（LNE-LNHB），91120，帕莱索，法国

摘要

由于⁴⁰K具有较长的半衰期且在环境中普遍存在，这种放射性核素在任何关于γ射线光谱学、地球中微子的放射性背景研究中都具有重要意义，同时也有助于矿物的地质年代测定。最近对⁴⁰K的新衰变数据测量促使人们重新评估了这些数据。建议采用新的半衰期和分支比数据，以及针对天然钾样品的特定活性数据。其他相关的原子和核数据也经过了评估，这些推荐的数据已发布在DDEP网站上。

引言

⁴⁰K是环境放射性主要的贡献者之一，它是在核物理学研究的早期阶段通过质谱仪发现的（Nier，1935年）。这种放射性核素是人体内天然放射性的最大来源（UNSCEAR，1993年），这也催生了著名的“香蕉当量剂量”这一教育概念。⁴⁰K也是地幔中热量的主要来源（Korenaga，2011年），并且在任何使用γ射线探测器的背景测量中都不可避免地存在。几十年来，⁴⁰K/⁴⁰Ar和⁴⁰Ar/³⁹Ar的浓度比一直被用作确定岩石和陨石年龄的计时工具（Merrihue和Turner，1966年；Wetherill，1957年），这两种方法都直接依赖于⁴⁰K的核数据。在模拟寻找暗物质相互作用、无中微子双β衰变和地球中微子的稀有事件实验中，这些数据也至关重要（Sinev等人，2020年）。

⁴⁰K位于两种稳定同位素之间，它具有独特的能量特性：约89%通过β^?过程衰变为⁴⁰Ca，约11%通过电子捕获/β⁺过程衰变为⁴⁰Ar。衰变过程的多个方面使得精确测量及其后续评估具有挑战性。由于生产成本较高，富集的⁴⁰K来源的富集系数相对较低。文献中发表的测量结果通常是不全面的，要么只关注发射的β^?粒子，要么只关注来自⁴⁰Ar第一激发态的1460 keV γ射线。第三个通往⁴⁰Ar基态的独特衰变途径只能通过间接方式得知，因为直接测量的难度非常大：即β⁺发射的概率约为0.001%，而捕获过程后释放的X射线和俄歇电子的能量非常低（<3.5 keV）。

1998年完成了衰变数据评估项目（DDEP，Helmer等人，2002年）的国际合作初步评估（Bé等人，1999年），并在2009年进行了修订（Bé等人，2010年）。此后，文献中出现了关于衰变常数和分支比的争议（Renne等人，2010年，2011年；Schwarz等人，2011年），甚至有人质疑电子捕获途径通往⁴⁰Ar基态的存在。这对确定半衰期产生了重要影响，最近的一项新测量似乎解决了现有的不一致性。此外，KDK（钾衰变）合作项目通过新的方法首次成功测量了电子捕获途径通往⁴⁰Ar基态的过程。

本工作详细介绍了对⁴⁰K衰变数据的新评估，考虑了截至2025年5月底所有已发表的文献。为了包含这些新信息并建立更可靠的半衰期和分支比值，有必要对之前的评估方法进行全面修订。数据集使用了LWEIGHT（相对统计权重限制）程序进行平均处理（Zijp，1985年）。

章节片段

衰变过程

⁴⁰K是一种天然存在的放射性同位素，其丰度为0.011668（8）%（Naumenko等人，2013年）。这种放射性核素通过β^?发射衰变为⁴⁰Ca的基态（能级0），通过电子捕获衰变为⁴⁰Ar的第一激发态（能级1），或者通过电子捕获与β⁺竞争性衰变也衰变为⁴⁰Ar的基态（能级0）。

推荐的衰变能量采用了最新的原子质量评估结果（Wang等人，2021年）：Q_β = 1310.91（6）keV和Q_EC

核数据

最初的DDEP半衰期评估遵循了Holden（1990年）提出的策略，并进行了一些改进（Bé等人，1999年）。由于当时缺乏⁴⁰K衰变的全面测量数据，评估者不得不考虑所有部分半衰期的实验值。

T_1/2(β^?)和T_1/2(EC, 1460 keV)分别进行了单独评估，它们的推荐值用于确定衰变过程中的分支比。最终，所有测得的部分半衰期都被纳入了考虑。

原子数据

在当前对⁴⁰K衰变的评估中，仅考虑了捕获和转化过程导致的原子空位。因此，原子数据仅与Ar元素相关。

荧光产额数据、相对K X射线发射概率以及P(KLX)/P(KLL)和P(KXY)/P(KLL)的比率来自Sch?nfeld和Janssen（1996年）。俄歇电子和X射线的绝对概率是通过EMission程序（Sch?nfeld和Janssen，2000年）根据相关衰变数据确定的。

一致性

通过Saisinuc计算了⁴⁰K衰变过程中所有发射模式的总平均能量，包括原子过程，以检查推荐数据的一致性（Dulieu等人，2017年）。

• ?
  电子捕获途径的总发射能量：Q_EC × P_EC = 157.0（11）keV；
• ?
  β^?
  途径的总发射能量：Q_β × P_β- = 1174.1（9）keV。

这两个值与预期的157.0（11）keV和1174.1（9）keV完全一致。

结论

在衰变数据评估项目（DDEP）中，对⁴⁰K的衰变数据进行了重新评估。自15年前上次评估以来，人们进行了高精度的总衰变半衰期测量，并对其进行了重新分析和发布。此外，电子捕获分支比也首次被直接测量，从而对⁴⁰K的评估策略进行了全面修订。现在的衰变过程完全基于这些新数据。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xavier Mougeot的报告由法国替代能源和原子能委员会萨克雷中心提供。鉴于我作为ICRM 2025特刊的客座编辑的角色，我声明我没有参与本文的同行评审，也没有获取与其同行评审相关的信息。我对此次编辑过程负全责。