伽利略探測(cè)器中γ射線角分布及其穩(wěn)定性研究

侯 穎,蒲忠勝

(蘭州理工大學(xué)理學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

γ射線角分布問(wèn)題一直吸引著許多實(shí)驗(yàn)工作者和理論工作者去研究[1-4]。利用γ射線角分布測(cè)量來(lái)獲得γ躍遷的強(qiáng)度(分支比)以及不同自旋能級(jí)差下的強(qiáng)度比,對(duì)于γ射線能譜的研究具有重要意義。

對(duì)于能級(jí)自旋和宇稱的奇偶分配問(wèn)題的分析,洛斯阿拉莫斯洛杉磯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用了與取向核方向相關(guān)(DCO,directional correlation from oriented nuclei)比率法[5],DCO比率法是指從一個(gè)初始核態(tài)發(fā)射的兩條輻射是軸對(duì)稱取向的,其方向與取向核的方向相關(guān)。而尼爾斯波爾研究所串聯(lián)加速器實(shí)驗(yàn)室則采用與取向核的γ射線角分布相關(guān)(ADO,γ-ray angular distribution from oriented nuclei)比率法[6],該實(shí)驗(yàn)先用諾德球探測(cè)器陣列探測(cè)γ射線,之后用ADO法分析γ射線的躍遷性質(zhì),ADO法與取向核的γ射線角分布有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中,運(yùn)用DCO比率法控制的躍遷往往需要γ射線具有四極輻射的特性。原子核能級(jí)定向相關(guān)的理論計(jì)算表明,假設(shè)選擇純E1(電偶極輻射)、E2(電四極輻射)躍遷,此時(shí)如果γ輻射為電偶極輻射,則比率RDCO≈0.6;如果γ輻射為電四極輻射,則RDCO≈1.0。這種方法在γ射線角分布計(jì)算中并不適用。因此在本次實(shí)驗(yàn)中,我們進(jìn)行了ADO比率的計(jì)算。對(duì)不同的高純鍺探測(cè)器陣列,其對(duì)應(yīng)的ADO的值也不同。對(duì)伽利略探測(cè)器陣列,可以觀察到Eu核具有部分自旋排列的典型ADO比值。當(dāng)γ躍遷為偶極輻射時(shí),比值RADO=0.8;當(dāng)γ躍遷為四極輻射時(shí),RADO=1.4。研究也對(duì)自旋差ΔI=2時(shí)RADO>1和自旋差ΔI=1時(shí)RADO<1的原因進(jìn)行了定性解釋。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,高能級(jí)態(tài)向低能級(jí)態(tài)躍遷時(shí)除了發(fā)射γ射線外,附帶還會(huì)產(chǎn)生帶電粒子和中子。由于軌道反應(yīng)中鋁膜的阻擋,帶電粒子對(duì)伽利略探測(cè)器陣列的損傷可以忽略不計(jì)。探測(cè)效率的穩(wěn)定性作為伽利略高純鍺探測(cè)器陣列的關(guān)鍵指標(biāo)之一,在很大程度上影響數(shù)據(jù)分析過(guò)程。

1 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

意大利萊尼亞羅國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Legnaro national laboratory-INFN)的串聯(lián)式加速器系統(tǒng)已經(jīng)完成了一個(gè)將6Li加速到34 MeV時(shí)轟擊靶核89Y的實(shí)驗(yàn)[7-8]。該實(shí)驗(yàn)采用伽利略高純鍺探測(cè)器陣列采集γ射線并制作成可以在RadWare軟件中分析的γ能譜數(shù)據(jù)。該陣列由25個(gè)高純鍺探測(cè)器組成,其中16～25號(hào)的10個(gè)探測(cè)器安裝在陣列的90°方向;5、7、9、11、13號(hào)5個(gè)探測(cè)器安裝在119°方向;6、8、10、12、14號(hào)5個(gè)探測(cè)器安裝在129°方向;0～4號(hào)探測(cè)器中,0、1、2、4號(hào)4個(gè)探測(cè)器安裝在152°方向，由于存在一些問(wèn)題,所以不考慮3號(hào)。另外在探測(cè)器陣列中心還放置了一個(gè)硅球EUCLIDES設(shè)備,它由分布在4π空間的硅探測(cè)器陣列組成,命名為歐幾里德,由40個(gè)硅E-E望遠(yuǎn)鏡組成,主要測(cè)量帶電粒子[9]。在歐幾里德中沿光束方向插入氧化鋁柱狀吸收體,以保護(hù)硅探測(cè)器不受彈性散射離子的影響。伽利略探測(cè)器的形狀如圖1所示。圖1(a)是伽利略探測(cè)器的實(shí)物圖,其中上方是整體示意圖,左下角是152°方向的10個(gè)探測(cè)器,其余角度分別位于后方,右下角是硅球陣列;圖1(b)是伽利略探測(cè)器示意圖。

圖1 伽利略探測(cè)器陣列Fig.1 GALILEO detector array

實(shí)驗(yàn)中圓柱體的厚度設(shè)置為200 μm,大于150°的后向角不受吸收體的保護(hù),詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置參考文獻(xiàn)[10-13]。

實(shí)驗(yàn)中入射粒子6Li與靶核89Y發(fā)生熔合反應(yīng)后形成復(fù)合核,復(fù)合核蒸發(fā)粒子后達(dá)到平衡狀態(tài),此時(shí)發(fā)生反應(yīng)的剩余核往往處于高能級(jí)激發(fā)態(tài),高能級(jí)激發(fā)態(tài)向低能級(jí)激發(fā)態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射的低能γ射線可通過(guò)伽利略高純鍺探測(cè)器測(cè)量(探測(cè)器陣列主要測(cè)量220 MeV的α粒子、60 MeV以下的質(zhì)子和10 MeV以下的電子以及能量在300～600 keV的γ射線),而帶電粒子可通過(guò)探測(cè)器中心的硅球EUCLIDES陣列測(cè)量,這樣可以更好地發(fā)揮探測(cè)器的效率。

該實(shí)驗(yàn)采用基于唯一數(shù)據(jù)采集(XDAQ,exclusively data acquisition)架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄γ能譜數(shù)據(jù)。生成的γ射線單譜的分析則采用基于Ubuntu系統(tǒng)的程序RadWare進(jìn)行[14]。

2 數(shù)據(jù)分析

探測(cè)器探測(cè)效率作為高純鍺探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一,是衡量一個(gè)探測(cè)器好壞的關(guān)鍵因素。它的定義式為

其中:Nexp表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中擬合得到的全能峰面積;Nth等于標(biāo)準(zhǔn)源活度、γ射線的強(qiáng)度(分支比)和γ譜的測(cè)量時(shí)間的乘積。實(shí)驗(yàn)采用152Eu、133Ba、60Co、241Am、88Y 5組標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)各探測(cè)器在實(shí)際幾何條件下的能量和效率進(jìn)行刻度,能量跨度從39.522 keV(152Eu)到2 734 keV(88Y),用標(biāo)準(zhǔn)源可以確定各探測(cè)器的效率曲線,基于此才能得出不同γ射線強(qiáng)度的數(shù)據(jù)以便分析。

在能級(jí)自旋和宇稱奇偶校驗(yàn)的定義中,RADO比被廣泛使用[6],我們將γ射線的RADO定義為

其中:θ1=152°;θ2=90°。當(dāng)|θ1-π/2|>|θ2-π/2|時(shí),在ΔI=2(四極矩)的情況下RADO>1 和在ΔI=1(偶極矩)的情況下RADO<1的原因似乎沒有明確的解釋。然而,如果γ射線在ΔI=2或ΔI=1時(shí)分布與角分布有關(guān),將會(huì)得出一個(gè)定性的結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)上看,要得到核的角分布,核的自旋必須有一定的取向。

當(dāng)入射核6Li的能量為34 MeV時(shí),實(shí)驗(yàn)采集到了6組運(yùn)行數(shù)據(jù),分別為1 004、1 005、1 006、1 007、1 009和1 010。6Li與89Y發(fā)生熔合反應(yīng)后的主要產(chǎn)物為92Mo,這與復(fù)合核95Mo的3n蒸發(fā)通道有關(guān)。在92Mo能級(jí)圖中分別選取329 keV(6+→4+)、1 097 keV(7-→5-)、110 keV(13-→12-)和2 064 keV(12-→11-)強(qiáng)度的γ射線,不同γ射線強(qiáng)度隨角度的變化見圖2。圖2中底部數(shù)字表示伽利略探測(cè)器中不同角度下分布的探測(cè)器序列號(hào)(其中25號(hào)探測(cè)器無(wú)數(shù)據(jù)記錄)。

圖2 不同γ射線強(qiáng)度隨角度的變化Fig.2 The intensity of different γ-rays varies with the angle

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著探測(cè)器角度從90°增大到152°,329 keV(6+→4+)(ΔI=2)的強(qiáng)度也在增大;而110 keV(13-→12-)(ΔI=1)的強(qiáng)度則隨著角度的增大而減小。且隨著角度的增大,329 keV(ΔI=2)/1 097 keV(ΔI=2)和110 keV(ΔI=1)/2 064 keV(ΔI=1)的強(qiáng)度比在誤差范圍內(nèi)幾乎是恒定的。這表明,當(dāng)ΔI=2時(shí),在90°方向的γ射線強(qiáng)度較小;當(dāng)ΔI=1時(shí),在90°方向的γ射線強(qiáng)度較大。且當(dāng)ΔI=2時(shí),在152°方向的γ射線強(qiáng)度大于90°方向的強(qiáng)度,即RADO>1;當(dāng)ΔI=1時(shí),在152°方向的γ射線強(qiáng)度小于90°方向的強(qiáng)度,即RADO<1。因此,它解釋了自旋差ΔI=2時(shí)RADO>1和自旋差ΔI=1時(shí)RADO<1的原因。

此外,為了測(cè)量伽利略探測(cè)器陣列的效率穩(wěn)定性,在90°、119°、129°和152°方向下分別選擇18號(hào)、7號(hào)、10號(hào)和1號(hào)探測(cè)器來(lái)探測(cè)773 keV/1 509 keV的強(qiáng)度比。兩種γ射線在不同角度和不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下的強(qiáng)度比見圖3。由圖3可知其值差距很小,說(shuō)明在誤差允許范圍內(nèi),不同γ射線的探測(cè)效率隨著時(shí)間的推移幾乎沒有變化。因此,伽利略探測(cè)器陣列的效率穩(wěn)定性很好,這意味著我們?cè)趯?shí)驗(yàn)前進(jìn)行的效率刻度是準(zhǔn)確有效的。

圖3 773 keV/1 509 keV γ射線在不同角度下的強(qiáng)度比Fig.3 The intensity ratio of 773 keV/1 509 keVγ-rays with different angles

3 結(jié)果與評(píng)價(jià)

89Y(6Li,3n)92Mo實(shí)驗(yàn)在意大利萊尼亞羅國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,對(duì)伽利略陣列中的24組探測(cè)器的能量刻度和效率刻度則用152Eu、133Ba、60Co、241Am、88Y 5組標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)中在不同數(shù)據(jù)文件(運(yùn)行次數(shù))下,四極輻射放出的329 keV(6+→4+)γ射線的強(qiáng)度隨探測(cè)器擺放角度的增大而增大,而偶極輻射放出的110 keV(13-→12-)γ射線的強(qiáng)度隨探測(cè)器擺放角度的增大而減小。此外,在允許的誤差范圍內(nèi),同一躍遷階的強(qiáng)度比幾乎是恒定的,這意味著角分布也適用于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的其他γ射線。

根據(jù)RADO的定義(θ1=152°,θ2=90°),實(shí)驗(yàn)也得出了在ΔI=2(四極矩)的情況下RADO>1和在ΔI=1(偶極矩)的情況下RADO<1的結(jié)論,且隨著時(shí)間的推移,不同γ射線的強(qiáng)度比幾乎保持不變。因此,實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行的效率刻度是有效的,實(shí)驗(yàn)中放出的帶電粒子也不會(huì)對(duì)伽利略探測(cè)器造成破壞。

致謝:感謝意大利萊尼亞羅國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和北京航空航天大學(xué)張高龍教授課題組提供的89Y(6Li,3n)92Mo的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件,以及蘭州理工大學(xué)蒲忠勝教授和萊尼亞羅國(guó)家實(shí)驗(yàn)室張廣鑫在數(shù)據(jù)處理和分析方面對(duì)我的幫助,在此表示衷心感謝。