近代物理实验小论文.docx

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近代物理实验小论文

近代物理实验小论文

徐梦洋

32130539

126Cs的高自旋态研究

徐梦洋

指导教师姓名：

马克岩

单位：

吉林大学物理学院

专业名称：

原子核物理

摘要：

利用融合蒸发反应116Cd（14N,4n）布居了126Cs的高自旋态，选取的

束流能量为65MeV，123I是其中一个较强的副反应道布居的。

奇奇核126Cs高自旋态的实验研究结果：

建立起了一个迄今为止内容最为丰富的126Cs能级纲图。

能级纲图中加入了4条新的γ跃迁。

关键词：

在束γ核谱学，高自旋态，能级纲图

1引言

1.1高自旋态实验研究

原子核是物质结构中的一个重要层次，它介于原子和基本粒子之间，是由质子和中子组成的复杂微观量子有限多体体系，展现出独具特色的许多奇异性质。

它集中体现了自然界中的几种基本相互作用⎯强相互作用、弱相互作用和电磁相互作。

原子核本身就是一个天然的实验室，它不断地充实和深化人们对微观世界的基本规律和基本对称性的认识。

研究历史

自1911年卢瑟福（E.Rutherford）在α粒子散射实验的基础上提出原子的核式模型以来，原子核结构就一直是人们关注的焦点。

1932年，Chadwick发现中子，随后Heisenberg提出，原子核是由中子和质子组成，至此，原子核的概念已初具规模。

但是核结构的研究是在20世纪50年代Mayer和Jensen提出原子核的强自旋轨道耦合模型之后得到快速发展的。

自A.Bohr和Mottelson在20世纪60年代提出原子核的集体运动模式以来，人们对原子核的基态及基态附近的低激发态已经有了较好的了解。

随着原子核技术的不断快速发展，尤其是在20世纪70年代期间许多大型重离子加速器的相继建成，可以使原子核获得很高的角动量开创了极端条件下的核结构⎯高自旋态的新研究领域我们不妨回顾一下原子核高自旋态研究的历史，1971年，Johnson等人发现的转动惯量的回弯现象[1]、以及Stephens等人用带交叉观点对一现象的成功解释[2]，对50年代以来原子核结构的研究产生了很大影响，使得原子核集体运动的研究得到前所未有的发展，发现了许多新的物理现象，如高速转动态、转动带的回弯、裂变双峰位垒结构、变形核的壳效应、奇异核形变、超形变、高速转动热核集体模型、大振幅集体运动等。

同时实验数据的获取手段的不断更新（包括探测器技术的发展、大型探测阵列和高性能计算机的使用），使得高自旋分离谱线的测量越来越富有成效。

世界很多国家或单独或联合投资兴建大型设备,使得在束γ实验设备取得很大发展和更新,高自旋态核结构研究也从中受益匪。

1.2.实验技术上的发展

最近十几年高自旋态核结构研究飞速发展主要得益于实验技术和设备的发展和更新。

主要体现在下列几个方面：

一．大型和超大型γ探测阵列的建立这些大型和超大型γ探测阵列所用的高纯锗探测器（HPGe）都是带有BGO反康的,BGO反康可使HPGe测到的全能峰计数与总计数之比值（峰总比）提高三倍左右,可使γ-γ符合谱中峰总比提高九倍,在这点上与一般中小型装置所用的HPGe是一样的。

其主要差别在于:

在小型γ探测装置中HPGe的个数一般在10个左右,中型装置在20个左右,如90年代北欧几国合建的Nordball（20HPGe）,加拿大的8π装置（20HPGe）是当前比较有代表性的中型装置。

意大利的GASP有40个HPGe,是一个大型装置。

由法国、英国、德国、荷兰等国合建的EUROGAM有70个HPGe,美国多家实验室合建的GAMMASPHERE使用110个HPGe及建设中的EUROBALL（492个HPGe）属于超大型装置。

二．BGO晶体球

BGO晶体比相同体积的NaI晶体对γ射线的探测效率要大10倍左右,用多个独立的BGO探测器可组成以靶心为中心的、占据尽可能接近4π立体角的探测几何的所谓晶体球。

从BGO晶体球中同时测到γ射线的探测器个数,可以得到每次核反应事件放射出的γ射线多重性M,而从晶体球同时测到的γ射线总能量又可获得一次核反应所辐射γ射线的总能量E。

恰当选择M和E的范围,可以实现对反应道的选择。

三．放射性束流

当把研究目标推向更远离β稳定线的核时,势必出现无法找到合适的束靶组合的问题.目前,世界上正在建造和计划建造的放射性核束流装置为解决这一问题提供了最有力的手段.其中,美国橡树岭实验室建造的放射性束流装置便是主要用于研究极缺中子核结构的,它将把可研究核的数目扩展15%[4]。

兰州的近代物理研究所和北京的原子能研究目前也正在建造和使用放射性束流装置。

四．带电粒子球

利用融合蒸发反应来布居原子核的高自旋态，有时候反应道不再是通过蒸发中子,而一般是通过蒸发2pn,3p或α,αn等带电离子的反应道。

因此,通过p（α）-γ-γ符合测量就可以非常有效的实现对反应道的选择。

五．反冲质量谱仪

把大型γ探测装置与在线反冲核质量分离器（RMS）联合使用,使RMS选择出的反冲核与γ探测装置测到的γ符合,则可非常确定地把未知的γ射线指定给RMS选出的目标核。

这种方法对研究那些核谱学信息完全未知的核十分有效。

RMS对质量数在100左右的核的质量分辨可达1/170。

2在束γ谱学实验

2.1数据反演与符合矩阵的建立

能级纲图是通过分析符合矩阵得到的，把原始的事件带文件构建成符合矩阵的过程称为反演。

在完成了能量刻度之后，就可以建立符合矩阵了。

符合矩阵就是从原始事件谱大量的γ－γ符合事件中提取出满足不同时间条件的一个二维矩阵。

符合矩阵本质上就是二维数组，因此对于三重和三重以上的符合事件都分解成二重符合来进行处理。

对每一个γ-γ事件，若两条γ射线间的相对时间差满足事先给定的条件，则把两条γ线相应的道数提取出来，然后在矩阵元（ch1,ch2）上累加1。

通过对所有有效的事件谱进行上述处理，就得到了所需要的符合矩阵，最后以文件的形式记录下来。

根据时间条件的不同，符合矩阵可分为：

总符合矩阵，瞬时符合矩阵（时间条件为-a1

当然，时间条件的设定要考虑到具体分析问题的需要，并没有严格的限制。

从矩阵的x或y轴方向把所有道数的计数相加，就可得到符合矩阵的总投影谱，对于对称矩阵，这两个方向的总投影谱是相同的，而对于非对称的，如超前、延迟、DCO和ADO矩阵等，这两个方向的总投影谱则是不同的。

2.2.开窗与能级纲图的构建

为了建立目标核的能级纲图，继而对目标核高自旋态的相关物理问题进行深入的研究和分析，就必须对符合矩阵进行反复的开窗，找到γ峰之间的符合关系和相对强度等信息。

关于符合开窗的基本步骤、应该遵循的几点原则和注意事项等，

3奇奇核126Cs的能级结构

3.1束靶组合与探测阵列

实验是日本筑波大学的小松原博士在丹麦玻尔所NORDBALL探测阵列完成的，通过116Cd（14N,4n）反应布居了126Cs的高自旋态[18]。

实验用116Cd靶的质量厚度约为820μg/cm2，反冲残核在靶材中穿行时发射γ射线，会发生多普勒衰减，从而导致峰形展宽，分辨率下降。

为了减小不同角度射线的多普勒漂移，靶材背面蒸以1.0mg/cm2厚金衬用以阻停反冲核，减弱谱线的多普勒展宽。

图3.1显示了用pace2理论计算程序得出的激发函数曲线，由于当时实验研究的初衷是布居126Cs的高自旋态，因此选取的束流能量为65MeV。

理论计算结果大体上反应了实验观测情况，通过仔细的符合开窗分析，我们注意到126Cs的产额是最大的，约占总产额的38％，其次是125Cs、123I分别约占总产额的19％和19％。

实验是在玻尔所NORDBALL探测阵列完成的，探测阵列是由19台带有BGO反康抑制的高纯锗探测器和一台小平面探测器组成。

γ－γ事件。

我们在离线数据处理中建立了一个4096×4096的γ－γ符合矩阵，用于分析符合关系。

为了确定γ射线的跃迁多极性，进而指定相关能级的自旋值，实验还测量了符合模式下的γ射线的各向异性度，即ADO系数，并建立了相应的矩阵。

比较已知极性和未知极性γ射线的ADO系数，获得新观测到的γ跃迁多极性，从而建议了相关能级的自旋值，是本次实验采取的方案。

对应于本次实验，纯四极γ跃迁的ADO系数取值在1.4左右，而纯偶极γ跃迁的ADO系数取值在0.7左右，对于系数明显小于1的γ跃迁被认定为混合为负的M1/E2混合跃迁。

基于γ射线ADO系数与其跃迁多极性的对应关系，我们指定了大部分γ跃迁的多极性和相应能级的自旋值和宇称。

3.2能级纲图的构建

1）.通过仔细的开窗分析，确认了一条能量为54.keV新的γ跃迁，并由此，在激发能为426.5keV的能级与基态之间，找到了1新的相互平行的衰变路径，是126.3

keV－54eV－99.5keV－31.0keV－241.1keV.。

另一个退激到基态198.5keVγ跃迁也是首次观测的。

2）在激发能为355.0keV,161.0keV能级之间，有观测到168.5keV跃迁，并且在314.2keVγ跃迁的开窗投影谱上也看不到晕带的γ射线峰，因此我们有理由相信168.5keV的存在.

3）一条退激到基级的能量为272.0keV的射线被发现，存在在99.5keV下面。

由上面的271.5keV开窗的投影谱上可以看到272.0keV.

4结论

本次工作中还发现了一些新的γ跃迁，均是通过大量的符合开窗，综合级联关系和强度平衡等各种因素确定的通过分析能谱，开窗投影谱分析，发现了168.5keV，197.5keV，272.0keV，54.0keV四条新谱线。

5参考文献：

[1].王守宇，26Cs的高自旋态及A～130区手征双重带研究博士学位论文（2005）

[2].陆景彬，奇奇核158Ho和124Cs高自旋态的实验研究，博士学位论文（2000）

[3.曾谨言，孙洪洲编著.原子核结构理论.上海科学技术出版社（1987）323