伽利略探测器中γ射线角分布及其稳定性研究

侯 颖,蒲忠胜

(兰州理工大学理学院,甘肃 兰州 730050)

γ射线角分布问题一直吸引着许多实验工作者和理论工作者去研究[1-4]。利用γ射线角分布测量来获得γ跃迁的强度(分支比)以及不同自旋能级差下的强度比,对于γ射线能谱的研究具有重要意义。

对于能级自旋和宇称的奇偶分配问题的分析,洛斯阿拉莫斯洛杉矶国家实验室采用了与取向核方向相关(DCO,directional correlation from oriented nuclei)比率法[5],DCO比率法是指从一个初始核态发射的两条辐射是轴对称取向的,其方向与取向核的方向相关。而尼尔斯波尔研究所串联加速器实验室则采用与取向核的γ射线角分布相关(ADO,γ-ray angular distribution from oriented nuclei)比率法[6],该实验先用诺德球探测器阵列探测γ射线,之后用ADO法分析γ射线的跃迁性质,ADO法与取向核的γ射线角分布有关。在实际应用中,运用DCO比率法控制的跃迁往往需要γ射线具有四极辐射的特性。原子核能级定向相关的理论计算表明,假设选择纯E1(电偶极辐射)、E2(电四极辐射)跃迁,此时如果γ辐射为电偶极辐射,则比率RDCO≈0.6;如果γ辐射为电四极辐射,则RDCO≈1.0。这种方法在γ射线角分布计算中并不适用。因此在本次实验中,我们进行了ADO比率的计算。对不同的高纯锗探测器阵列,其对应的ADO的值也不同。对伽利略探测器阵列,可以观察到Eu核具有部分自旋排列的典型ADO比值。当γ跃迁为偶极辐射时,比值RADO=0.8;当γ跃迁为四极辐射时,RADO=1.4。研究也对自旋差ΔI=2时RADO>1和自旋差ΔI=1时RADO<1的原因进行了定性解释。

在实验过程中,高能级态向低能级态跃迁时除了发射γ射线外,附带还会产生带电粒子和中子。由于轨道反应中铝膜的阻挡,带电粒子对伽利略探测器阵列的损伤可以忽略不计。探测效率的稳定性作为伽利略高纯锗探测器阵列的关键指标之一,在很大程度上影响数据分析过程。

1 探测器结构

意大利莱尼亚罗国家实验室(Legnaro national laboratory-INFN)的串联式加速器系统已经完成了一个将6Li加速到34 MeV时轰击靶核89Y的实验[7-8]。该实验采用伽利略高纯锗探测器阵列采集γ射线并制作成可以在RadWare软件中分析的γ能谱数据。该阵列由25个高纯锗探测器组成,其中16～25号的10个探测器安装在阵列的90°方向;5、7、9、11、13号5个探测器安装在119°方向;6、8、10、12、14号5个探测器安装在129°方向;0～4号探测器中,0、1、2、4号4个探测器安装在152°方向，由于存在一些问题,所以不考虑3号。另外在探测器阵列中心还放置了一个硅球EUCLIDES设备,它由分布在4π空间的硅探测器阵列组成,命名为欧几里德,由40个硅E-E望远镜组成,主要测量带电粒子[9]。在欧几里德中沿光束方向插入氧化铝柱状吸收体,以保护硅探测器不受弹性散射离子的影响。伽利略探测器的形状如图1所示。图1(a)是伽利略探测器的实物图,其中上方是整体示意图,左下角是152°方向的10个探测器,其余角度分别位于后方,右下角是硅球阵列;图1(b)是伽利略探测器示意图。

图1 伽利略探测器阵列Fig.1 GALILEO detector array

实验中圆柱体的厚度设置为200 μm,大于150°的后向角不受吸收体的保护,详细的实验设置参考文献[10-13]。

实验中入射粒子6Li与靶核89Y发生熔合反应后形成复合核,复合核蒸发粒子后达到平衡状态,此时发生反应的剩余核往往处于高能级激发态,高能级激发态向低能级激发态跃迁时发射的低能γ射线可通过伽利略高纯锗探测器测量(探测器阵列主要测量220 MeV的α粒子、60 MeV以下的质子和10 MeV以下的电子以及能量在300～600 keV的γ射线),而带电粒子可通过探测器中心的硅球EUCLIDES阵列测量,这样可以更好地发挥探测器的效率。

该实验采用基于唯一数据采集(XDAQ,exclusively data acquisition)架构的数据采集系统记录γ能谱数据。生成的γ射线单谱的分析则采用基于Ubuntu系统的程序RadWare进行[14]。

2 数据分析

探测器探测效率作为高纯锗探测器的关键技术指标之一,是衡量一个探测器好坏的关键因素。它的定义式为

其中:Nexp表示实验数据中拟合得到的全能峰面积;Nth等于标准源活度、γ射线的强度(分支比)和γ谱的测量时间的乘积。实验采用152Eu、133Ba、60Co、241Am、88Y 5组标准源对各探测器在实际几何条件下的能量和效率进行刻度,能量跨度从39.522 keV(152Eu)到2 734 keV(88Y),用标准源可以确定各探测器的效率曲线,基于此才能得出不同γ射线强度的数据以便分析。

在能级自旋和宇称奇偶校验的定义中,RADO比被广泛使用[6],我们将γ射线的RADO定义为

其中:θ1=152°;θ2=90°。当|θ1-π/2|>|θ2-π/2|时,在ΔI=2(四极矩)的情况下RADO>1 和在ΔI=1(偶极矩)的情况下RADO<1的原因似乎没有明确的解释。然而,如果γ射线在ΔI=2或ΔI=1时分布与角分布有关,将会得出一个定性的结果。从实验上看,要得到核的角分布,核的自旋必须有一定的取向。

当入射核6Li的能量为34 MeV时,实验采集到了6组运行数据,分别为1 004、1 005、1 006、1 007、1 009和1 010。6Li与89Y发生熔合反应后的主要产物为92Mo,这与复合核95Mo的3n蒸发通道有关。在92Mo能级图中分别选取329 keV(6+→4+)、1 097 keV(7-→5-)、110 keV(13-→12-)和2 064 keV(12-→11-)强度的γ射线,不同γ射线强度随角度的变化见图2。图2中底部数字表示伽利略探测器中不同角度下分布的探测器序列号(其中25号探测器无数据记录)。

图2 不同γ射线强度随角度的变化Fig.2 The intensity of different γ-rays varies with the angle

实验结果表明:随着探测器角度从90°增大到152°,329 keV(6+→4+)(ΔI=2)的强度也在增大;而110 keV(13-→12-)(ΔI=1)的强度则随着角度的增大而减小。且随着角度的增大,329 keV(ΔI=2)/1 097 keV(ΔI=2)和110 keV(ΔI=1)/2 064 keV(ΔI=1)的强度比在误差范围内几乎是恒定的。这表明,当ΔI=2时,在90°方向的γ射线强度较小;当ΔI=1时,在90°方向的γ射线强度较大。且当ΔI=2时,在152°方向的γ射线强度大于90°方向的强度,即RADO>1;当ΔI=1时,在152°方向的γ射线强度小于90°方向的强度,即RADO<1。因此,它解释了自旋差ΔI=2时RADO>1和自旋差ΔI=1时RADO<1的原因。

此外,为了测量伽利略探测器阵列的效率稳定性,在90°、119°、129°和152°方向下分别选择18号、7号、10号和1号探测器来探测773 keV/1 509 keV的强度比。两种γ射线在不同角度和不同实验数据下的强度比见图3。由图3可知其值差距很小,说明在误差允许范围内,不同γ射线的探测效率随着时间的推移几乎没有变化。因此,伽利略探测器阵列的效率稳定性很好,这意味着我们在实验前进行的效率刻度是准确有效的。

图3 773 keV/1 509 keV γ射线在不同角度下的强度比Fig.3 The intensity ratio of 773 keV/1 509 keVγ-rays with different angles

3 结果与评价

89Y(6Li,3n)92Mo实验在意大利莱尼亚罗国家实验室进行,对伽利略阵列中的24组探测器的能量刻度和效率刻度则用152Eu、133Ba、60Co、241Am、88Y 5组标准源进行。

实验中在不同数据文件(运行次数)下,四极辐射放出的329 keV(6+→4+)γ射线的强度随探测器摆放角度的增大而增大,而偶极辐射放出的110 keV(13-→12-)γ射线的强度随探测器摆放角度的增大而减小。此外,在允许的误差范围内,同一跃迁阶的强度比几乎是恒定的,这意味着角分布也适用于实验产生的其他γ射线。

根据RADO的定义(θ1=152°,θ2=90°),实验也得出了在ΔI=2(四极矩)的情况下RADO>1和在ΔI=1(偶极矩)的情况下RADO<1的结论,且随着时间的推移,不同γ射线的强度比几乎保持不变。因此,实验前进行的效率刻度是有效的,实验中放出的带电粒子也不会对伽利略探测器造成破坏。

致谢:感谢意大利莱尼亚罗国家实验室和北京航空航天大学张高龙教授课题组提供的89Y(6Li,3n)92Mo的原始实验数据文件,以及兰州理工大学蒲忠胜教授和莱尼亚罗国家实验室张广鑫在数据处理和分析方面对我的帮助,在此表示衷心感谢。