（粒子物理与原子核物理专业论文）156tm核的高自旋态实验研究.pdf

摘要 在质量数为1 5 0 的核区，原子核显示了很强的单粒子性和集体性的竞争。核子数增 加或减少一两个都会引起原子核结构很大的变化。“t m 是远离双幻数的稀土区核，目前 为止对”6 t m 核的研究工作比较少，已有的能级结构信息也很少。在中予数n 8 8 时原 子核显示了集体性，而在中子数n 8 6 时，则表现出了单粒子结构的特征。当中子数为 8 7 时，则既有单粒子性又有集体性。因而对。1 i l 的研究有助于我们更好地了解这两种 模型之间的过渡情况。同时，“t m 的研究对其同位素和同中子素的系统性研究也有一定 的意义。 实验是在中国原子能科学研究院h i 1 3 串列加速器上完成的。用n d ( f ，5 n ) 1 呵m 反应布居了1 m 的高自旋态。靶是厚度为2 2 m g c m 2 的自支撑靶。探测系统由1 3 台 h p g e b g o 反康谱仪组成。在能量从1 1 0 到1 2 5m e v 之间，测量了激发函数。在此基础 上，选择了束流能量为1 2 2 5m e v ，束流强度为1 5 n a ，测量了y y 符合。在l o o h 的 束流时间内共积累了1 7 l0 8 个两重及两重以上的符合事件。离线建立了两个矩阵： 一个是对称型的f ，一毋矩阵；另一个是分别以4 5 。和9 0 。位置的探测器为横轴和纵 轴的非对称型矩阵，由此矩阵提取g o 值。对1 叮m 已知y 跃迁开窗，共辨认出3 0 多 条y 跃迁属于“t m 核。并建立了新的能级纲图。 本文介绍了原子核高自旋态研究的一般概况以及其物理解释的基本理论，然后介绍了 在束y 核谱学及其实验技术。在此基础上分析和讨论了1 辅t m 核高自旋态的实验研究。 关键词：高自旋态：在束y 谱学：能级纲图 a b s t r a c t n u c l e ii nt h em a s sa 1 5 0r e g i o ne x h i b i ts t r o n g l yc o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ec o l l e c t i v ea n d s i n g l ep a r t i c l ec h a r a c t e r s t h e s t r u c t u r ew i l lc h a n g el a r g e l yw h e nt h en u c l e o nn u m b e ri n c r e a s e s o rr g d u c e s 1 5 6 t m ，f a ra w a yf r o md o u b l em a g i cn u c l e u s ，b e l o n g st ot h er a r e 。e a r t hn u c l e i t h e h i g hs p i ni n f o r m a t i o no f 1 5 叶mi sr a r e n u c l e iw i t hn 三8 8e x h i b i tc o l l e c t i v ec h a r a c t e rw h i l e w i t hn _ 2w e r e c o l l e c t e dd u r i n g1 0 0h o u r sb e a mt i m e t w om a t r i x e sw e r ef o u n d ，o n ew a s e 7 - e 7s y m m e t r i c a l m a t r i x ，t h eo t h e rw a su n s y m r a e t r i c a l m a t r i xw i t hxa x i sa n dya x i sl o c a t e d ：4 5 。a n d * 9 0 。p o s i t i o n s f r o mt h ec o i n c i d e n c ea n a l y s i s m o r et h a n3 0n e w口r a y s w e r ei d e n t i f i e d b e l o n g i n gt o 5 叶mb yg a t e do nk n o w nu - r a y s a n dt h en e wl e v e l s c h e m eo f 5 6 t mw a s e s t a b l i s h e d t h i st h e s i s m a i n l y c o n c e r n st h ei n - b e a m7 - m y s p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s a n dt h e i r a p p l i c a t i o n si nt h es t u d yo f h i g h s p i n l e v e ls t r u c t u r e so f n = 8 71 5 6 t mn u c l e i k e yw o r d s ：h i g hs p i ns t a t e s ；i n - b e a r a - m ys p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s ；l e v e ls c h e m e - i i 广-j啊_-一_ 序言 人类在探索自然奥秘的过程中，个重要的基本问题是探索物质微观结构的规律。 二十世纪以来，物理学家在这方面不断取得进展。从二十世纪初到三十年代，探索物质 微观结构的前沿学科是原子物理学；三十年代到四十年代是原子核物理学：五十年代到 八十年代是粒子物理学。这三个学科反映了物质微观结构的不同层次。 原子核是一个强相互作用的多核子系统。是物质结构的一个重要层次。原子核的结 构、性质和动力学是核物理研究内容的核心。随着对原子核认识的深化以及实验观测方 面探测器分辨能力越来越强、放大倍数越来越高，原子核物理实验技术有了惊人地提高， 如高能电子加速器、重离子加速器、新型探测技术等。这些进展为深入认识核子与核的 结构和性质提供了丰富的实验数据。 木论文中1 骓t m 核的高自旋态研究属于在束核谱学范畴。核谱学是通过实验建立核 衰变能级纲图，为原子核的基础研究及核技术在国防、环境学、生物学和地理学等方面 的应用提供一个有效的工具。原子核衰变能级纲图的确立是一个较为复杂的长周期过 程，需要用到多种实验技术与实验方法。1 9 世纪末，克鲁斯首次用肉眼观察到高能a 粒子在硫化锌晶体薄屏中被吸收时所发出的闪烁现象。在这以后的2 0 年，电子计数技 术得到迅速推广和发展。充气电离室曾被用来作为基本的探测器，在其中入射带电粒子 产生离子对。这些充气系统有3 种特定的工作方式：电离探测器、正比计数器和盖勒 弥勒计数器。随着灵敏的光电倍加管的发展，闪烁计数器重新获得了它原先在核物理研 究中的突出地位。2 0 世纪6 0 年代半导体探测器等的出现使核谱学翻开了新的一页。这 些半导体探测器尤其以其高分辨率、宽线形范围而著称，使原予核衰变纲图大部分被更 新。与囤j b t ：l 比，我国在这一领域起步较晚。中国原子能研究院的h i 一1 3 大型串列加速 器- f 二1 9 8 7 年8 月正式对外开放，为我国这一领域的研究工作提供了良好条件。 “6 t m 是远离双幻数的稀土区核，目前为止对1 m 核的研究工作比较少，已有的能 级结构信息也很少。在质量数为1 5 0 的核区，原子核显示了很强的单粒子性和集体性的 竞争。因而对1 “t m 的研究有助于我们更好地了解这两种模型之间的过渡情况。同时，”t m 的实验研究对研究其同位素和同中子素的系统性也有一定的意义。 第一章原子核高自旋态研究的介绍 t 8 9 5 年底，伦琴发现x 射线。此发现引起了贝克勒尔的关注，1 8 9 6 年，贝克勒尔 发现了天然放射现象。这一发现具有划时代的意义，它标志着核物理学的开端，敲丌了 2 0 世纪近代物理的大门。1 9 1 9 年，卢瑟福用口粒子轰击氮，发现了质子，并提出中子 假说。1 9 3 2 年，查德威克在“铍辐射”的核反应中发现了中子。不久，伊凡年科和海 森堡等人相继提出了原子核是由质子和中子组成的。1 9 4 9 年，迈耶等人又提出的壳模 型这一单粒子理论成功地解释了“幻数”。之后核结构研究处于多个模型并存的阶段， 但没有个核模型能够统一地解释所有的实验事实。目前核结构研究的一个重要方向就 是将原子核推向高自旋、高激发能和高温度这样的极端状态，以获得更多的核结构信息， 寻找新的物理现象。 2 0 世纪7 0 年代以来，许多大型重离子加速器相继建成，开创了高自旋态研究的新 领域。1 9 7 1 年，j o h n s o n 等人发现了“回弯现象”“3 。开始了原子核高自旋态的研究。 图1 1 实验表明，当i l o 时，转动惯量是随转动角 频率( _ ) 2 成线形增加；当i 1 2 时，转动惯量急 剧上升而出现回弯，曲线呈s 形。这种转动惯 量随转动角频率变化的奇异现象称为“回弯现 象”。1 9 7 7 年，i y l e e 等人发现了“e r 的 第二回弯0 1 。回弯现象的发现是高自旋物理发 展的里程碑。公认的比较合理的理论解释是转 动顺排模型，即带交叉观点“3 。 图1 1 中的基带( g 带) 和激发带( s 带) 所对应的两条曲线在j = 1 6 附近有交叉( 带交叉) ，从而出现回弯现象，基带和激发带对 应着核内不同的结构信息。般地，基带内所有核子都处于配对状态，没有单粒子运动。 随着转动速度钓增加，高j 轨道的核子对受到科里奥利力和离心力丽首先被拆开并与集 体转动耦合，迫使角动量沿集体转动轴方向顺排，结果激发带对应核转动惯量明显大于 基带。随j 的增大，激发带能量增幅小于基带。回弯现象实质上是两种性质不同的转动 带的交叉。 1 1 原子核高自旋态的布居 原子核具有分立的能级和角动量。高自旋态一般对应着原子核的较高激发态。在自 然界中存在的原子核的自旋般都很小，为了研究需要，要将原子核南居到高自旋态。 主要方法有：重离子熔合蒸发反应、多重库仑激发、重核诱发裂变瞬发y 谱学等。这埋 着重介绍重离子熔合蒸发反应。 1 1 - 1 重离子熔合蒸发反应 1 9 6 3 年，m o r i n a g a 和g a g e l t l o t “1 提出重离子熔合蒸发反应，并由s t e p h e n s 等人 应用到实验上获得高自旋态。重离子熔合蒸发反应是指入射粒子与靶核作用后熔合成激 发的复合核，然后通过发射轻粒子后再达到剩余核的过程。 ”s m 钿i “目 i 4 7 村 h 图1 3 由于入射重离子带来很高的角动量，所形成 的复合核处于较高自旋态。其大部分的激发能通 过粒子发射而带走，蒸发几个中子后，原子核仍 处于较高自旋态。又经过少数y 辐射把非转动激 发能带走，原子核跃迁到晕线附近的状态。之后 将通过一系列沿晕线的e 2 跃迁带走其激发能及 相应的角动量( 如图1 2 6 1 ) 。 反应后可以使复合核处于较高自旋状态，但 复合核角动量太高或质量数太大就会发生裂变 或a 衰变，因此能够获得的复合核的角动量是有 限制的。s c o h e n “1 等人曾用转动液滴模型傲过计 算，见图l 。3 。图中l n 是裂变势垒为零的曲线， 当b 稳定核的角动量超过此曲线时，原子核对裂 变是不稳定的；l t 为裂变势垒曲线，但往往小于 阻止核子发射的势垒，核衰变的主要方式仍然是 裂变；虚线是单核子发射的平均势垒( 8 m e v ) 曲 线，在此曲线下复合核主要通过蒸发中子来释放 能量。所以用此曲线来标记原子核最高角动量的 限制更恰当。对于质量数为a 的核，我们可以从 图中估计原子核可能具有的最高角动量的上限。 1 1 2 多重库仑激发 当入射粒子的能量低于库仑位垒时，入射粒子穿过势垒与靶核发生相瓦作用的概率 很小，特别当入射粒子的能量比库仑位垒低得多时，对于重离子入射，发生作用的概率 就更小。入射粒子与靶核之间般不会有核力作用，只有库仑作用。这种库仑相互作用 可以使原子核激发，称为库仑激发。 库仑激发是通过纯电磁相互作用使原子核集体受到激发。对于产生转动激发非常有 效，通过多重e 2 激发，高原子序数的重离子有可能将原子核布居到相当高的自旋态。 库仑激发反应不仅截面较大。1 ，而且可以实现重核高自旋态的布居，由于是激发束和靶 核，所以射线的归属具有很好的选择性。缺点是引入的角动量和激发能相对较低，布居 集中于晕带及基态附近，提供的带信息少，只能研究稳定线及其附近核的结构。 1 1 3 重核诱发裂变瞬发y 谱学 重核诱发裂变瞬发y 谱学是近年来发展的一个新领域，重核裂变后生成上百种丰中 子产物，这些核素生成后，处于具有一定高角动量的激发态，然后以重离子熔合蒸发反 应相似的过程褪激，通过对其分立，谱的测量，分析研究其能级结构。 重核诱发裂变瞬发y 谱学的研究方式应用的对象是丰中子核区。此方法弥补了重离 子熔合蒸发反应和库仑激发反应布居原子核高自旋态的局限性，拓展了高自旋核结构的 研究范围。这种方法的缺点是布居得到的原子核高自旋态相对较低，难以得到很高自旋 态的能带结构信息。而且由于裂变产物十分丰富，对测量系统要求高，数据分析工作量 大。另外，由于裂变反应大多是两体裂变且对称裂变较多，所以很难得到重核的高自旋 信息。 1 2 原子核结构模型的发展 原子核的研究是当代物理学发展的重要前沿之一。近几十年来人们对原子核的认 识日益深入和完善。从实验上人们已经能够比较全面地描述原子核的性质。但我们对核 力的认识目前还不是很清楚，而且原子核体系是个特殊的多体系统，存在着描述上的 困难，在理论上还有着较大困难。因此，在很多方面都需要作简化处理。其中重要的一点， 就是在对核现象进行多方面分析、研究的基础上，提出适合这些性质的原子核模型一模 型法。它是以实验事实为依据，构思一些简化的数学模型，从而使得复杂的问题变得较为 4 容易处理。合适的核模型能够从不同侧面描述核的结构与性质，解释某些特征，如基态、 激发态、能谱、跃迁几率等等，还能预言实验中的一些结果。现今，我们已经建立了许多 种核模型，它们各有其适用范围，相互联系与补充，使得核模型的研究不断向纵深方向发 展。但至今我们还没有得到一个能够全面描述原子核性质的统一模型。 由费米提出的气体模型是一种最简单的单粒子模型”。该模型基于核子平均自由程 远大于核子自身线度的实验事实，把核子看作是气体分子，在核内三维势阱中受一个平 均场作用而运动，遵从泡利原理。气体模型能够定性解释核的结合能、稳定性等实验事 实，但它无法给出有实际意义的能谱。 由玻尔等人提出的液滴模型液滴模型是早期的一种集体模型。1 。该模型根据原子核 密度近似为常数及核力具有饱和性等实验事实，把原子核看作是带电液滴。液滴模型能 较好地解释核质量公式、结合能、裂变等现象，但在描述核的其它性质特别是在说明核 内部结构方面却遇到了难以克服的困难。 实验发现，当核内的质子或中予数目为2 ，8 ，2 0 ，2 8 ，5 0 ，( 称为幻数) 时，原子核特 别稳定，这种周期性现象很像是原子的壳层模型。因此，早在1 9 3 0 年。就有人提出核的壳 层模型。但由于当时还不能明确解释核子间相互作用及幻数的由来，所以很快被否定。 1 9 4 9 年，迈耶、简孙等人在量子力学势阱求解中，加进了核子白旋与轨道运动的耦合项， 成功地解释了全部已知的幻数一幻数实际上是能量较低壳层被完全填满时的质子数或 中子数，壳层模型获得了极大的成功，受到了人们的特别重视与肯定“。 1 9 5 0 年雷恩沃特，1 9 5 3 年奥格玻尔与莫特尔孙“”等人分别提出了集体模型与综合 模型。这种模型通常是在承认核具有壳层结构的基础上，再考虑原子核的集体运动。集 体模型的称谓体现在对核集体运动的描述上，但由于许多集体模型实际上已经同时考虑 了核子的两种运动形式及其相互作用，所以有人称这类模型为综合模型。这种模型认为 原子核的运动既有整体上的液滴性，又具有内部的壳层性，核予的运动由各核子在平均 场中的运动和核的集体运动两部分组成。由于集体运动描述方法的不同，以后的集体模 型又有多种，它们能分别解释核的许多实验现象，更深入地描述了核的性质。集体模型的 提出，使核结构的研究向前跨进了一大步。 目前对原子核模型的研究，主要是在壳层模型的基础上发展各种综合模型，包含几 何模型和代数模型。一般说来，前者形象直观，但描述上较复杂：后者在描述上较篱便， 但比较抽象。核模型理论对偶偶核的研究比较充分全面，基本上可解决对绝大多数偶偶 核运动的描述。对一部分奇a 核也进行了研究与描述，获得了不少有益的结果，但还不够 成熟总起来说，人们对原子核的研究证日益走向系统与全面。不久的将来，核结构模型 理论必然有一个更深层次的发展，人们对核的认识会更加科学、完整与准确。 5 第二章”6 t m 在束v 实验 ”6 t l n 核的在束y y 符合实验于2 0 0 3 年4 月在中国原子能科学研究院的l l 一1 3 串列 加速器上完成。通过重离子熔合蒸发反应“2 n d p f ，6 n ) “t m 来铂局8 t m 核的高自旋态， 束流能量为1 2 2 5 m e v ，使用2 2 m g c w 厚自支撑靶。由1 3 台h g p e b g o 反康滔仪测量退 激y 射线，记录了1 7 l 妒个y y 符合事件。离线反演生成三个矩阵。经_ 丌窗分析， 在原有t m 能绂纲图基础上发现了一些新的y 跃迁，并建立了新的能级纲图。 2 1 实验设备简介 ( 一) 北京h i 1 3 串列加速器 串列加速器核物理国家实验室( 图2 。1 ) 是我国主要的低能核物理研究基地。实验 室的主要设备是一台大型静 电式串列加速器和以大型高 分辨q 3 d 磁谱仪，中予时间 飞行谱仪为代表的各种实验 终端设备。h i - 1 3 串列加速 器j 9 8 7 年通过国家验收投 入难式运行。该加速器主要 用于核物理基础研究，核数图2 1 串列加速器核物理国家实验室 据测量及核技术的应用丌发研究工作。 串列加速器及其相关的实验设备( 图2 2 ) 分别安装在加速器大厅，一号，二号， 三号实验厅及主控制室和物理测量室。加速器的前端为一负离子注入器，用于产生负离 子并将其加速到1 5 0k e y 左右的能量，再注入到串列加速器。该注入器目前配备有多种 离子源，原则上可产生元素周期表上从质于到铀2 3 5 ( 惰性气体元素除外) 等各种元素 的贝离f ，但至今已加速过的最重元素是碘1 2 7 。 第一实验厅是用于中子物理的实验研究。大量的核数据澳4 量工作就是在这一实验厅 进行。厅内有三条实验管道，分别配置有中子时间飞行谱仪，裂变靶室和反符合全屏蔽 高能y 射线谱仪。第二实验厅有两条实验管道，一条配有世界一流的大型商分辨精密磁 谱仪0 3 d ，用于核反应研究，奇异核质量测量及原子物理和辐射物理研究，特别是航天 器微电子器件单粒子效应( s e u ，l e t ) 的研究。另一管道为自行建造的我国第一条原子 分子物理实验研究管道。配有真空紫外单色仪，用于高离化态原子光谱测量。第三实验 厅建有六条束流管道。这里有我国第一条加速器质谱( h m s ) 即超高灵敏质谱专用管遒， 图2 2 串列加速器及其相关的实验设备 已用于地球化学环境科学和生物医学等领域的研究，取得了多项重要成果；有我国第 一条放射性次级束流管道，在研究与天体物理过程有关的核反应中取得了重大成果：有 研究高自旋态核结构用的在束y 谱学测量专用束流管道和装置，首次观察到稀土区奇 质子核带交叉反常推迟现象；还有用于材料科学和核结构研究用的束流管道和瞬态场离 子注入扰动角分布仪；有材料及各种样品辐照用的专用管道和靶室。 ( 二) h i 1 3 串列加速器在束r 探测器阵列 原于能院在束y 探测器阵列由1 4 套h p g e b g o 反康谱仪和一台小平面( 吉林大学 提供) 组成。反康谱仪中有9 套是径向型。5 套是横向型i 兰州近物所提供) ，9 台同轴 型h g p e - b g o 反康谱仪架设到一个位于靶点正上= 1 7 8 c m 处，内径为r = 5 6 6 6 c m 的圆环上( 如图2 3 ) 。全部1 5 台反康谱仪阵列平面图见图2 4 。 圈2 3 在柬r 谱学实验装置 各反康谱仅与靶的距离为2 7 2 c m ，各反康谱仪的 角度分别为： 5 4 7 0 ：掌： 4 4 6 0 ：3 ”、9 嚣、i 、1 l “： 9 0 0 ：l ”、4 0 、8 “、1 2 4 、1 5 8 ： 1 3 5 4 0 ：5 8 、7 4 、1 3 # 、1 4 4 ： 1 2 5 3 0 ：6 4 。 图2 4 反康谱仪阵列平面圈 高纯锗y 谱仪是利用纯度极高的半导体材料锗制成的p 州型探测器，由于锗的纯度 极高，电阻率很大，可得到较厚的耗尽层，又由于锗酌原子序数较高，因而比较适合探 图2 ，5h p g e 探浏器的高压( 左) 及液氮的控制装置( 右) 测t 射线。由高纯锗探测器组成的y 谱仪具有能量分辨率极高的优点，例如对”c o 的 一8 1 2 3 m e v 的y 射线，能谱半宽度可达1 5 - 2 0 k e y 。所以它被广泛用于y 射线能谱的测量， 使y 谱学的面貌发生了根本的变化。高纯锗探测器在正常工作状态需要加高压，并且为 了保持高纯诸晶体处于低温状态要给高纯锗探测器注入液氮。圈2 5 是h p g e 探测器的 高压( 左) 及液氮的控制装置( 右) 。 2 2 在束1 ，实验方法 2 2 1 反康原理 康普顿效应是当y 射线或x 射线打在物质上，与物质中原子的核外电子发生相互作 用，作用后产生散射光予和反冲电子的效应 ( 如图2 6 所示) 。当射线与电子作用不发生 八射 散射时，射线能量完全被电子吸收。这两种 情况反应在实验测得的能谱上时，前者对应 的是康普顿坪，后者对应的是全能峰。 测量原子核的在束y 谱时，在某一个瞬 反冲电子e e 时激发核退激下来的y 射线就有很多条，这些谱线 图2 6 康普顿散射示意图 的强度和能量又各不相同，把它们叠加在一起，由于康普顿坪的影响， 可能使得某些强度较弱的y 射线的全能峰被湮没在它们叠加的康普顿坪里，而且低能部 分由高能的所有康普顿坪叠加，将造成一个非常高的康普顿坪。为了让那些弱峰尽量不 被康普顿坪所湮没，就必须想法让康普顿坪压到最低限度。使得全能峰与康普顿坪之比 尽量增大。反康前后的对比如图2 7 所示。 实验中采用b g o 探测到的散射信号与h p g e 探测到的信号进行反符合来抑制康普 图2 t b p g e 探测器测到的“c o 能谱 ( a ) 不加b g o 的能谙( b ) 加b g 0 反康后的能 - 9 顿坪。按照b g o 晶体相对于g e 探测器的几何安排，在束探测阵列中采用了两种类型 的b g o 反康谱仪：( a ) 非对称型的横向结构和( b ) 对称型的轴向结构( 如图2 8 ) 。 两种类型的反康屏蔽的前端均设计成楔形，以便于几何安排多个反康谱仪靠近靶室。 图2 8i t p g e - b g o 反康谱仪( a ) 横向结构( b ) 轴向结构 2 2 2y y 符合线路 符合方法是现代物理实验技术中最常用的一种实验方法，它是在存在大量本底及干 扰事件的情况下，利用电子学的脉冲符合技术，将时间关联的物理事件选择出来，而将 大量的干扰事件排除。符合技术在核物理的各个实验研究领域中都获得广泛的应用，如 研究核反应产物的角分布、测定核激发态的寿命、角关联、测量飞行粒子的能谱、研究 宇宙射线和实现多参数测量等。 图2 9 是这次实验中每套h p g e - b g 0 反康谱仪所采用的电子学线路图。h p g e 探测器 的输出信号分成能量和时间两路来处理。时间线路的作用就是把这些信号拾取出来进行 放大、整形、滤波成为我们所要的规则信号，然后再对时间进行延迟、展宽，让同时信 号通过各路电子学插件到达符合前还能在我们的要求范围内同时对齐，作出符合门信号 和总的开门的信号，然后把这些作好的门信号和被放大后的能量、多重性等信号分别对 应地送到a d c 中，最后在总门( 或选通信号) 的控制下把它送到c n d a c 机箱的缓冲区里， 再在软件的控制下对这些信号进行分类处理。h p g e - b g 0 反康的部分在y 厅内完成。各 路h p g e b g o 反康后的能量路信号和时间信号输送到测量厅，做多路的符合及信号的选 择记录工作。 h p g e 和b g o 的输出信号先分别进行定时滤波放大( 4 7 4 、8 6 3 ) ；输出的负脉冲经过 恒比定时甄别( 4 7 3 a 、c f 8 0 0 0 ) 成为标准形状的逻辑信号；再经g g 8 0 1 0 延迟展宽，在 7 5 5 逻辑单元进行反符合。线路调节对反康效果的影响主要来自h p g e 和b g o 的时间关 系和b g o 的闽值。b g o 的时间宽度是由b g o 和h p c , e 的响应时间决定的，以h p g e 的输出 1 0 做s t a r t ，b g o 的输出经延迟后做s t o p ，送入t a c ( 时幅转换) 测时间谱，幽所得峰的 半蜘宽决定b g 0 的时问宽度。如果c f 8 0 0 0 的阈卡得过高，就会过多地卡掉低能的康普 顿敞射y ，袭现在y 能谱上康普顿坪高能端的抑制效果变差；如果阈k 得过低，眦0 给出的v e t o 信号中会有躁声混入进来，这样会过多损失峰面积。每套反康谱仪经过v t - t o 之后的输出，都要输入到多重逻辑单元( m u l t i p l i c i t yl o gjcu n i t ) 。 多重逻辑单元相当于整个系统的大脑，它能实现这样的逻辑判断：当它的多个输入 端q i 同时订两路或两路以上有信号输入。它才输出一个信号( 此时逻辑关系黄为“n 【”) 。 这个信号对整个获取系统来说是一个“必要条件”，它明来通知后面的系统：前面已经 探测到一个有用f 内符合事件。开始进入工作状态记录数据。当多重逻辑单元有输出信号， 它并不足把每一路a d c 的门都打开，而是扇出成多路，再分别与各路v e t o 后的锗信号 符合，选择性地为a d c 开门。7 5 5 输出的方波又一次经c f s 0 0 0 恒比定时，是阻为从y 厅到获圾厅的电缆线很长，信号在传输过程中会有衰减和干扰。为了有效去掉干扰 c f 8 0 0 0 的阈根据每路实际情况要卡高一些。给a o c 开门让其记录能谱的同时，还用t d c 记录每个i i p g e 探测器的时问谱。实验中，使用了两块l e c r o y 的t d c ，每块有一个公共 的开始信号( c o m s t a r t ) 输入口和8 个独立通道的停止信号( s t o p ) 输入口，另外， 每个通道可以转换的最大时问( 即c o r i l s t a r t 信号与s t o p 信号之问的时间差) 是有 5 1 2 n s 。吲此要将g g s o i o 延迟调节合适，使他们既能满足& d c 符合门的要求，同时也能 满足各路t d c 输入信号的要求。 圈2 ，1 0 在柬y 实验数据获取系统 机监视的数据获取情况的图片。 本实验所使用的获取 系统是由日本引进的 k o d a o 系统，它基于c a m a c 机箱和日本东洋( t o y o ) 公司的c c 7 7 0 0c a m a c 机箱 控制器，由日本东京大学 原子核研究所( k e k ) 丌发， 在m s w i n d o w s 9 x 操作系统 下运行。获取系统出c 语 言写成，用户可对程序进 行修改，以满足多参数实 验的需要。图2 1 0 为在测 量厅内的符合线路及婀计算 图2 9h i 一1 3 串列加速器在束j ，符合实验电子学线路 2 2 3 激发函数测量 在实验之前除了选择合适的束靶组合外，我们还要寻找适当的入射能量。为此 c a s c a d e 程序计算了n d ( ”f ，x n ) 的激发曲线，在实验中就可以依据理论计算选择一个合 适的能量范围。最后由实验测得的激发曲线来确定束流能量。图2 1 0 是2 n d ( ”f ，x n ) 的激发曲线，左边的图为理论计算的结果。参考理论计算的结果，在实验中选择了1 1 5 、 1 1 7 5 和1 2 0 m e v 能量进行了测量。根据测量的结果，最后选择了1 2 2 5 m e v 的束流能量 进行实验。 b e a me n e m y ( me 铀“f 茸删 图2 i i ”2 n d ( ”f 。x n ) 反应的激发曲线 ( a ) 统计蒸发模型程序c a s c a d e 计算结果( b ) 实验测量结果 2 2 4 效率刻度 本实验中，选择标准源“2 e u 来进行效率刻度。探测器总的效率刻度的算法就是将 所有探头的同一峰的面积进行加和，然后除以该峰的相对强度，得到的就是所有探头对 该y 射线的总的相对效率。( 见表2 1 ) 。 表2 i 探测器的总的相对效率 能量 l n e面积 相对强度比值 归一l n r 1 2 1 84 8 0 2 46 7 0 5 91 3 6 2 04 9 2 3 60 5 3 4 23 9 7 8 2 2 4 4 75 53 3 0 9 03 5 9 09 2 1 7 3l46 0 5 2 3 4 4 ，35 8 4 1 51 0 7 7 8 71 2 7 5 08 4 5 3 90 9 1 7 24 5 1 8 7 4 4 406 0 9 5 81 1 8 9 51 4 8 08 0 3 7 20 8 7 2 044 6 8 2 7 7 8 96 6 5 7 93 6 6 1 96 1 9 05 9 1 5 80 6 4 1 841 6 1 7 8 6 7 46 7 6 5 51 0 9 7 41 9 9 05 5 1 4 50 5 9 8 34 0 9 1 5 9 6 4 16 8 7 1 23 6 7 5 96 9 2 05 3 1 2 00 5 7 6 34 0 5 4 1 1 1 2 17 0 1 42 9 1 5 46 4 9 04 4 9 2 10 4 8 7 43 8 8 6 5 啪 啪 抽 伽 o o c口_鼍t口b 我们在做实验时都将相对效率进行归一化，就是在标准源中选择一个合适峰，认为 它的相对效率为1 0 0 ，然后将其它的峰对它进行归一。本实验得出探洳器的总的相对 效率如图2 1 2 所示。 图2 1 2 探测器的总的相对效率曲线 又因为o c o 的比值为两个不同角度y 射线强度比值，所以需要对9 0 。探测器( 表2 2 ) 与4 5 。探测器( 表2 3 ) 进行效率刻度。分别对这两个角度的探测器加和，具体的算法 与总的效率刻度算法相同。 表2 29 0 探浏器相对效率 能量l n 8面积相对强度比值 归一l n r 1 2 l84 ，8 0 2 42 4 7 9 51 3 6 2 0 1 8 2 0 50 5 3 8 53 9 8 6 2 2 4 475 51 2 1 3 63 5 9 033 8 0 5 l4 6 0 5 2 3 4 4 35 8 4 1 53 9 6 0 61 2 7 5 03 1 0 6 4 0 9 1 8 94 ，5 2 0 6 4 4 4 06 0 9 5 84 2 4 31 4 8 02 8 6 6 9 0 8 4 8 l4 4 4 0 4 7 7 8 ，96 6 5 7 91 3 3 8 56 1 9 0 2 1 6 2 40 6 3 9 74 1 5 8 4 8 6 7 46 7 6 5 54 2 1 01 9 9 02 1 1 5 6 o 6 2 5 84 1 3 6 4 9 6 4 16 8 7 1 21 3 9 6 7 6 9 2 02 0 1 8 40 ，5 9 7 i4 0 8 9 5 1 1 1 2 17 0 1 41 0 8 7 86 4 9 0 1 6 7 6 104 9 5 83 9 0 3 6 1 4 0 8 07 2 4 9 91 6 5 8 1 1 0 0 0 01 6 5 8 10 4 9 0 53 8 9 2 8 表2 34 5 。探测器相对效率 能量 l n e 面积相对强度比值归一 l n r 1 2 1 84 8 0 2 42 9 0 3 21 3 6 2 02 1 3 1 60 5 1 8 73 9 4 8 7 2 4 475 51 4 7 5 23 5 9 04 1 0 9 2l4 6 0 5 2 3 4 4 35 8 4 1 54 7 8 4 51 2 7 5 03 7 5 2 50 9 1 3 245 1 4 4 4 4 4 06 0 9 5 85 5 5 81 4 8 03 7 5 5 409 1 3 94 5 1 5 l 7 7 8 96 6 5 7 91 6 6 7 66 1 9 02 6 9 4 00 6 5 5 64 1 8 3 0 8 6 7 46 7 6 5 54 9 3 21 9 9 02 4 7 8 40 6 0 3 14 0 9 9 5 9 6 4 16 8 7 1 21 5 1 9 46 9 2 02 3 4 0 20 5 6 9 54 0 4 2 2 1 1 1 2 17 0 1 41 3 3 0 96 4 9 02 0 5 0 704 9 9 l39 1 0 2 1 4 0 8 072 4 9 91 9 4 9 91 0 0 0 01 9 4 9 90 4 7 4 53 8 5 9 7 得到的9 0 。探测器( 图2 1 3 ) 与4 5 。探测器( 图2 1 4 ) 效率刻度刻度曲线 8 土 效 糍 曲 线 47 4e 5 - - 3 旦42 1 0 39 7 8 4s 3 旦2 4o 30 d0o5，o a e 图2 1 39 0 。操测器效率曲线 eo55 i g e 图2 1 44 5 。探测器效率曲线 1 5 dco-90效率曲线 2 3 实验流程 由于此实验用到的实验仪器多、电子学线路复杂并且实验时问较长，所以实验前对 仪器的检修、靶室的对中、真空系统的检查以及线路的连接、检查、调试就显得尤为重 要。对仪器的检修主要针对h p g e b g o 反康谱仪。检修的两大指标分别为h p g e 探测 器的分辨率和h p g e b g o 反康后对康普顿坪的抑制比。当然，我们希望h p g e 探测器 的分辨率越高越好，h p g e b g o 反康后对康普顿坪的抑制作用越大越好。另外，也要 对所用到的高压、偏压和光电倍增管做检查。靶室对中的目的是让柬流、管道及靶室中 心在同一直线上，并且让束流穿过靶的中心。真空系统的检查主要是检查靶室和管道是 否有漏气和抽真空的设备工作正常与否。线路的连接、检查和调试主要有两部分：y 厅 内的h p g e b g o 反康的部分；测量厅内的多路符合及信号的选择记录部分。在仪器的 检查完毕后，线路的连接、检查主要是要正确地连接线路及对导线和电子学插件的输出 信号进行检查。总之，这些实验前的工作意义重大，但实施起来却是繁杂的。每个细微 的环节做不好都将影响到实验的效果，有的甚至关系到实验的成败。所以需要我们耐心 且细心地完成好。 在实验中，首先要用标准y 放射源( ”c o ，”2 e u ，”3 b a ) 对各探测器进行能量刻度，为 激发函数的测量和以后的反演做准备。然后要进行在束的对中，这一部分主要由加速器 的工作人员完成。对中后，就可以开始实验测量了。为选择合适的束流能量。先要做的 是激发函数的测量。选择完能量点后，就是在束地实验记录了，通常每隔2 或3 小时记 录一下文件。由于实验的时间比较长，期间需要为h p g e 探测器灌液氮。同时通过计算 机来监视各路仪器获取的情况，如果发现问题要及时解决。束流时间用完停束后，要记 录剩余放射性的文件，做效率刻度。最后的工作是清理靶室和其他善后工作。至此，实 验完成。 在束实验完成后，需要对所获取的数据进行处理。对于这部分的工作将在第三章中 介绍。 第三章数据处理 3 1 矩阵反演 对y y 符合事件文件数据进行“反演”前，首先要用标准y 放射源( “c o ，“：e u ) 对各探测器进行能量刻度，再用反应中生成核的特征y 射线对各探测器进行增益匹配， 然后把事件文件反演为毋 ，对称两维矩阵，在此矩阵基础上用某条v 跃迁开窗，以 获得干净的与其有级联关系的y y 射线谱图。 在反演矩阵时，计算机先在内存中建立个4 0 9 6 * 4 0 9 6 的二维数组，每个数组元素 都先簧零，然后依次读取事件文件中记录的每个事件。若某一事件记录的是两条y 射 线的符合，则在矩阵中，把横纵坐标分别对应这两条y 射线能量的两个对称的矩阵元 累加1 ；若同时测量到的y 射线多于两条，则两两组合，分别累加到相应的矩阵元上。 反演矩阵时还要对各个文件的各个a d c 道址做能量增益匹配，使相同能量y 射线的光 电峰位落到矩阵中相同的道址上。反演好的矩阵直接以二进制格式存成文件，占用3 2 兆字节的硬盘空间。在反演之前，先要通过谱文件找特征峰，用以拟合出增益匹配系数， 并存成文件；再编辑一个文本文件，内容包括所有事件文件名的列表。然后执行反演程 图3 1 1 2 2 5 m “，”f + “2 n d 反应总投影谱 序，程序会依照列表依次反演 每个事件文件。经反演分析， 本次实验共获得1 7 x 1 0 8 个有 效y y 两重符合事件建立了 对称型的e y e y 矩阵。 3 。2y y 符合分析 反演后，使用r a d w a r e “开 窗谱程序进行y y 符合分析。 图3 1 为本实验“柏d + ”f 的总投 影谱。在开窗分析时，我们从已知的属于”6 r m 核的y 射线入手，通过对其开窗的分析 寻找新的级联y 射线。( 原有1 * t m 核的能级纲图与新建能级纲图如图3 2 e ) 由开窗单谱( 相应 的开窗谱见图3 3 3 其中左边的为新建“6 t m 纲图，箭头标示的是用来 开窗的y 射线) 可以看到 跃迁能量2 0 4 、5 6 8 、5 9 5 、 3 6 0 ，3 3 1 ，6 1 0 、4 7 9 ，2 0 0 ( k e v ) 的级联关系与图 3 2 的符合关系是一致 的，但在开6 9 9 、7 9 5 、 1 7 3 、7 4 3 ( k e y ) 的单谱 图3 2 原有“t 核的能级纲图( 左) 与新建能级纲图( 右)时发现级联关系相差很 大，6 9 9 ( k e v ) 与7 9 5 ( k e y ) 之间没有符合关系。通过开窗，我们发现1 7 3 ( k e y ) 与 1 7 4 ( k e v ) 以及6 8 1 ( k e y ) 表现出很强的双重线特性。由6 9 9 、1 7 3 ( k e y ) 开窗我们新 发现了一串级联跃迁，包括5 4 1 、8 4 2 、7 3 5 、4 1 4 、3 2 t 、7 1 6 、5 4 2 、t 7 4 、4 6 2 、5 7 2 ( k e y ) 跃迁能量，并且有7 3 5 4 1 4 + 3 2 1 以及7 1 6 5 4 2 + 1 7 4 ，存在分支级联衰变关系。由7 9 5 、 7 4 3 ( k e y ) 开窗我们新发现了二串级联跃迁，包括6 8 1 、8 4 8 、9 2 5 、7 4 1 、5 8 6 以及6 8 1 、 7 8 7 、7 7 0 、7 5 3 ( k “) 跃迁能量，并且在6 8 1 ( k e v ) 处分开。 图3 35 6 8 k e yy 射线开窗能谱 一1 8 了车攀盎 图3 46 9 9 k e yy 射线开窗能谱 图3 56 8 1 、8 4 8 k e yy 射线开窗能谱 一1 9 一 ，t“t。止l。jt。十。4j尹， ， l，引引州蚓铲叶 。l ：t 山 o 土 图3 65 4 2 、7 3 5 k e yy 射线开窗能谱 图3 71 9 9 、3 3 0 k e yy 射线开窗能谱 - 2 0 3 3 级联y 射线强度及d c 0 比值 原于核由激发态跃迁到基态，有时要连续地通过几次跃迁，这时放出的y 辐射称为 级联跃迁，连接地放出两个光子，其概率与这两个光孑发射方向的夹角有关，即夹角改 变时，概率也变化，这种现象称为级联辐射的方向角关联，或简称为v v 角关联。 对v i 吖2 的级联辐射，当原子核放出y l 之后，接连地放出的概率w 是与y 和v2 之间的夹角0 有关，这种函数称为d c o 函数。yl 与束流成0i 角，v2 与束流成82 角， yl 和束流所成平面与y2 和束流所成平面间的夹角为巾，这时d c o 函数可以表示成 w ( ol ，02 ，m ) ，下面给出了它的表达式。当交换vl 与y2 的发射方向时d c o 函数成为 w ( 02 ，0i ，巾) ，二者之比： r 肿2 鬻器c 。 为了在实验上观察到角关联，就必须 同时记录yl ，y2 。因此需要采用符合方 法进行测量。如图3 8 所示：该图是测量 y y 方向角关联的实验装置示意图。s 是 放射源，1 和2 都是闪烁探测器。其中1 是固定的，用来记录y l ；计数器2 是可动 的，可在计数器1 和放射源s 组成的平面 内绕s 转动。因此夹角e 可以改变。这样 在不同的0 角测得符合计数率，就可以得图3 8 测量y y 角关联实验装置示意图 到w ( 0 ) 。将它与理论的角关联函数比较，就可以定出有关能级的自旋以及yl