（核技术及应用专业论文）lt155gtTm核高自旋态的研究.pdf

摘要 “5 t m 是远离双幻数的稀土区核，目前为止对“5 t m 核高自旋态的研究成果不多，已确 认的能级结构信息也很少，通过本论文，我们建立了新的能级纲图。”5 t m 质子数为6 9 ， 中子数为8 6 ，对其高自旋态性质的研究，我们发现它位于集体运动和非集体运动的过渡 区。此外，“6 t m 的研究也有助于我们探讨其同位素和同中子素的高自旋态。 本论文的实验部分是在中国原子能科学研究院的h 工一1 3 串列加速器上，通过重离子 熔合蒸发反应“2 n d ( ”f ，6 n ) “5 t m 布居”1 m 高自旋态，靶是厚度为2 2 m g c m 2 的自支撑 靶，束流能量为1 2 2 5 m e v ，强度为1 5 n a 。探测装置由1 4 套h p g e b g o 反康谱仪和一台 小平面探测器组成。实验中进行了y 射线激发函数和y y 符合测量，在l o o h 的束 流时间内共积累了1 7 1 0 8 个两重及两重以上的符合事件，离线建立了三个占，一毋矩阵： 一个是对称型矩阵；另外两个是非对称型矩阵。利用这些矩阵，对已知的“t m 的v 跃 迁开窗，计算y 跃迁强度和相应的方向角关联一d c o 比值，共辨认出了2 8 条新的y 跃 迁和2 6 条新能级，建立了新的”5 t m 核能级纲图，最高激发态8 5 m e v ，最高角动量达到 6 7 2 + 充。 本论文分为四章，第一章介绍原子核结构模型理论与高自旋态的布居；第二章中讲 述了在束v 谱学符合实验测量；接下来一章通过分析处理实验数据，得出实验结果， 最后一章通过系统学比较的方法，以及用准粒子经验壳模型和o x b a s h 程序进行理论训。 算，并将其结果与实验结果进行比较，对1 1 m 核进行物理讨论。 关键词：高自旋态：在束y 谱学：准粒子经验壳模型 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：聚乃诵日期：皿f 岁国 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：查里盟指导教师签名趔 日 期：罢型：! ：! ! 日 期：型堡：= 三! 工作单位 通讯地址 学位论文作者毕业后去向 电话_ 一 邮编： 序口 1 8 9 6 年贝克勒尔( b e c q u e r e l ) 发现了天然放射性，自此，物质结构的研究进入了 微观领域，在短短几十年内，物理学取得了重大进展：建立了研究物质结构的三个分支 学科，即原子物理、原子核物理和粒子物理：发现了微观世界的运动规律，创造了量子 力学和量子场论；原子能的释放使人类进入原子能时代。核物理基础研究的重大成就， 核能和核科学技术的广泛应用已成为科技现代化的主要标志之一。 随着粒子物理逐渐成为一门独立的学科，核物理已不是物质结构研究的最前沿，它 也随之向纵深发展。由于电子计算机和电子学技术的发展，以及各种探测器的不断改进， 加速器水平的大幅度提高，使得我们的实验条件显著提高。在探测器方面，低能核物理 中最常用的有气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器。除此以外的探测器还有很多种。 在这些探测器中，半导体探测器以其高分辨率、宽线性范围而被广泛应用于各个领域的 射线能谱测量，大大推动了原子核数据的更新。我们测量“5 t m 核的实验探测装置即采用 h p g e 半导体探测器。本实验是在中国原子能科学研究院的眦一1 3 大型串列加速器上进行 的，通过重离子融合蒸发反应布居的”5 t m 核高自旋态。 在原子核理论方面，人们首先根据放射性衰变和低能轻粒子核反应的研究建立了早 期的各种核模型，对核子在核内的运动规律和核 x 研究其能带结构的相似性，进而揭示出所遵循的规律性，这就是系统学分析“1 。对某一 组态带，在一组同位素或同中子素系列中，找到那些与准粒子组态内禀结构相关的现象 或对参量( 如能带的激发能、带交叉频率及顺排增量等) 随质子数( z ) 、中子数( n ) 的递变 所表现出来的系统变化规律，期望这一系列中每一个核素都符合这一规律。系统学分析 的关键在于合理的系统变化趋势的确定以及用来总结这种规律的参考基准的选择，基础 是实验数据的充分性和可靠性。如果其中某一个核发生奇异，则意味着对该带的指定值 得怀疑对其高自旋态性质的研究。通过对”m 核与周围核的系统学比较，我们可以大致 掌握该核区原子核结构的相似之处，发现它位于集体运动和非集体运动的过渡区。此外， 对于”5 t m 的研究也必将有助于我们探讨其同位素和同中子素的高自旋态更多方面的信 息。 2 第一章、原子核结构模型理论与高自旋态的布居 1 1 原子核结构模型理论 原子核结构是原子核物理的一个中心问题。它是物质结构的一个重要层次。目前， 尽管人们对物质结构的认识已深入到核子内部的夸克层次，但对基于核子的原子核结构 的理论仍不成熟。近几十年来，人们对原子核的认识目益深入和完善，在核结构基础研 究方面取得了许多重大进展，其中比较突出的有：壳模型、集体模型、对关联和超导性、 高自旋态等。但由于人们对量子多体和核力这两个基本问题没有完全解决，因此，在核 结构基础研究方面还有许多工作要做。下面我们以原子核壳模型和准粒子经验壳模型为 例来介绍一下壳模型的理论。 1 1 1 原子核壳模型 鉴于实验事实证明幻数的存在，而液滴模型无法予以解释，迫使人们提出一种新的 理论来解释原子核的结构，这就是壳模型，其中心思想是：每个核子都在其它核子的平 均场作用下做独立运动，因此壳模型也叫独立粒子模型。各种实验事实表明，这是原子 核在基态和低激发态的主要运动形式之。假如取某种唯象的单粒子势( 平均场) 加自 旋轨道耦合，通过解单体薛定谔方程，得到一系列单粒子轨道，可以重现原子核的幻数， 这也是核内存在单粒子运动形态的重要证据。为了叙述简单，我们仅考虑胁、m 、仍 三个粒子分别占据三个单粒子轨道、工、工，多个粒子和单粒子轨道可作相应推广。壳 模型是以独立粒子近似为基础的，但是如果停留在这种近似上，壳模型能解释的核现象 将会很有限。事实上平均场无论选择的如何适当，也不能完全消除核子问的相互作用， 人们将这种核子间的相互作用与核平均场之羞称为剩余相互作用【3 】。这样，原子核的 h a j n i l t o n 量可以表示为： 肌霪i 蓦州回瞧崛， 其中f i ，f ) 、爿分别为二体剩余相互作用、质量数。 此时原子核的波函数可以写为“、” l ( ( 。) z 叩，o ( _ ：) z 咿：) ，t zo ( ，) 批；，) ( 卜2 ) 是研个全同粒子占据单粒子轨道形成的角动量，占，和a ，是不成对粒子的个数和一 个附加量子数，其中角动量上耦合正成正，再耦合山成 在求得 ja i i l i l t o n 量矩阵元 后，通过矩阵对角化，原则上可阻求得本征值和组态混合。 在壳模型计算中，总是预先限定价核子分布的轨道。对价核子进入的轨道的限制和 价核子在这些轨道中分布方式的限制称为组态空间截断，即将价核子轨道限制在很小的 范围，并限制轨道上的价核子的数目，例如目前两个广泛采用的大型壳模型计算程序 o x b a s h “1 ，r i t s s c h il 7 】，就是采用上述空间截断的方法进行计算的。 1 1 2 准粒子经验壳模型 在实际应用中，由于粒子和轨道数目很多，致使壳模型计算很困难，下面我们介绍 一种比较简单明了的计算方法一准粒子经验壳模型。图1 1 是其原理示意图： 图1 1 准粒子经验壳模型示意图 首先，选定一个与要计算的核相邻的偶偶核作为核心c o r e 。这样待求核的结构可以 看作是核心与核心外的价核子组成的多体系统。由已知的核理论知道核内的两体作用占 主导地位。这样我们可以通过提取待求系统中核子和核心、核子和核予之间的相互作用 的方法来计算核中某个组态的一定自旋、宇称的能级的能量。其中核子和核心、核子与 核子之间的两体相互作用要用其相邻核的相应组态来提取”1 ，公式表示为 e ( c d r e o ，2 ，3 ；l ，) 皇e ( c 。r 已o ，l ，2 ；2 ) + e ( c d ，e o j 3 ；，3 ) + s + u ：u 2 j 1 3 ；，。：，1 3 ) io l ；j 。3 ) + u 2 u 。j 2 3 ；：i ，2 3 ) u 2o ；i ，2 3 ) ( 卜3 ) s = b ( r e o ，l o j 2 0 ，3 ；j ) + b ( c d r 已) 一口( c d r e - ，1 j 2 ；，1 2 ) 一b ( c d r e j 3 ；j 3 ) 7 和j 分别为重耦合系数和原子核基态结合能项。系数( 重耦合系数) ： u f l 厂1 ，! 3 ：j 1 ：，) = ( 一) 。l + j ：+ j 3 + j 、i ! ! ：i ：j i 丽( ；：j ：1 1 1 4 。 其中( z ；：) 为六阶系数，可以从六阶系数网站1 中查到。 ( 卜3 ) 式右边的能级能量f 和二体相互作用( f ，) 均从周围核已有的数据中提取( 提 取二体相互作用时的c 删可以与前面的c 竹p 不同，但越近越好) 。( f ，) 表示如下： 4 当激发的熔合核处在裂变位垒以下，主要通过蒸发中子、质子等轻粒子带走大量能 量，却带走很少的角动量，每蒸发一个中予将带走8 1 0 m e v 的分离能量( 核子平均结 合能6 8 m e v ) ，而仅带走1 2 h 的角动量，这样使得剩余核就具有很高的自旋而相对较 低的激发能，它随后通过发射大量的y 射线带走剩余的能量和角动量从而到达其基态。 图1 2 显示了高自旋态丫退激的过程。 霹 一 蠼 艇 撬 图1 2 高自旋态y 退激示意图【加 圈中“转晕线( v r a s t ) ”是对应于某一激发能可能达到的最高角动量或某一给定角动 量下原子核处于最低能量态之间的连线。当原子核激发能降至“入口线”以下时，只能 通过发射y 射线退激，这些y 级联包括统计y 和沿转晕线的类转晕y 跃迁( 分立) 。在 束y 谱学主要是通过测量这些退激y 来研究原子核结构。 图1 3 最高角动量与质量数的关系 该方法的优点是适用的核区相当广 并且生成核达到的自旋态较高。可以通过 束靶组合和入射重离子束流的选择，使研 究对象的生成核的生成截面积最大，布居 得最强。缺点在于：首先由重离子熔合蒸 发反应会生成许多种类的原子核，使y 能 谱的分析工作变得很复杂；其次由于蒸发 出中子，因此生成核大多为缺中子核，有 时不能进行稳定线附近及丰中子核素的 高自旋态研究；再者就是用这种方法生成 的复合核( 体系) 角动量太高或质量数太 大时会发生裂变或n 衰变，使得复合核 第二章、在束y y 符合实验测量 2 1在束y y 符合实验联合测量装置 2 0 0 3 年4 月，在中国原子能科学研究院的h i 一1 3 串列加速器上，通过重离子熔合蒸 发反应“2 n d ( ”f ，6 n ) “6 t m 布居了“叶m 的高自旋态，和“5 t m 同一时期进行的还有其同位素 “t 丌1 的高自旋态研究。实验选取束流能量1 2 2 5 l e v ，靶是2 2 i i 】g c m 2 厚“2 n d 自支撑靶。 在1 0 0 小时束流时间内记录了1 7 1 0 8 个y y 符合事件，离线反演生成三个矩阵。经 开窗分析，在原有”5 t m 能级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 - lh i 一1 3 串列加速器核物理国家实验室介绍 图2 】串列加速器国家实验室主体及各实验厅平面示意图 中国原子能科学研究院核物理所的h i ”串列加速器实验室是我国核物理方面重要 的国家实验室，也是我国主要的低能核物理研究基地。图2 1 是端电压为1 3 兆伏的h 】1 3 串列加速器主体及各实验大厅的平面示意图。一厅主要用于中子物理的实验研究，二厅 主要用于核反应( 利用大型高分辨精密磁谱仪q 3 d ) 及原子分子物理实验研究，三厅主 要用于加速器质谱( a m s ) ，材料科学和核结构，材料及各种样品辐照，与天体物理过程 有关的核反应等的研究，三厅外是y 厅，主要用于在束y 实验，本实验就是在y 厅完成 的。 加速器主体安装在一个充有六氟化硫的大钢筒内，充六氟化硫的目的是防止高压击 穿。钢筒内主要设备有：加速管，绝缘支柱，均压环及充电系统，分压系统等。钢筒中 r 束流方向成9 0 。的位置，3 ”、9 、1 矿、1 1 “与束流方向成4 4 6 。位置，5 。、矿、1 ，、1 矿 与束流方向成1 3 5 4 0 位置，2 + 位于5 4 7 0 位置，6 位于1 2 5 3 。位置。 图2 4 是两种不同结构的h p g e b g o 反康谱仪，( a ) 是横向型反康谱仪的结构，( b ) 是 同轴型反康谱仪的结构。加b g o 的目的是吸收从h p g e 探测器中跑出来的康普顿散射y 光子，并用其输出的信号与h p g e 探测器的输出信号做反符合，从而抑制了h p g e 探测 图2 5 给h p g e 探测器灌液氮的控制装置 2 2束靶组合的选择 1 1 1 01 舶1 暂1 t 轴 b e a m e 删 器对这种康普顿事件的记录。由高 纯锗探测器具有能量分辨率极高 的优点，例如对飞。的1 3 3 m e v 的 y 射线，能谱半宽度可达 1 5 2 o k e v ，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。因为高纯锗探 测器在低温状态下才能工作，所以 需要液氮来进行冷却。图2 5 是给 h p g e 探测器灌液氮的控制装置。 图2 6c a s c a d e 理论计算出的图：7 实验测量出的激发函数曲线 激发函数曲线 本实验是利用重离子熔合蒸发反应来布居“5 t m 的高自旋态，在进行在束y y 符 合实验测量之前，需要先确定束靶组合和束流能量。为此，我们用c a s c a d e 程序对可 能的束靶组合的激发函数进行了理论计算，并在实验前依据理论计算进行激发曲线的测 量。根据对实验激发曲线的趋势、生成截面、束流及其入射能量、可能的最高布居角动 量以及靶材料等多方面的综合考虑，确定选用“2 n d ( ”f ，6 n ) 4 5 t m ( 束流能量为1 2 2 5 m e v ) 的核反应来布居“。t m 核的高自旋态。图2 6 给出了“2 n d + ”f 核反应的c a s c a d e 理论计算 1 0 一 一 一 一 一 s】iu：*一 的激发函数曲线，图2 7 是实验测量出的激发函数曲线。 2 3 反康谱仪的能量刻度 为了准确确定测得的能谱中对应某个道址的相应能量，需要在实验之前对各套反康 谱仪进行能量刻度。选用6 0 c o 作为测量用的源，它的两条y 射线已知，分别为1 1 7 3 2 k e v 和1 3 3 2 5 k e v 。用多道测量每套反康谱仪的能谱，在计算机上可以得到有两个峰，每个 峰对应一个道址，在不考虑非线性的情况下，能量跟道址基本上成正比的关系，可以表 示为如下关系式： y = a x + b( 2 1 ) v 表示能量，x 表示道址。输入两条已知y 射线的能量和对应道址，即可解出a 和 b 的数值，进而可以确定对应某一道址的y 射线的能量。 2 4 反康谱仪的效率刻度 为了确定实验测得y 射线的强度，还需确定反康谱仪的探测效率。我们以特征峰 较多的“2 e u 作为标准源进行效率刻度。所有探测器总的效率刻度是将所有探头的同一峰 的面积进行加和，然后除以该峰的绝对强度，得到的就是所有探头对该y 射线的总的相 对效率。但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， 以它作为一个标准l ，即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。在 本实验中，我们选择2 4 4 7 k e v 作为标准峰，得出所有探测器的总的相对效率的数据如 下表2 1 所示，并根据此数据用o r i g i n 程序计算了所有探测器总的相对效率刻度的公 式，画出的曲线如图2 8 所示。 表2 1 所有p g e b g o 探测器总的相对效率 e 丫( k e v ) in e v峰面积a相对强度】v比值r = a i 丫归一r l n r 1 2 1 84 8 0 2 46 7 0 5 91 3 6 2 04 9 2 3 65 3 4 23 9 7 8 2 2 4 4 75 53 3 0 9 03 5 9 09 2 1 7 31 0 04 6 0 5 2 3 4 4 - 35 8 4 1 5 1 0 7 7 8 71 2 7 5 08 4 5 3 99 1 7 24 5 1 8 7 4 4 4 o6 0 9 5 81 1 8 9 51 4 8 08 0 3 7 28 7 2 04 4 6 8 2 7 7 8 96 6 5 7 93 6 6 1 96 1 9 05 9 1 5 86 4 1 84 1 6 1 7 8 6 7 46 7 6 5 5 1 0 9 7 41 9 9 05 5 1 4 65 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 0 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 14 8 7 43 8 8 6 5 1 4 0 8 07 2 4 9 94 3 7 0 41 0 0 0 04 t 3 7 0 44 7 4 23 8 5 9 图2 8所有h p g e b g o 探测器总的相对效率刻度曲线 在计算d c o 比值时，需要将探测器按9 0 。和4 5 。分为两组，因此需要对这两组探测器 分别进行效率刻度，具体算法与前面计算所有探测器总的探测效率方法相同。表2 2 和 图2 9 是测得9 0 。位置h p g e b g 0 探测器相对效率的数据及画出的相对效率刻度曲线： 表2 29 0 。位置h p g e b g 0 探测器的相对效率 e 丫( k e v ) h e v 峰面积a相对强度h比值r = a 】v 归一rl n r 1 2 1 84 8 0 2 42 4 7 9 51 3 6 2 01 8 2 0 55 3 8 53 9 8 6 2 2 4 4 75 51 2 1 3 63 5 9 03 3 8 0 51 0 04 6 0 5 2 3 4 4 35 8 4 1 53 9 6 0 61 2 7 5 03 1 0 6 49 1 8 94 5 2 0 6 4 4 46 0 9 5 84 2 4 31 4 8 02 8 6 6 98 4 8 14 4 4 0 4 7 7 8 96 6 5 7 91 3 3 8 56 1 9 02 1 6 2 46 3 9 74 1 5 8 4 8 6 7 46 7 6 5 54 2 1 0 1 9 9 0 2 1 1 5 66 2 5 84 1 3 6 4 9 6 4 16 8 7 1 21 3 9 6 7 6 9 2 0 2 0 1 8 4 5 9 7 l 4 0 8 9 5 1 1 1 2 17 0 1 41 0 8 7 86 4 9 01 6 7 6 14 9 5 8 3 9 0 3 6 1 4 0 87 2 4 9 91 6 5 8 11 0 0 0 01 6 5 8 l4 9 0 53 8 9 2 8 图2 99 0 。位置h p g e b g o 探测器的相对效率刻度曲线 表2 3 和图2 ，1 0 是测得4 5 。位置 p g e b g o 探测器相对效率的数据及画出的相对效 率刻度曲线： 表2 34 5 。位景h p g e b g o 探测器的相对效率 e y ( k e v ) l n e v峰面积a相对强度h比值r = 归一ri j l r 1 2 1 8 4 8 0 2 4 2 9 0 3 2 1 3 6 2 02 1 3 1 65 1 8 73 9 4 8 7 2 4 4 7 5 5 1 4 7 5 2 3 5 9 04 1 0 9 2 1 0 0 4 6 0 5 2 3 4 4 35 8 4 1 54 7 8 4 51 2 7 5 03 7 5 2 59 1 3 24 5 1 4 4 4 4 46 0 9 5 85 5 5 81 4 8 03 7 5 5 49 1 3 9 4 5 1 5 1 7 7 8 96 6 5 7 91 6 6 7 66 1 9 02 ，6 9 46 5 5 64 1 8 3 8 6 7 46 7 6 5 54 9 3 21 9 9 02 4 7 8 46 0 3 14 0 9 9 5 9 6 4 16 8 7 1 21 6 1 9 46 9 2 02 3 4 0 25 6 9 54 0 4 2 2 1 1 1 2 1 7 0 1 4 1 3 3 0 96 4 9 0 2 0 5 0 7 4 9 9 1 3 9 1 0 2 1 4 0 87 2 4 9 91 9 4 9 91 0 0 0 01 9 4 9 94 7 4 5 3 8 5 9 7 图21 04 5 。位置h p g e b g o 探测器的相对效率刻度曲线 2 5y y 符合实验电子学线路 图2 1 1 是本次y y 符合实验电子学线路图。它是利用快慢符合的原理，把h p g e 探测器 的输出信号分成能量信号( e ) 和时间信号( t ) 两路。能量路的主放大器具有良好的线 性和稳定性，用以保证在长时间的在束实验中记录到高质量的y 能谱；时间路的定时信 号拾取可达到n s 量级的脉冲，经过反符合和符合之后给能量路开门，筛选记录有用的 y y 符合事件。 首先，从h p g e 和b g o 出来的两路时间信号经过4 7 4 或8 6 3 定时滤波快速放大后， 输入到恒分比定时甄别器c f 8 0 0 0 ，再通过g g 8 0 1 0 延迟h p g e 和b g o 的时间，一般将h p g e 信号的时间宽度设为5 0 n s 左右，b g 0 的设为2 0 0 一4 0 0 n s ，使输入到7 5 5 的h p g e 的信号处 于b g o 信号之中，即在示波器上看到b g 0 信号包住了h p g e 信号。7 5 5 用于作反符合，只 要b g o 有信号，7 5 5 就没有信号输出，从而实现反康的作用。然后通过g g 8 0 1 0 将信号在 到达多重逻辑单元( m u l t i p l i c i t yl o g i cu n i t ) 前对齐。从g g 8 0 1 0 出来的信号一路送 到多重逻辑单元，另一路再经过过一个g g 8 0 1 0 作延迟，分两路信号，一路给下一个c 0 4 0 2 0 作符合，另一路送给t d c 作为它的停止信号，记录时间谱。多重逻辑单元的作用是：当 它的多个输入端中有两路或两路以上信号同时输入时，它才输出一个信号( 逻辑关系为 “n l ”) ，即只记录符合谱而非单谱。再经过l f 4 0 0 0 扇入扇出，将信号分为三路，分别 用于t d c 的总的开始信号，记录符合后的计数，以及作为a d c 的开门信号。对于能量路， 从h p g e 出来的能量信号经主放大器6 7 2 放大成形后，直接送到a d c 记录能量。 1 4 图2 1 1 y y 符合实验电子学线路图 上图中，7 5 5 ( 包括7 5 5 ) 以上的部分是在y 厅内的电子学线路，以下的部分是在测 量厅内的电子学线路。图2 1 2 给出了y 厅内的部分电子学线路的照片，图2 1 3 是测量 厅内的部分电子学线路的照片。 图2 1 2y 厅内电子学线路 图2 1 3 测量厅内电子学线路及 k o d a q 获取系统实物图 实验所采用的数据获取系统是2 0 0 0 年从日本引进的k a d a q 系统。k o d a q 系统 由连接c a 姒c 与p c 计算机的c c 7 7 0 0c a m a c 机箱控制器、事件触发用的中断寄存器、忙 信号输出用的输出寄存器组成。除此之外，实验者也可根据需要增加其它各种插件，组 成系统。该系统由日本东京大学原子核研究所( k e k ) 开发，在m s w i n d o w s 9 x 操作系统 下运行。获取系统由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。 第三章、懈t m 核数据处理和实验结果 3 1矩阵反演 在处理实验数据时，我们需要反演出三个矩阵，一个是利用所有h p g e 探测器测得的 y y 符合关系建立的对称型矩阵，用以进行开窗分析，找到有级联关系的y 跃迁并确 定其强度；另外两个是分别以小角度和9 0 。位置的探测器探测到的y 跃迁作为横轴和纵 轴的非对称型的d c o 矩阵，用以求出方向角关联一d c o 比值，进而推知跃迁极次。 反演矩阵实质上是一个4 0 9 6 4 0 9 6 的二维数组，所有数组元素预先置为零，若某一 事件记录的是两条y 跃迁的符合，则在矩阵中，把横纵坐标分别对应这两条y 跃迁能 量的两个对称的矩阵元累加1 ；若同时测量到的y 跃迂多于两条，则两两组合，分别累 加到相应的矩阵元上。反演矩阵前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 跃迁的光电峰落到矩阵中相同的道址上。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 后执行反演程序，程序会依照列表依次反演每个事件文件，反演好的矩阵以二进制格式 存成文件。 3 2y y 符合分析 首先，我们利用l n u x 操作系统下的r a d w a r e 开窗程序【1 2 】对总投影谱进行开窗，图 3 1 是本实验的总投影谱。从0 道到4 0 9 5 道开窗且不减本底，即把测量到的所有两两符 合事件都投影到一个坐标轴上所形成的谱就叫总投影谱。谱中横轴表示道址，纵轴表示 计数，在各y 射线旁边标出的数值表示该y 射线的能量，单位：k e v 。y 荆线的开窗谱 就是用该y 射线所占的坐标轴的道数区间向符合矩阵的另一坐标轴方向投影得到的一 维谱。开窗谱中出现的y 射线与作为开窗的、7 射线之间是存在级联关系的。 8 引8 弼54 瓣 窳良i 曩。h 。j ：一 图3 1本实验得到的总投影谱 在总投影谱中除了呈现高斯分布的单峰，还有连续本底以及常见的本底峰。常见自：。 本底峰如表3 1 所示。开窗过程中扣本底，主要是扣除统计y 跃迁、康普顿坪和偶然符 合对谱造成的影响。 表3 1 常见的本底峰 能量( k e v )来源能量( k e v )来源能量“e v )来源 7 3 m 5 3 5 g e 5 1 1电子对8 3 5 4 g e f n ，n 1 7 3 ”p b 的库仑激发 8 4 6 9 5 6 f c 的库仑激发 6 6 6 g e 5 6 9 8 7 5 m 1 3 9 6 g e 5 9 6 2 g e f n ，n ) 8 6 8 3 g e f n ，n ) 7 1 m 1 7 5 g e 6 0 8 2 g e ( n n 1 8 9 8 p b 的库仑激发 7 1 m 1 9 7 8 g e 6 9 3 6 g e ( n ，n ) 3 2 1 ”5 t m 核已有的研究成果 在开窗分析时，我们从已知的属于“叶m 核的y 跃迁入手，通过对其进行开窗分析， 寻找新的级联跃迁。我们查阅了1 5 1 m 核已有的研究成果。1 9 9 1 年，k s t o t h 吣1 等人研 究了“y b 核1 7 5 n s 的同质异能态通过( e c + b + ) 到“5 t m 核的衰变，给出了”叮m 核的低 自旋能级，如图3 2 和图3 3 所示。 图3 2 “5 y b 核1 7 5 n s 的同质异能态通过( e c + b + ) 衰变到”。t m 乒飘， c 哇c * 8 0 3 m e vo 。= s 3 3 m e v i p 奄 要 ” 上 “ 冀靶 i 5 t m 8 6 图3 3 ”5 t m 的已有的低自旋能级n 3 1 1 9 8 5 年，r k o s s a k o w s k i 】43 等人利用s m ( “n ，x n ) 和1 4 7 s m ( 1 4 n ，x n ) 核反应( 1 1 n 束流能量为2 0 1 2 0 m e v ) 分别研究了”“7 r r m 的高自旋态的低能级结构，获得了”t m 1 9 ” w j 限 u 的部分低激发能级纲图，其中包括“5 t m 的一串级联跃迁：5 6 0 k e v ( e 2 ) 一6 1 9 8 k e v ( e 2 ) 一 5 9 7 k e v ( e 2 ) 一4 5 5 5 k e v ( e 2 ) ，如图3 4 所示。 1 5 3 t m5 了m 1 5 5 t m1 5 6 t m 图3 4 “”“7 t m 已有的高自旋态低激发能级纲图“” 3 2 2 本次实验符合开窗及y 射线之间的关联 首先，以r k o s s a k o w s k i 3 等人的能级纲图为基础，对已知这四条射线进行开窗。 除了发现能量为4 5 5 5 、；9 7 o 、6 1 9 8 和5 6 0 k e v 四个强的y 级联跃迁与r k o s s a k o w s k i 等人的结果相符外，还增加了许多新的跃迁。原来的四条y 跃迁能量被进一步确认为 4 5 5 j ，5 9 6 4 ，6 1 9 8 和5 5 9 9 k e v ，新发现的y 跃迁能量为5 3 5 4 、3 8 1 6 、1 7 8 3 、1 4 ( ) 7 、 8 4 1 6 、4 0 1 9 、6 3 5 4 、2 1 3 5 、6 4 8 9 、1 2 2 6 6 、3 5 3 9 、6 3 1 9 、4 4 3 4 、2 3 1 0 以及2 3 3 3 、 5 8 1 0 、5 9 4 4 、6 7 9 5 k e v ，图3 5 3 2 6 给出了它们的开窗谱图。 4 5 5 3o 洲n t s 轴s 4 1 1 翩s ； 趾山上 。一。1 1 l ； 止盈。工lu 山轧。娴 k 山山埘从山l 图3 85 5 9 9 k e v 开窗谱 从以上四幅图可以看出，5 9 6 4 、5 3 5 4 、6 1 9 8 、5 5 9 9 k e v 这四个y 跃迁之间存在 很强的级联关系，且从它们开窗都能看到4 5 5 5 、1 4 0 7 、8 4 1 ，6 、4 0 1 9 、6 3 5 4 、2 1 3 5 、 6 4 8 9 、1 2 2 6 6 、3 5 3 9 、2 3 3 3 、5 8 1 o 这些y 跃迁，进一步计算5 9 6 4 、5 3 5 4 、6 1 9 8 、 5 5 9 9 k e v 的y 跃迁相对强度，发现它们非常强，我们按照其强弱顺序，并考虑它们之间 级联强弱关系，将它们顺序放到最低位能级位置。 蒋将5 9 6 4 、5 3 5 4 、6 1 9 8 k e v 的开窗谱与5 5 9 9 k e v 的开窗谱比较，发现5 9 6 ，4 、 5 3 5 4 、6 1 9 8 k e v 的开窗谱中有1 7 8 3 和3 8 1 6 ，而5 5 9 9 k e v 的开窗谱没有，图3 9 ， 3 1 0 给出1 7 8 3 和3 8 1 6 k e v 的开窗谱，发现它们开窗没有5 j 9 9 ，却有其他跃迁，说 明，1 7 8 3 和3 8 1 6 k e v 之间有级联关系并且跟除了5 5 9 9 以外的其他跃迁有级联关系。 1 7 8 3 加上3 8 1 6 正好是5 5 9 9 k e v ，因此考虑将1 7 8 3 和3 8 1 6 k e v 这两条级联y 跃辽 放到与5 5 9 9 k e v 跃迁并列位置。这也得到后面计算出的相对强度和通过求d c 0 比值确 定跃迁多极性，以及系统学比较等的佐证。 5 5 9 64 1 ；4b 1 4 8 4 1 l ”卜”r胪 训，龇岫划1 _ i龇l 山i 吐山血山滥山厶i 山划鲤； 嘲l 目吲l 弼| i l | j | | i 霎夔雾慧 _ w 以下是8 4 1 6 、4 0 1 9 、6 3 5 4 、2 1 3 5 、6 4 8 9 、1 2 2 6 6 、3 5 3 9 、6 3 1 9 、4 4 3 4 、2 3 1 k e v 的开窗谱图，可以看出它们之间存在级联关系，并且与5 5 9 9 、6 1 9 8 、5 3 5 4 、5 9 6 4 、 1 7 8 3 、3 8 1 6 都存在级联关系，所以把它们放到1 4 0 7 上面，作为新的一串级联y 跃迁。 5 踮6 i 9 6 1 9 ； 础 ； j 。 1 1 r 5 。： 。刖jl li 虬。山。上。“。山。儿血山- 。j 图3 1 38 4 1 6 k e v 开窗谱 。f i 6 6 2 甲 3 s 39 。蛾￥|l王二。【。：了i。?； ：，鼍一 1 4 1 y 阑1【3bi0 山 枷n 江。j 此i ij | i l j 划 图3 1 44 0 1 g k e v 开窗谱 图3 1 56 3 5 4 k e v 开窗谱 2 4 2 1 4 2 8 1 7 。 3 9 4 ；!。 ! + 笔 7 i a 1 rl i3 0 |iil删舭4柚li|山i也幽呲龇_ | |“l i “龇l | i i 越“m 龇i 上j l i | i | 【； 艄獬l隔啊1册啊l渊1鞭聊删舯孵硼i 嬲唧哪唧隅珂驰耵l 犟附- 图3 2 22 3 1 o k e v 开窗谱 在上面图3 2 0 ，6 3 1 9 k e v 开窗谱中大部分强峰属于”3 h o ，但是6 3 1 9 k e v 确实与属 于“5 t m 的y 跃迁存在级联关系，因此“5 t m 纲图中有这条跃迁。 图3 2 3 3 2 6 给出2 3 3 3 、5 8 1 o 、5 9 4 4 、6 7 9 5 k e v 的y 跃迁的开窗谱图，可以 分析出它们与4 0 1 9 以下的y 跃迁有级联关系，而与6 4 8 9 k e v 及剩下的y 跃迁无级联关 系，因此它们4 0 1 9 处向上另成一串。 a 嘉 9 蹦16 盯951 s 0 龇础批l妇矗m_l 。0 j | l | | j l 。l 土划越址溘矧童扎。柚h 山止。“。l 止； 愿ll 辨l i 1 i | | 雕，阱l _ i肇聊孵l 邛臻柙l | 嘲弹”l 谤p 狮1 | ? 1 耵研 聊即珥盯_ 卵至笳n 图3 2 32 3 3 3 k e v 开窗谱 本实验所建立的”t m 核高自旋态能级纲图如图3 2 7 所示，最高角动量为6 7 2 + 壳 最高激发能为8 5 m e v 。 6 m “4 隧里 璺 i 4 4 3 4 6 1 ，! ：生型 i 啤山z 2 3 3 3 i 4 5 。 o r 8 d w ar 图3 2 7本实验建立的“5 t m 核高自旋态能级纲图 以下为低自旋能级纲图的建立和有关谱图。以图3 3 中的能量为2 3 6 2 k e v 的v 跃 迁在总谱上开窗，发现了属于“5 t m 的一串级联跃迁，包括能量为2 3 6 2 、2 7 2 2 、3 8 8 9 、 1 3 9 l 、6 4 2 5 、3 7 6 3 k e v 的丫跃迁的级联跃迁，参考开窗谱图3 2 8 3 3 3 。 雅 筘 啦 5 5 5 4 4 一 mt玛彳a：干引1 蚪j 叶锄 蓊急 量盟疑 f 。； ，。! 山出乩上k 扎上m h 止。 图3 2 82 3 6 2 k e v 开窗谱 2 3 62 c o l n ts 山由越吐“二：蕾。，“k。二二。上山上“。眦山“l。i一、”； 图3 2 92 7 2 2 k e v 开窗谱 2 7 b2 出讪“；uf。jl。，。，。i。：ij。l一。；。山。吐。，。，。，。，。，。 图3 3 01 3 9 l k e v 开窗谱 _ - 2 7 1 。i ： “l ；山 山 。瓜舭l “舢山舢舢。岫山蛩一唧冀 鬓妻拍萎 i 蕤霆；塞霞 霉；囊耋誊薹囊鋈”。”到! 。2 薹麟5 5 2 一 隅r 女g l i ；l 筠黔鲤 ! ；蹬 l i i ，? 未；i 譬! ； 拍 i | 萋羹l蠢纛| | | ；l 冀雾鋈雾薹i 雾i 冀篓纛霄强黧酗鬟掣誊。冀鬻鍪塑蠹雾 羹塾i器囊裂丝；耋；i 塑l 擎墼雾溪；羹i 薹2 器羹耋宇称为l l 2 一。下面我们将”1 h 的激发能级与其 邻近同中 子奇a 核进行比较，如表4 1 和图4 1 2 所示。表4 1 中数据参考了图4 1 4 5 的能级纲图以及n n d c p l j 网站中的数据。表4 1 “5 t m 与其同中子奇a 核的激发 能级比较 149eu取ev)1 5 1 1 r b ( k e v ) 1 5 3 h o 俅e ”t m ( ke 1 5 ( 1 (kevev) 0o000 1 1 o 1 5 ，2 4 9 8 2 鸵6 l 3 协3 ，9 耐e1 3 7 l 6 0 图3 3 61 9 0 3 k e v 开窗谱 1 5 t o l 6 ，驴te8 4 2 2 0 8 1 蜘7 + 1 2 5 4 l 4 | | | i l h h l l i l 。龇。山山也出山 山。“i 一血山。山。埘。“蛐h 血一。j 二 一一溘l j“ 。哪r 网| f | | |曛黼| | | | f m 研- h 唧l l l目 l | 1 1 耳孵i ”f 秆翟嘲甲_ 耶”4 鄹 唧研”1 研1 图3 3 78 0 0 4 k e v 开窗谱 斌眦l 。j l “盐血i 址| i | 山擅虬。上吐柚。缸“虹。直。曲。山。幽厶。二 图3 3 81 4 9 8 7 k e v 开窗谱 第四章、讨论 在第三章中，依据对总投影谱作符合开窗分析，计算y 跃迁相对强度，计算方向 角关联一d c o 比值，进而判断跃迁多极性等，我们建立了新的能级纲图，如图3 2 4 所示。 下面，我们利用系统学比较的方法来讨论其能级结构。 4 1系统学比较 我们将“t 明核与其邻近同中子奇a 核和奇a 同位素进行比较。”5 胁核，n = 8 6 ，z = 6 9 。 对于邻近的n ：8 6 的奇a 核，我们将”9 e u ，”1 t b ，”3 h 。，“7 l u ，”t a 与“5 t m 进行能级结构的 比较。 1 9 7 7 年，g f l e i s s n e r 。“等利用束流能量2 6 3 4m e v 的“3 n d ( 7 l i ，n ) ，“5 n d ( 7 l ， 3 n ) 反应，“6 n d ( 6 l i ，3 n ) ，“8 n d ( 5 l i ，5 n ) 以及束流能量6 0 ，6 3m e v 的”9 l a ( ”c ，2 n ) 反应，测量了“9 e u 核高自旋态，建立了能级纲图；1 9 9 4 年，j r j o n g m a n “”等利用束 流能量5 8m e v 的”l a ( ”c ，3 n ) 反应，研究了“9 e u 核高自旋态，建立的能级纲图如图4 1 所示，晟高能级能量7 1m e v ，最高角动量5 5 2 壳。 1 9 8 8 年，d c u r i e n “”利用”4 s n ( 3 1 p ，4 n ) 反应研究了”1 t b 核的高自旋态能级结构，并 给出了能级纲图；1 9 9 4 年，c m p e t r a c h e ”等人利用束流能量为1 5 4m e v 的”o t e ( ”a l ， 6 n ) 反应，研究了”1 t b 高自旋态，将自旋推高至9 】2 一意，激发能1 6 5m e v ，建立的“1 t b 能级纲图如图4 2 。 1 9 8 3 年，d c r a d f o r d 1 等人利用束流能量8 0 一1 0 0m e v 的p r ( “o ，4 n ) 反应，以及束 流能量1 4 5 1 6 5m e v 的”2 s n ( ”c 1 ，4 n ) 反应，研究了“