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本实验采用82Se(18O, p5n)94Nb反应来布居94Nb的高自旋态。实验在中国原子能科学研究院核物理国家实验室HI-13串列加速器的新一代伽马探测阵列上完成。实验使用的探测器阵列由24套带BGO反康的高纯锗探测器和5个Clover探测器组成(合计29台),其中6 台探测器放置在与束流夹角为150°的方向,7台探测器放置在60°方向,90°和120°方向各放置8台,如图1所示。实验使用的18O束流能量为82和88 MeV,靶核是82Se,靶厚度为0.85 mg/cm2,使用厚度为4.45 mg/cm2的Au作为衬底。有效束流时间为108 h,共探测到1.2×1010个双重γ-γ符合事件。
经过能量刻度后,将实验数据离线反演为γ-γ二维对称矩阵,采用Linux下的GSPware软件对矩阵进行离线分析,根据与已知γ射线的符合关系结合强度判断,得到了如图2所示的94Nb能级纲图。Marginean等[8]的文章中观察到的射线在此次实验中均有观察到,图中标*的射线是在此次实验中新发现的射线,标#的射线根据强度关系改变了其摆放位置。
原子核自旋取向一定时,其发射γ射线的概率与原子核自旋方向和发射 γ 射线方向的夹角有关。实验上可以通过测量DCO(Direction Correlation Method)比值来提取有关跃迁γ射线多极性的信息,具体操作是将与束流方向成150°探测器探测的γ射线能量放在X轴上,与束流方向成90°方向探测器探测的γ射线能量放在Y轴上,生成一个非对称矩阵,然后通过开窗结果提取各 γ 射线的DCO比值,根据比值对γ射线的多极性做出判断。
DCO比值的定义为
$$ {R}_{\mathrm{D}\mathrm{C}\mathrm{O}} = \frac{{I}_{\gamma_{1}}\left(\theta \right)/{\varepsilon }_{\gamma_{1}}\left(\theta \right){\varepsilon }_{\gamma_{2}}(90^\circ)}{{I}_{\gamma_{1}}(90^\circ )/{\varepsilon }_{\gamma_{1}}(90^\circ){\varepsilon }_{\gamma_{2}}\left(\theta \right)} \text{,} $$ 其中:$ {\gamma }_{2} $是开窗所用的已知跃迁极性的射线;$ {\gamma }_{1} $是用$ {\gamma }_{2} $开窗得到的未知跃迁极性的目标射线;$ {I}_{\gamma 1}\left(\theta \right) $为在二维矩阵的Y轴上用$ {\gamma }_{2} $开窗得到的$ {\gamma }_{1} $计数;${I}_{\gamma_{1}}(90^\circ)$为在X轴上用$ {\gamma }_{2} $开窗得到的$ {\gamma }_{1} $计数;${\varepsilon }_{\gamma }\left(\theta \right)$为150°方向上的探测器对γ射线的探测效率;${\mathrm{\varepsilon }}_{\gamma }(90^\circ)$为90°角的探测器对γ射线的探测效率。利用本实验4n反应道94Mo中已知的E2 γ射线(703 keV)开窗发现,当观察到的γ跃迁是纯E2跃迁(850 keV)时,得到的DCO比值约为1,当观察到的γ跃迁是纯E1跃迁(1 038 keV)时,得到的DCO比值约为0.5,这一结果在图3中用实心圆点表示。
图3给出了对属于94Nb的γ跃迁(912 keV)进行开窗后得到的DCO结果,文献[1]中认为该跃迁是一个∆I=2的跃迁,此次实验得到的DCO比值证实了912 keV是一个∆I=2的跃迁。图上可以看出,DCO比值明显分为两组,DCO比值位于0.5附近的跃迁∆I=1,位于1.0附近的跃迁∆I=2,DCO值中可能会带入其他原子核的污染,导致结果偏离0.5和1.0,这种情况需要计算多个与其有级联关系的γ射线的DCO比值,才能确定其跃迁极性。
线极化测量可以确定γ射线的电磁跃迁特性,其原理是线性极化的γ射线方向分布取决于辐射的类型(磁跃迁/电跃迁),线极化度的表达式为$P\left(\theta \right) = \frac{A\left(\theta \right)}{Q(\phi ,{E}_{\gamma })}$,其中$ A\left(\theta \right) = \frac{a\left({E}_{\gamma }\right){N}_{\perp }-{N}_{\parallel }}{a\left({E}_{\gamma }\right){N}_{\perp }+{N}_{\parallel }} $,A(θ)为非对称度,Q为极化灵敏度,与入射γ射线的能量以及实验装置的几何布居有关;$ {N}_{\parallel } $和$ {N}_{\perp } $分别是与反应平面平行和垂直的康普顿散射事件的计数,a是Clover探测器对平行和垂直散射的γ射线探测效率的比值, $ {E}_{\gamma } $是γ射线的能量,θ是取向轴与发射的γ射线之间的夹角,$ \phi $为散射角。Clover探测器有四块晶体,如图4所示,实验时把Clover探测器放在与束流垂直的方向上,γ射线入射到任一个晶体上时,将与之相邻的两个晶体在加和时间窗(80 ns)内探测到的散射光子认为是垂直和平行的康普顿事件[10, 11]。
实际上Clover探测器四块晶体的探测效率有一定差别,因此需要修正探测器在两个散射方向上的探测效率,使用本身无极化效应的放射源133Ba和152Eu,将所有Clover探测器水平和垂直方向谱叠加后提取峰面积,根据公式$ a = \frac{{N}_{\parallel }}{{N}_{\perp }} $,得到参数a,用直线拟合a随能量E的变化,拟合曲线如图5所示。可以看到,a在300~1 400 keV范围内分布在1.0左右,且随着能量的升高呈现降低趋势。
拟合公式为:$ a = 0.99517-2.66262{\times 10}^{-5}\times E $。
为筛选更干净的能谱,在进行线极化数据的离线处理时建立两个非对称矩阵,将Clover探测器平行和垂直方向的康普顿符合事件能谱分别放在两个矩阵的X轴,将高纯锗探测器探测到的能谱放在Y轴,当高纯锗探测器和Clover探测器的两路在符合时间窗内同时探测到入射事件时,才认为它是一个符合事件,使用的符合时间窗是80 ns。由于单一能量的开窗谱计数较少,将数个与目标能量有级联关系且污染较少的开窗谱进行叠加。
图6给出了对199, 1 025, 1 075, 1470, 483, 681 keV γ跃迁进行开窗后叠加的部分结果,图中可以看到912 keV的水平方向计数明显小于垂直方向计数,结合之前的DCO测量可判断912 keV是一个电四极跃迁。以此类推可得到其他γ跃迁的电磁特性。
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摘要: 通过重离子熔合蒸发反应82Se(18O, p5n)94Nb布居了94Nb的高自旋态,实验中使用的18O束流由中国原子能科学研究院的HI-13串列加速器提供,束流能量为82和88 MeV。在前人工作的基础上发现了13条新的γ跃迁并调整了部分能级的摆放位置,将94Nb的自旋推至24(−),激发能至10.6 MeV,结合DCO比值和线极化测量对部分能级的自旋、宇称进行了指定。在质子π(1f5/2, 2p3/2, 2p1/2, 1g9/2)和中子(2p1/2, 1g9/2, 2d5/2, 1g7/2)空间下将94Nb的能级结构与壳模型计算结果进行了比较,并探讨了94Nb的中子质子激发机制。Abstract: High spin states of 94Nb have been studied with the 82Se(18O, p5n)94Nb fusion evaporation reaction at beam energy of 82 and 88 MeV. The experiment was performed at the HI-13 tandem accelerator of the China Institute of Atomic Energy. The previously reported level schemes of 94Nb have been extended and modified up to an excitation energy of 10.6 MeV and a spin and parity of 24(−) with 13 new γ-transitions. Based on DCO ratios and linear polarization measurements, spin-parity have been assiged up to the highest level observed. The level structures in 94Nb have been interpreted in terms of the shell model calculations performed in the configuration space π(1f5/2, 2p3/2, 2p1/2, 1g9/2 ) for the protons and ν(2p1/2, 1g9/2, 1g7/2, 2d5/2 ) for the neutrons, and the neutron proton excitation mechanism of 94Nb was discussed.
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Key words:
- high spin state /
- in-beam γ-ray spectroscopy /
- nuclear shell model
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[1] CUI X Z, ZHU L H, WU X G, et al. Phys Rev C, 2005, 72: 044322. doi: 10.1103/PhysRevC.72.044322 [2] LUO P W, WU X G, SUN H B, et al. Phys Rev C, 2014, 89: 034318. doi: 10.1103/PhysRevC.89.034318 [3] WU Y H, LU J B, LUO P W, et al. Chin Phys Lett, 2014, 34: 042102. doi: 10.1088/0256-307X/31/4/042102 [4] WU Y H, LU J B, REN Z, et al. Phys Rev C, 2022, 105: 034344. doi: 10.1103/PhysRevC.105.034344 [5] REN Z, LU J B, DONG G X, et al. Phys Rev C, 2023, 108(4): 044301. doi: 10.1103/PhysRevC.108.044301 [6] ZHENG Y, WU Y H, WU X G, et al. Phys Rev C, 2019, 100: 014325. doi: 10.1103/PhysRevC.100.014325 [7] WAKABAYASHI Y, FUKUCHI T, GONO Y, et al. Journal of the Physical Society of Japan, 2007, 76(11): 114202. doi: 10.1143/JPSJ.76.114202 [8] MĂRGINEAN N, BUCURESCU D, CĂTA-DANIL G, et al. Phys Rev C, 2000, 62: 034309. doi: 10.1103/PhysRevC.62.034309 [9] BUCURESCU D, RUSU C, Ma N, et al. Phys Rev C, 2007, 76(6): 064301. [10] STAROSTA K, MOREK T, DROSTE C, et al. Nucl Instr and Meth A, 1999, 423: 16. doi: 10.1016/S0168-9002(98)01220-0 [11] 方永得, 张玉虎, 周小红, 等. 高能物理与核物理, 2007, 31(10): 938. FANG Y D, ZHANG Y H, ZHOU X H, et al. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2007, 31(10): 938. (in Chinese) [12] 崔兴柱, 竺礼华, 吴晓光, 等. 高能物理与核物理, 2004, 28: 27. CUI X Z, ZHU L H, WU X G, et al. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2004, 28: 27. (in Chinese) [13] BROWN B A, RAE W D M, MCDONALD E, et al. MSU-NSCL Report, 2007, 524: 1. [14] ZHANG C, WANG S, GU J. Phys Rev C, 1999, 60(5): 054316. doi: 10.1103/PhysRevC.60.054316