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1、2007年上海交通大学原子核结构物理暑期学校 高自旋态实验部分讲稿 朱胜江， 清华大学物理系， 2007，7,讲述内容： 1.原子核高自旋态研究概述。 2.射线与物质的相互作用。 3. 辐射探测器原理。 4. 用裂变瞬发谱法研究原子核高自旋态简介。,1. 原子核高自旋态研究概述,1.1. 高自旋态研究物理内容概述,核物理研究： 高角动量 (高自旋）、 高能量、 远理稳定线 （高同位旋） 三个自由度发展。,高能量建造大加速器，重离子碰撞机； 高同位旋放射性核束实验装置； 高自旋重离子加速器与大规模探测装置。 高自旋态的研究开展得较早。进入上世纪六七十年代，由于许多大型重离子加速器的相继建成，加上
2、探测器、电子学、计算机等领域的技术发展，特别是反康Ge探测器的发展，人们对核结构的研究有了突破性进展。,高自旋态：自旋大于10的核态。实验中能够定出能级的角动量的上限在60或更高一些，而能够进行统计研究的自旋态可高达80。处在高自旋态下的原子核，由于其转动速度很高，使得原子核的形状、核子耦合的图像等结构特性有很大的变化，更深刻揭示了原子核集体运动和独立粒子运动之间的关联和转化，因而蕴涵了关于核结构、核力特性的大量有价值的信息。 最早的高自旋态研究开始于1963年，Morinaga等人利用（,xn）反应得到了自旋达12的高自旋态。1972年，Johnson等人发现原子核转动惯量的集体回弯现象。,
3、目前原子核高自旋态的研究主要集中在以下几个方面 一、集体回弯现象： 一部分原子核的激发态能量E(I)随自旋态I加偏离了I(I+1)的规律。这样第一类转动惯量J(1)随转动角频率平方2的变化曲线将先呈一条直线，后急剧上升，并呈现“S”形的曲线，这就是集体回弯现象。,二超形变、巨超形变三轴超形变 超形变核指长短轴之比高达2:1的比较稳定的原子核，其形变参数达20.6。角动量可以高达60，并以1020 Hz的角频率旋转。自从1986年P. J. Twin等人在152Dy中观察到超形变带以来，原子核超形变带的研究一直是核结构研究领域的热点之一。,三. 磁转动带和手征二重带 四. 八极形变 当一对N=1
4、、l=3和j=3的单粒子轨道靠得很近时，就会产生很强的八极相互作用。处于八极形变下的原子核具有空间反演不对称性。理论上预言在Z或N为56、88、134时，会发生八极形变。目前在重钡区（Z56，N88）和轻锕区（Z88，N134）都已观测到原子核的八级形变。,五. 原子核形状共存 不同形状的核形变, 比如，长椭形状、球形形状、扁椭形状共存于同一个原子核的高自旋态中，这种现象称为形状共存。形状共存一般和单粒子高j轨道的闯入有关。 六旋称劈裂和反转，同核异能态，带终结等等 .,1.2. 实验方法与在束谱学简介,一、高自旋态的布居 一般的稳定核素以及从衰变所得核态的自旋都比较低，高自旋态的研究要求核的
5、自旋态尽可能高，所以要用特殊手段布居高自旋态，这是实验的关键问题之一。布居原子核高自旋态的方法主要有以下几种 ：,重离子熔合-蒸发反应 用加速到一定能量的重离子束流轰击靶核的重离子反应HI, (xn,xp)方法布居原子核高自旋态。通过熔合-蒸发反应可以得到非常高的自旋态，这是目前研究缺中子核高自旋态的主要方法。,理论计算角动量I随质量数A的变化， L1:裂变位垒等于零, L2：超形变区边界曲线; L3：裂变位垒等于8MeV的曲线.,2. 库仑激发 入射粒子的能量在库仑位垒以下，通过电磁相互作用，产生非弹性散射，使靶核处于高自旋态，叫做库仑激发。此法只能布居稳定线附近的核，需要稳定的靶。,2.
6、库仑激发 入射粒子的能量在库仑位垒以下，通过电磁相互作用，产生非弹性散射，使靶核处于高自旋态，叫做库仑激发。此法只能布居稳定线附近的核，需要稳定的靶。,3.重核裂变 通过对重核如自发裂变或诱发裂变产生的瞬发谱的研究，可以得到众多的丰中子核区核的高自旋态信息，该方法可以弥补重离子熔合-蒸发反应及库仑激发布居原子核高自旋态区域的局限性。,二、用重离子熔合蒸发反应布居原子核的高自 旋态 核反应： a + A C* B + b a为入射粒子，A为靶核， C*为复合核，复合核形成时，具有高的激发能与角动量，然后发射粒子b, 形成余核B即我们所研究的目标核。 a + A称为入射道，B + b称为出射道。,
7、比如，134Ce： 16O + 122Sn 134Ce 4n 简写为122Sn(16O, 4n)134Ce反应。 靶与束流必须是稳定同位素。 入射束流能量应满足以下关系： Eth称为核反应的域值，Q为核反应的Q值，即核反应放出的能量：,实验考虑：确定入射能量下，最大的反应截面。对一个目标核，可有多种反映选择，如134Ce核： 16O +122Sn 134Ce 4n 18O + 120Sn 134Ce 6n 12C + 126Te 134Ce 4n 19F + 120Sn 134Ce 1p 4n . 我们小结以上的步骤为： (1）确定研究的目标核； (2) 确定束靶组合； (3) 计算核反应截面
8、，(激发函数)，有现成的计算程序。,三重离子加速器与在束谱实验技术 1.重离子加速器 高自旋态研究要用重离子加速器加速入射粒子a, 一般使其电离，在电场中加速，以获得足够高的能量，比如，北京原子能院串列加速器与兰州近物所回旋加速器，是国内研究高自旋态的两个基地，一般可使重离子加速到几十致上百MeV的能量，以满足实验需要。,多探头探测装置 由多个反康Ge探测器组成，主要是测量符合。 国内： 联合在束谱测量装置：14个左右反康高纯Ge探测器； 国外：Gammaspere, 110个探测器； 现在还在发展，如Clover，GRATA等。,2.多探头探测装置 由多个反康Ge探测器组成，主要是测量符合。 国内： 联合在束谱测量装置：14个左右反康高纯Ge探测器； 国外：Gammaspere, 110个探测器； 现在还在发展，如Clover，GRATA等。,3.在束谱实验： 原子核高自旋态产生后，很快退激发，产生大量的射线，实验主要测量这些射线，叫“在束谱实验”。 获取数据时，纪录一个核反应产生的高自旋态退激产生的所有信息，包括能量、位置、时间等信息，称为一个事件（even），逐个记录事件even by even, 记录在计算机里，称为“在线获取”过程，实验完成后，再回去进行数据分析，称为“离线分析”。,熔合蒸发反应,
