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2007年上海交通大学原子核结构物理暑期学校

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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

2、、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。,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、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）

3、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.

4、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。,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 134C

5、e 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，(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,

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