TADTR
ÉRTEEZÉS Aza

agk héjzekezeéekv

Az atommagok

héjszerkezetének változása

a neutron-instabilitási vonal

közelében

In-beam magspektroszkópiai vizsgálatok

közepes energiájú radioaktív nyalábokban

Dombrádi Zsolt

ATOMKI

Debreen

1. Történeti áttekintés 2

2. A héjzáródások megsz¶nésének problematikája 10

2.1. Amágikusszámokhelyzeteastabilitásisávtóltávoliatomma-

gokban . . . 10

2.1.1. Mágikus atommagok, új mágikus számok . . . 10

2.1.2. Amágikusszámokstabilitásaaneutrongazdagmagok- ban . . . 11

2.1.3. Aproblémaújragondolásaaradioaktív-nyalábosspekt- roszkópia tükrében . . . 16

3. Kísérleti berendezések és módszerek 20 3.1. Radioaktív nyalábok el®állítása . . . 20

3.2. Nyalábdiagnosztika,reakiótermékek azonosítása. . . 27

3.3.

γ

-spektroszkópia . . . 32

3.4. Küzdelem a kis hozamokellen . . . 35

4. Héjzáródások er®sségének vizsgálata az N/Z=2 vonal köze- lében 40 4.1. Az N=20 héjzáródás gyengülése . . . 40

4.1.1. A neutrongazdag Ne izotópok vizsgálata fragmentái- óban . . . 41

4.1.2. Intruderállapotokaneutrongazdaguoratommagokban 46 4.1.3. AzN=20 héjzáródás gyengülésének hatása N=17-nél . 50 4.2. Az N=14,16 alhéjzáródás er®ssége . . . 54

4.2.1. A neutrongazdag oxigénizotópokszerkezete . . . 56

4.2.2. AzN=16alhéjzáródáser®ssége ésazN=20 héjzáródás megsz¶néseZ=8 esetén . . . 62

4.2.3. AzN=14 alhéjzáródás megsz¶nése a

20

C-ben . . . 68

4.3. Az N=28 héjzáródás stabilitásának a kérdése . . . 71

4.3.1. Intruder állapotokkeresése az N=27,28 Ar ésS atom- magokban . . . 72

4.3.2. Gerjesztett állapotokenergiája a

42

Siközelében . . . . 82

4.3.3. Egyrészeske energiák változása azN=28 vonal mentén 85

4.4. N=40, avirtuális héjzáródás . . . 89

4.4.1. A

68

Ni 2

+

1

állapotának élettartama . . . 90 4.4.2. A

68

Ni szerkezete kvázirészeskés héjmodellben . . . 91

4.5. A keletkez® éselt¶n® héjzáródások elméletiértelmezése . . . . 93

5. Összefoglalás 99

Függelék 107

Az értekezés témakörében megjelent publikáiók . . . 107

Sajátrész. . . 113

Köszönetnyilvánítás. . . 115

Irodalomjegyzék 117

A magzika történetét 1911-t®l számoljuk, amikor is Rutherford

α

^-szórási

kísérleteivel kimutatta, hogy az atom nem tömör, hanem a közepében egy

pii, (

∼ 10 ^{− 14}

m átmér®j¶) részben van az atom tömegének jelent®s része, amit az atom magjának nevezett el. 1916-ban

14

N(

α

^{,p) reakióban sikerült}

kimutatni, hogy a magban pozitív töltés¶ részeskék, protonok vannak, és

1932-ben ködkamrás kísérletben Chadwik kimutatta azt is, hogy az atom-

mag másikfontos összetev®je a semlegesneutron. Innen számolhatjuk a kis

energiásazatommagszerkezetétprotonésneutronszabadságifokokkalér-

telmez®magszerkezet kutatást. Nemsokkal azatommagfelfedezéseután

sikerültkimutatni,hogyegyadotttöltés¶maghozkülönböz®tömegektartoz-

hatnak,azazkülönböz®izotópokléteznek. 1932-reaziskiderült,hogyennek

az az oka, hogy az atommagok különböz® számú protonból és neutronból

állhatnak. Ez a felfedezés egyben utat mutatott az addigi kísérleti eredmé-

nyekrendezésielvére. Aproton-illetveneutronszámfüggvényében ábrázolva

az adatokat hamar kiderült, hogy bizonyos proton- illetve neutronszámok

közelében bizonyos mennyiségek hirtelen változást mutatnak. El®ször a tö-

megmérésekb®lmeghatározott kötési energiák,illetveaz azokkülönbségéb®l

kapottszeparáiósenergiákmutattak ugrásszer¶változástbizonyos mágikus

számoknál, amit a kibontakozóban lev® atomi kvantummehanikai analógia

alapjánnemesgáz-szerkezet¶nek tekintettek. Mára'30-as évek végén ismer-

tekvoltaka 2,8, 20,28,50,82,126mágikus számok,amelyekanemesgázok

zártelektronhéjaihozhasonlóanzárt proton-illetveneutronhéjaknakfeleltek

meg. A'30-asévekvégéremegszülettekazatommagokszerkezetétértelmez®

legegyszer¶bb modellek: a folyadéksepp- és a fermi-gázmodell, amelyek az

atommagok alapvet® tulajdonságaira adtak egyszer¶ magyarázatot. A ezen

id®szak tehnikai vívmányavolta gyorsítóberendezések kifejlesztése is, ami

lehet®vé tette az atommagok gerjesztett állapotainak vizsgálatát, illetve új

izotópok szintetizálását. A közelg® háború azonban beárnyékoltaa magzi-

kai kutatásokat, és azok sak a '40-es évek végére váltak újra nyilvánossá.

1948-ban megszületett az atommagokhéjmodellje, amivel sikeresen lehetett

értelmezni a mágikus számokat, mint héjzáródási eektusokat, valamint a

mágikushoz közeliproton- ésneutronszámú atommagokalap- ésgerjesztett-

állapotisajátságait. Nemsokkalkés®bb megszületetta folyadékseppmodell

továbbfejlesztéseként az atommagok kollektív modellje is, amely egy folya-

dékseppben végbemen® rezgések és forgások szuperpozíiójaként értelmezi

a mágikustóltávoli proton-és neutronszámú atommagok gerjesztésienergia-

spektrumát.

Az atommagok kisenergiás mozgásformáinak értelmezésére tett ezen ja-

vaslatok meglehet®sen sz¶k kísérleti adathalmazra alapozva jöttek létre: a

kisenergiásmagzikaalapmodelljeiastabilitásivölgyközelébenelhelyezked®

atommagoknéhány gerjesztett állapotának ismeretében születtek. Jelenlegi

besléseinkszerint5-7000izotópfordulel®atermészetbenkötöttállapotban.

Ezek közül sak 285 stabil.

A magzikakezdetei óta vanérdekl®dés a stabilitásisávtól távolabb es®

atommagok el®állítása és szerkezetének vizsgálata iránt. Mindig újabb és

újabb tehnikát vetettek be, hogy még távolabb lehessen jutni a stabilitási

sávtól. A'30-as évekt®la könny¶ionreakiókatalkalmazták mesterségesizo-

tópokel®állítására,majdazurániumhasadványtermékeitazonosítvasikerült

újabb területeket feltárni. Az '50-es években az izotópszeparátorok elterje-

dése alapozta meg azúj izotópok felfedezését, éstulajdonságaikvizsgálatát.

Areakiótermékek

α

^{-bomlásátkövetvesikerültegyúj}izotópsaládotfeltárni a '60-as években. A '70-es években a spalláió és a nehézionok fúziója volt

a f® módszer új izotópok el®állítására, a '80-as évekre pedig a nehézionok

év < 1940

<

év 1979 < ^év < 1988 1969 < < 1978

év 1949 < < 1958

év 1959 < < 1968

év 1941 < < 1948

FELFEDEZÉS ÉVE

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 10

20 30 50 60

40 100 110

80 70 90

PROTONSZÁM

NEUTRONSZÁM

1.1. ábra. A ma ismert atommagok a magtérképen. A különböz® színek a

felfedezésük idejét mutatják.

sikerültel®állítani,melyeketegy-egy kisnégyzetjelölaprotonokésaneutro-

nokszámaalapjánmegrajzoltmagtérképena1.1.ábrán,amelyenafelfedezés

id®szaka(és azarra jellemz®el®állításitehnika)különböz® színekkelvanje-

lölve.

Egy új izotóp szintetizálásasak annyit jelent, hogy tudjuk, hogy kötött

állapotbanel®fordula természetben, de nem ismerjük mégsemmilyen tulaj-

donságát. Elég nagy mennyiségben kell el®állítani az izotópot ahhoz, hogy

meg lehessen határozni a felezési idejét, tömegét, alapállapoti impulzusmo-

mentumát, és már születésénél vizsgálni kell a keletkez® sugárzásokat, hogy

valamiinformáiónklegyenazújizotópgerjesztettállapotairól. A'60-asévek

közepét®l a félvezet® detektorok alkalmazásaforradalmasítottaa gerjesztett

állapotokvizsgálatát. Ajó feloldásúgermániumdetektoroksegítségévelmár

nem sak néhány gerjesztett állapotot, hanem a gerjesztet állapotok tuat-

jait, komplex detektor rendszerek alkalmazásával akár százait lehetett azo-

nosítani egy-egy vizsgálat során, így lehet®vé vált a magszerkezeti modellek

A héjmodellugyan a stabil atommagok tulajdonságaira alapozódott, de

a kés®bbi eredmények is könnyen beilleszthet®ek voltak. Megfelel® eektív-

kölsönhatásthasználva ahéjmodellszélesmagtartományokonnagypontos-

sággal képes leírni az atommagok alasonyenergiás állapotainak sajátossá-

gait. A héjmodell sikereinek elismerésért 1963-ban Maria Göppert Meyer és

HansJenssenNobel-díjatkapott. A'70-esévekközepére világossávált,hogy

azalapvet®magmodellekkonepionálisanhelyesek,ésazújeredményeksak

amodelleknomítását tettékszükségessé, de amagzikastandard modell-

jei kiállták az id® próbáját. Sokan úgy gondolták, hogy Bohr és Mottelson

1975-ben a kollektív modell kifejlesztésért kapott Nobel-díja a kisenergiás

magzika lezárását jelentette. A magszerkezetkutatás f® áramában a '80-as

években a kölsönható bozon-fermion kép alkalmas volt arra, hogy egyetlen

modellben összefogja az egyszer¶ modellekkel leírható kollektív mozgásfor-

mákat(vibráió,rotáió,háromtengely¶forgómozgás)azelképzelhet®átme-

netekkelegyütt, éstisztázzaazelvikapsolatotezen mozgásformákésamás

modellekkel(héjmodell,somómodell,kvázirészeskés kép) egyszer¶en kezel-

het® mozgásformákközött. A '80-as évek kísérleti eredményei, mint például

a nagyspin¶ szuperdeformáltság kimutatása gyelemre méltó felismeréseket

hoztak, ezek azonban nem változtatták meg a magról vallott felfogásunkat,

sak azeddigi képünket tették részletgazdagabbá.

Az els® jelek arra vonatkozóan, hogy az atommagról vallott felfogásunk

nem biztos, hogy tökéletes, a '80-as évek közepe táján kezdtek megjelenni.

Ezeket az adatokat a stabilitási sávtól távoli atommagok spektroszkópiája

szolgáltatta.

Ekkoraazújizotópokel®állításánakmeghatározómódszerévéanehézion-

ütközésekbenkeletkez®fragmentumokröptébenvalószeparálásavált. Hamar

kiderült,hogyez atehnikaegyújkutatási iránytismegalapozott. Megfele-

l®en nagyra növelve ugyanis afragmentumok számát,a szeparált radioaktív

ionokat mint nyalábot használva a stabilitási sávtól távoli atommagoknak

nem sak létét és bomlási tulajdonságait, hanem kölsönhatásait is vizs-

1.2.ábra. Aneutronglóriás

11

Liakkoraátmér®j¶neklátszikmagreakiókban,

minta

208

Pb.

keletkeznek legnagyobb számban, így természetes volt, hogy a legkönnyebb

atommagokkal kezd®dött el a radioaktív-nyalábos magzika. A He, Li, Be

magoknál sikerült leghamarabb elérni a nukleon instabilitási vonalakat és

elkezdeni vizsgálni a neutron-instabilitási vonal mentén elhelyezked® atom-

magok sajátságait ütközési folyamatokban.

Már a legegyszer¶bb mérés, a mag kölsönhatási sugarának mérése is

meglep® eredményt hozott: A

11

Li négyzetes középsugara mintegy 40%-kal

nagyobbnakmutatkozott,mintahogy aztaz

A ^1/3

^{skálázásszerintvárnilehe-}

tett [1℄. Ezzel a szabállyal együtt érvényét vesztette az a konepió is, hogy

az atommagok az állandó s¶r¶ség¶ maganyag kisebb-nagyobb söppjeinek

tekinthet®k. A nagyobb sugár azt jelzi, hogyaz eddig megszokottnál kisebb

s¶r¶ség¶ maganyag is el®fordul a természetben. Közel egy évtizedes inten-

zív kísérleti és elméleti kutatás után sikerült feltárni a meggyelés mögött

meghúzódóösszefüggéseket, és amagzika azalagúteektus után egy újabb

kvantummehanikai jelenseggel, a glória kialakulásának kimutatásával gaz-

dagítottaatudományt. Azújfelfedezésszerint,egyeléggyengénkötött,elég

kis impulzusmomentumú pályán mozgó részeske elég nagy valószín¶séggel

elég nagy távolságra lesz a kötését biztosító véges hatósugarú poteniáltól.

Atommagokban azt sikerült kimutatni,hogy a

11

Li-ban és a

11

Be-ban gyen-

génkötötts

1/2

^ésp

1/2

^{neutronokatöbbinukleontóligentávoltöltikazidejük}

nagy részét, így híg neutronanyag, neutronfényudvar, vagy glória lengi kö-

rül a magtörzset. A neutronglória szemléletes képe a 1.2. ábrán látható. A

11 208

gara! A glóriás atommagokegy érdekes tulajdonsága,hogy aglóriában lev®

neutronok nagyon gyengén satolódnak az atommag többi részéhez, és nem

sak ütközésben könny¶ ®ket leválasztani, hanem pl. dipól gerjesztéssel ön-

álló mozgásra lehet ®ket késztetni. A neutronglória kimutatásában kísérleti

oldalrólmagyarrészr®lKiss Ádám éssoportja,elméletioldalrólpedig Lovas

Rezs®, Varga Kálmán és Csótó Attila vett részt. Neutronglóriát azóta még

néhány további atommagbanis sikerült kimutatni. Attól függ®en, hogyhol

húzzuk meg a határt, egy-neutron-glóriás atommagnak lehet még tekinteni

pl.a

19

Césaz

23

Omagokat,két-neutron-glóriáslehetpl.a

14

Be,vagya

17,19

B,

éskét-proton-glóriájalehet a

17

Ne atommagnak.

A nyolvanas évek elejének másik gyelemre méltó felfedezése az volt,

hogy a félig zárt héjú neutrontöbbletes atommagok nem érzik a héjzáródás

hatását. El®ször a tömegmérések eredményéb®l következtettek arra, hogy

nins héjzáródás az

N = 20

mágikus számnál a

31

Na körüli magvakban.

Amikorsikerült meghatározni a

32

Mg atommag els® gerjesztett állapotának

azenergiáját is,amiaz

N = 20

héjzáródásnál nem n®tt, haneméppen sök- kent,akkorfelvet®döttannakalehet®sége,hogyigentávolastabilitásisávtól

megváltozikazegyrészeskeenergiáksorrendjeésérvényétvesztiahéjmodell

egyszer¶ Saxon-Woodspoteniálképe.

Hirtelen mindenbizonytalannáváltaneutron-instabilitásivonal mentén.

A már-már reex-szer¶en alkalmazott sémák és modellek alapjaiban kér-

d®jelez®dtek meg. A magzikában újból a '30-as évek hangulata érz®dött,

amit meger®sített a kísérleti körülmények hasonlóvá válása is. A radioaktív

nyalábok min®sége összemérhet® az els® gyorsítók által szolgáltatott nyalá-

bok min®ségével. Kis intenzitású, divergens, bizonytalan energiájú, er®sen

szennyezett radioaktív nyalábok állnak rendelkezésre. Ugyanakkor gyakran

elegend® egyetlen sús kimutatásaegy spektrumban egyúj konepió meg-

er®sítéséhez vagy elvetéséhez. Egy új tudományág született: a radioaktív

nyalábon végzett magzika. Nagy, romantikus lelkesedéssel vetette magát

belea kutatók jó része azúj kérdések vizsgálatába, nagyer®kkel indultmeg

Az eddig meglev®, radioaktív nyaláb el®állítására alkalmas laboratóri-

umokat elkezdték b®víteni, felújítani, illetve új generáiós berendezéseket

kezdteképíteni. Befejez®döttaMihiganStateUniversity-naNemzetiSzup-

ravezet®-Ciklotron-Laboratóriumrekonstrukiója, üzembeállt aGanilban a

Spiralradioaktívion-gyorsító. Régi,nagynev¶központokálltakátradioaktív-

nyalábos zikára, mint pl. a GSI Németországban, a Triumph Kanadá-

ban, vagy Oak Ridge az USA-ban. Rikenben ebben az évben átadták az

új radioaktívnyaláb-gyárat, folyik a felkészülés a GSI Fair berendezésének

megépítésére, és aGanilban aSpiral2 laboratóriumlétrehozására.

A '90-es évek közepére érték el a radioaktív nyalábot el®állító laborató-

riumok az in-beam

γ

-spektroszkópiához szükséges 10-100 pps intenzitást az

sd

^{héjúradioaktív magokból. Ez afejlesztés alapozta meg aradioaktív nya-}

lábokon folyó magzika második hullámát, a közepes energiájú radioaktív

nyalábokon végzett in-beam

γ

-spektroszkópiát. A héjzáródás vagy defor- máiókialakulásának két indikátora, apárospárosatommagokels® gerjesz-

tett állapotának az energiája és az elektromágneses átmenti valószín¶sége

γ

-spektroszkópiaimódszerekkeljóltanulmányozható. Éppenezértezeknek a kutatásoknaka f® élja ahéjzáródások kérdésének tisztázása volt.

Mind a héjzáródások stabilitásának, és a deformáió kialakulásának a

problematikája, mind a magszerkezet

γ

-spektroszkópiai módszerekkel való vizsgálataközelállhozzám. Diplomamunkáskoromótain-beam

γ

-spektrosz- kópiával foglalkozom. Kandidátusi munkámban a kollektivitás kialakulását

vizsgáltam a

Z

^{=50 vonal mentén, majd nagy}

γ

-spektroszkópiai berendezé- sek mellett (Nordball, Euroball) a proton instabilitási vonal mentén

található atommagok szerkezetét tanulmányoztam. Ilyen háttérrel könny¶

volt a magszerkezetkutatás akkori frontvonalát jelent® radioaktív-nyalábos

spektroszkópiába bekapsolódni. Az általunk rendezett ENS'97 konferen-

iánegyüttm¶ködéstkezdeményeztemazorsayimagspektroszkópiaisoport-

tal radioaktív nyalábokon végzett in-beam

γ

-spektroszkópiai vizsgálatokra, éssatlakoztamaFülöpZsolt általkezdeményezett japánegyüttm¶ködéshez

RikenbenésaGanilbanvégeztük. Azértekezésben az

A/Z

^{=3vonalközelébe}

es® könny¶ atommagok szerkezetére, az

N

^=14,16,

N

^=20,

N

^{=28 és}

N

⁼⁴⁰

(al)héjzáródások stabilitására, valamint a valenia neutronok polarizáló ké-

pességének elvesztésére, a törzsr®l való lesatolódására nyert eredményeket

ismertetem.

megsz¶nésének problematikája

2.1. A mágikus számok helyzete a stabilitási

sávtól távoli atommagokban

2.1.1. Mágikus atommagok, új mágikus számok

A mágikus számoknála tömegmérésekb®lmeghatározott kötési energiák, il-

letveazazokkülönbségéb®lkapottszeparáiósenergiákugrásszer¶ változást

mutatnak. A gerjesztési energiák szisztematikus vizsgálata kimutatta, hogy

amágikusproton-ésneutronszámú atommagokatalegnehezebb gerjeszteni.

A mágikus magok kvadrupólus momentuma kisi. A transzferreakiók azt

mutatják,hogyamágikusszámokalattazösszesegyrészeske állapotbevan

töltve,felette pedig mindenállapotjó közelítéssel üres.

A stabilitásisávtól távolodvaa '80-as évek elején az ismertmágikus szá-

mok(2,8,20,28,50,82,126)mellettúj (al)héjzáródási eektusokatis meg-

gyeltek. Ezekazextra héjzáródásieektusok sakakkorjelentkeztek,haaz

egyiknukleonfajtamármágikusszámúvolt: ígyaz

N, Z

^=8melletta

Z, N

⁼⁶

(

14

O,

14

C), az

N

^{=20 melletta}

Z

^=14,16(

³⁴

^Si,

³⁶

^{S), a}

Z

^{=28 mellett az}

N

⁼⁴⁰

(

68

Ni), az

N

^{=50 melletta}

Z

^{=40 (}

⁹⁰

^{Zr) ésaz}

N

^{=82 mellett a}

Z

^{=64 (}

¹⁴⁶

^Gd)

alhéjzáródásvezetkétszermágikusatommaghoz. A

Z

^=40és

N

^{=56párosnál}

(

96

Zr) jelentkez® alhéjzáródás felfedezése Molnár Gábornevéhez f¶z®dik [2℄.

A legújabb kutatások azt mutatják, hogy a proton-instabilitási vonal

menténelhelyezked® atommagokispontosankövetikahéjmodelljóslatait,és

a mágikusszámok odaesnek, ahováazt a tükörmagok mágikus jellegealap-

jánvárjuk. Ígypéldáula

48

Catükörmagjaa

48

Nikétszermágikus[3℄,miképp

a

36

Stükörmagjaa

36

Ca isaz[4℄. Az er®senprotongazdag

N

^=8atommagok

(

20

Mg,

22

Si) ismeg®rzik egyszer mágikus jellegüket[5℄.

2.1.2. A mágikus számok stabilitása a neutrongazdag

magokban

A '80-as évek elején kezdtek szaporodni a híradások arról, hogy az

N

⁼²⁰

héjzáródás nem a vártnak megfelel®en viselkedik az

A/Z ∼

^{3 atommagok-}

ban. El®ször a nehéz nátrium magok tömegmérése mutatatott eltérést a

várakozástól: a

31,32

Na er®sebben kötött volt, mint ahogy azt várni lehetett

a Na izotópok neutron-kötési-energiáinak szisztematikájából [6℄. Ezt az el-

térést deformáiókialakulásának feltételezésévellehetettértelmezni. A

32

Na

bomlásából sikerült meghatározni a

32

Mg

20

^{els® 2}

+

állapotának energiáját

[7℄, amia

30

Mg2

+

1

állapotánálalasonyabbnakbizonyultahelyett, hogyn®tt

volna, ahogy az az

N

⁼²⁰ héjzáródásnál várható lenne. A 2.1. ábrán lát- ható, hogy a kén és a szilíium magokhoz képest mekkora eltérést találunk

a magnézium és a neon izotópok viselkedésében. Az

N

^{=20 vonalon egy új}

deformálttartományjelentmeg,melynek létét amagnéziumizotópoktöme-

gének szisztematikus vizsgálata is alátámasztott [8℄. A kés®bbi vizsgálatok

meger®sítettékeztazeredményt: a

30

Neels®gerjesztett állapotánakazener-

giája[9℄még alasonyabbminta

32

Mg-é,jelezve,hogymilyenkiterjedt azúj

deformálttartomány.

Hamar kiderült az is, hogy a meggyelt jelenségeket nem lehet az

sd

héjmodelltéren a szokásos kölsönhatásokkal értelmezni [10℄. Az állapottér

b®vítése mellett azels® értelmezési javaslat a neutron egyrészeske energiák

átrendezésérevonatkozott[11,12,13℄,ésmegszületettazelt¶n®héjzáródások

konepiója.

Ha sökkennek af®héjak közötti energiakülönbségek, a mag mágikus jel-

lege természetesen el®bb-utóbb megsz¶nik és hajlamos lesz a deformáióra.

E( ) keV 2+

Neutronszám

2.1. ábra. A Z=10-18atommagok2

+

1

energiáinak viselkedésea neutronszám függvényében. A NeésMgatommagoknemérzikazN=20 héjzáródáshatá-

sát.

Ε _p−n Ε _2p−2h

Z

Ε _pár

∆ _héjköz

2.2. ábra. A héjzáródáson keresztül történ® gerjesztések energiája a proton-

számfüggvényében perturbáiószámítás els® közelítésében. A párkölsönha-

táser®sségének növekedéséb®l nyert energia egyenletesen, a protonneutron

kvadrupolkvadrupol kölsönhatás az aktív protonok számával arányosan

sökkenti azintruder állapotokenergiáját.

ban deformált állapotok létrehozására. Ha például egy neutronpárt a kö-

vetkez® f®héjra helyezünk, akkor 0-ról 4-re n® a valenia neutronok száma

(2-részeske-2-lyuk gerjesztés), és ha van elegend® valenia proton is, akkor

amagdeformálódikebbenazállapotbanazáltalánoselvárásnakmegfelel®en

[14℄. Ígyanormálszférikuskonguráiómellettegydeformáltintruderkon-

guráió is megjelenik valamilyen gerjesztési energiánál. Ennek az intruder

állapotsaládnakaviselkedése analógleszamágikus szám

±

⁴nukleonszámú magviselkedésével[15℄. Azintruderanalógállapotokenergiájátadeformáió

során nyert poteniálisenergia ésa f®héjzáródáson át történ®2-részeske-2-

lyuk gerjesztés energiájának a különbsége határozza meg, amit a 2.2. ábrán

mutatok be. Némi energianyereség származik a megnövekedett párkölsön-

hatási energiából (a spin-pálya kölsönhatás miatt a következ® f®héj els®

egyrészeskeállapotanagyobb spin¶mintazárthéjutolsóegyrészeske álla-

pota). Nagyobb mennyiség¶ energiát lehet nyerni a mag deformálásaútján,

amitaprotonneutronkvadrupolkvadrupolkölsönhatásokoz. Ezajárulék

azaktívvalenianukleonokszámávalarányos,ígya(proton)héj közepén ma-

ximális,ésakárolyannagyislehet, hogyadeformáltintruderanalógállapot

lesüllyed a szférikus alapállapotalá[16℄.

A fentebb vázolt mehanizmus nins semmilyen összefüggésben a pro-

ton/neutronaránnyal,és amagtérképen mindenegyszeresen zárt magtarto-

mánybanmeggyelhet®. Aspiránsommalpl.a

Z

^{=50vonal melletta}

^116,118

^Sb

atommagokban gyeltünk meg gerjesztett intruder-analóg állapotokat [17℄.

Akönny¶

182 − 186

Ptmagokbanazintruderállapotolyanmértékbenlesüllyedt,

hogy ott már ® az alapállapot [18℄, mint ahogy az

N

⁼²⁰ tartományban is lehet ez a helyzet. Az els® lelkesedés lesengése után hamarosan kiderült,

hogy a

31

Na körül észlelt jelenségek teljes mértékben értelmezhet®ek az int-

ruder analóg állapotok segítségével [19℄. A '90-es évekre teljes konszenzus

alakult ki abban, hogy a

Z

^=10-12,

N

^{=20,21 szigeten adeformált, neutron-}

2-részeske-2-lyuk állapotok a szférikus, zárt héjú állapotok alá süllyedtek

[20℄, és nins szükség az

N

^{=20 héjzáródás} megsz¶nésének a feltételezésére.

2.3. ábra. A neutron-egyrészeske energiák várható változása a stabilitási

sáv közelében meghatározott eektív kölsönhatást használó 2-f®héjas héj-

modellszámításszerint[20℄.

pol komponense ugyan valamelyest sökkenti az

N

^{=20 héjközt (a}

⁴⁰

^Ca-ban

észlelt7MeV-r®lkb.5MeV-re), ez asökkenés azonban nem szünteti meg a

héjzáródást, sak hozzájárulahhoz, hogyaz intruderállapotoka gömbszer¶

normálállapotokalásüllyedjenek.

Meg kell jegyezni, hogy az

N

^{=20 körüli} atommagokban még nem sike- rült kimutatni az alak-koegziszteniát, azaz még nem sikerült megtalálni a

deformált magokban a szférikus, illetve a szférikus magokban a deformált

állapotsaládokat. Ezazt jelenti, hogya monopol és akvadrupol eektusok

fentebb vázolt hatásának a mértéke kísérletileg nem ismert, így ez a széles

körben elfogadottelképzelésis sakfeltevésnek tekintend®.

Miközben az általánosan elfogadott héjmodell számítások elutasították

a f®héjak átrendez®désére vonatkozó feltétezéseket, az átlagtér elméletek új

instabilitási neutron−

g 9/2 d _5/2 d _3/2 g 7/2 h _11/2 p _3/2 p _1/2 f 7/2

p _1/2 i _11/2 f 7/2 p _3/2 h 9/2

d _5/2 g 7/2 h _11/2 d _3/2 h 9/2

g 9/2

hamónikus oszcillátor nagyon diffúz

felszin vonal

kölcsönhatás spin−pálya

nincs

egzotikus atommagok

N=5

N=4

s 1/2 f _5/2 f _5/2

s 1/2

környezetében völgy stabilitási 2f

3s

1g 2d 3p

1h

126

82

50

2.4. ábra. Az egyrészeske energiák nagy neutrontöbblet miatti, átlagtér-

közelítésben jósoltenergiaváltozásai[21℄.

ió életbentartásához: Az átlagtér modellek (Hartree-Fok, Hartree-Fok-

Bogoljubov, relativisztikus Hartree-Fok számolások) azt mutatták, hogy a

nagyneutrontöbblet megváltoztatjaazátlagtér radiálisalakját, nevezetesen

sokkal diúzabb lesz a felülete, mint a stabilitási völgy közelében szokásos.

A módosult poteniálhoz természetesen más egyrészeske energia sajátérté-

kektartoznak, amiindokoljaazegyrészeske energiákeltolódásátaneutron-

instabilitásivonalközelében[21℄. Különgyelmetszenteltekaspin-pályaköl-

sönhatásgyengülésének[22℄,amifontostényez® az

N, Z

^{=20felettimágikus}

számok alakulásában. Mivel a spin-pálya kölsönhatás er®ssége a poteniál

deriváltjával arányos, ezért a diúzabb felület egy gyengébb spin-pálya köl-

sönhatást eredményez, ami a harmonikus oszillátor jelleg¶ héjzáródások

felé tolhatjael a mágikusszámokat. Ezen mehanizmusok hatásátaz egyré-

2.1.3. A probléma újragondolása a radioaktív-nyalábos

spektroszkópia tükrében

A héjzáródások problémája a radioaktív-nyalábos kísérletek beindulásával

került újból el®térbe, amikor megkezd®dött más, a stabilitási völgyt®l igen

távolitartományokbanis agerjesztett állapotokfeltérképezése, éstulajdosá-

gaikmeghatározása.

A megsz¶n® héjzáródás problematikája ugyan az

N

^{=20 körüli anomá-}

liákkapsán mélyült ela köztudatban, de az

N

^{=8héjzáródás} megsz¶nésére utaló hasonló jelek jóval régebben ismertek voltak. Míg a

14

C

8

^{esetén a kí-}

sérlet összhangban van az er®s

N

^{=8 héjzáródás} konepiójával, az

N/Z

⁼²

vonalon fekv®

12

Be esetén az els® 2

+

állapot energiája jóval alasonyabb,

mintahogy azt azárt

N

^{=8 neutronhéj esetén várnánk: 4.5MeV helyett 2.1}

MeV. Ez a meggyelés mégsem okozott nagy megütközést, mert már jóval

hamarabb (az '50-es évek végén) ismert volt, hogy a 7 neutront tartalmazó

13

C és

11

Be atommagokban felserél®dik az 1/2

+

és az 1/2

−

állapotok sor-

rendje, amit aproton-neutron eektív kölsönhatásnaktulajdonítottak[23℄.

Akés®bbiekbenúgyalakítottákazeektívkölsönhatásokat,hogyeztajelen-

séget képeslegyen leírni. Ilyen eektív kölsönhatássala héjmodellszámolás

azt mutatta, hogy a

12

Be alapállapota kb. 65%-ban neutron-2-részeske-2-

lyuk gerjesztést tartalmaz [24℄. Ez a jóslat összhangban volt a

β

^-bomlás

élettartamábólmeghatározott értékkel [25℄.

50 évvel kés®bb, a XXI. század fordulóján elkezdték a

12

Be-re nyert

eredményeket az

N

^{=8 héjzáródás} megsz¶néseként értelmezni. A neutron- kiütési reakióban meggyelt jelent®s

s 1/2

^{[26℄ illetve}

d 5/2

^{[27℄ er®sséget a}

megsz¶n® héjzáródás jeleként értelmezték. Hasonlóképpen az

N

^{=8 héjzáró-}

dás megsz¶nése jelénektekintették a

12

Be-ban mért nagytömegdeformáiót

(

β 2

^{=0.61(5)) [28℄ is. Mindez az eredmény} természetesen a héjzáródás meg- sz¶nése nélkül, pusztán a neutron-2-részeske-2-lyuk gerjesztéseknek a zárt

neutronhéjúgerjesztések alásüllyedésével isértelmezhet®lenne. Aszférikus,

zárt neutronhéjúállapotnak megfelel® második0

+

állapotot sikerült is meg-

12

talált1

−

állapot[30℄alasonyenergiájaviszontarrautal,hogyaz

s _1/2

^és

p _1/2

eektív egyrészeske energiák különbsége islesökkent valamennyire.

A tartományra kapottösszes kísérleti adat héjmodell-értelmezésemegkí-

vánjamindazintruderállapotoklesüllyedésének,mindahéjzáródásgyengü-

lésének gyelembevételét, és egy kevert alapállapotot jósol a

12

Be-nak [31℄,

egyben rámutat arra, hogy a naiv megközelítésben használtakon túl még

további eektusokatisgyelembekellvenni (pl.

p 3/2

gerjesztések). A héjmo- dellállapotok komplexitását magyarázza, hogy a berillium atommagokban

jelent®s a 2

α

^{somósodás. Egy} egyszer¶sített képben a berillium magokat az er®sen deformált

8

Be törzs és deformált, molekula-jelleg¶ pályákat be-

tölt® valenianukleonok rendszereként lehet értelmezi [32℄. A preíz leírás-

hoz azonban olyanmikroszkopikusklasztermodellszámításokravanszükség,

amely kezelni képes a törzs változásait és gerjesztéseit is [33℄. A probléma

meglehet®senösszetett,ésemiattmeglehet®sennehézkesebben amagbanaz

N

^{=8héjzáródás} gyengülésére pontos informáiótnyerni.

Az anomálisanviselked®

N

^{=20 atommagokatradioaktívnyalábokonel®-}

szörközepesenergiásCoulomb-gerjesztésselvizsgálták. El®szöra

32

MgB(E2)

átmenetivalószín¶ségéthatározták meg [34℄,majda

31

Na [35℄, végül a

30

Ne

[9℄ deformáióját sikerült meghatározni. Mindhárom mag

β 2

^{=0.6 körüli de-}

formáióval rendelkezik. A

31

Mg-ben sikerült kimutatniaz alasonyenergiás

intruder állapotok jelenlétét is [36℄. Ugyanakkor, elméleti számítások sora

er®sítette meg a korábbi eredményeket, melyszerint nins szükség az

N

⁼²⁰

héjzáródásmegsz¶nésének afeltételezésére,kismérték¶gyengüléseéppenele-

gend®arendelkezésre állókísérleti adatokértelmezésére [37, 38,39,40℄. Bár

a héjzáródás megsz¶nésének terminológiája megmaradt, ezen egyre inkább

az intruder állapotoknak a normál állapotok alá süllyedését kellett érteni,

nem az

N

^{=20 héjköz jelent®s} sökkenését.

A következ® héjzáródás az

N

^{=28, aminek a helyzete még} stabilabbnak t¶nik,mintaz

N

^=8-évagyaz

N

^{=20-é. Az}

N

^{=28héjzáródás mellettugyanis}

egy er®s

Z

^{=14 héjzáródás is várható az}

A/Z ∼ 3

magokban,ami stabilizál-

42

a neutron-instabilitási vonal közelében [41℄. Ennek ellenére, a helyzet nem

ennyireegyértelm¶. Ahéjmodellastabilitásisávhozközelimagokraillesztett

kölsönhatással kétszeresen zárt héjú

42

14

^{Simagotésstabil}

N

⁼²⁸ héjzáródást jósol [42℄. Ha a kölsönhatást úgy módosítják, hogy le tudja írni az

N

⁼²⁸

vonal mentén kapottújabb kísérleti eredményeket is [43℄, akkor a

44

16

^{S atom-}

magban egy intruder állapotokkal kevert alapállapotot kapnak, de a

Z

⁼¹⁴

alhéjzáródás még stabilizáljaa

42

Sigömbszer¶alapállapotát,éssak a

40 12

^Mg

alapállapotában lesz domináns az intruder konguráió [44℄. Ezzel szem-

ben, azátlagtér-számolásoka legegyszer¶bbközelítést®lalegbonyolultabbig

egyöntet¶en deformáltalapállapototjósolnaka

42

Si-nek [45, 46,47,48, 49℄.

A neutrongazdagArés Smagokranyert kísérletieredmények [50,51,52℄

jelenlegnem elégségesekegyikálláspontmegvédéséhezvagyáfolásáhozsem.

AneutrongazdagSimagokalapállapotitulajdonságairakapottadatokbólpe-

dig homlokegyenest ellentétes következtetéseket vontak le a különböz® so-

portok [41, 53, 54℄, ami azt mutatja, hogy ezek az eredmények sem perdön-

t®ek. Mindezek alapján az

N

⁼²⁸ héjzáródásnak még az intruder állapotok lesüllyedése szintjén való sérülésében sem lehetünk biztosak.

Összefoglalva megállapíthatjuk,hogy akezdeti lelkesedés után a legtöbb

iskola feladta a héjzáródások megsz¶nésének a tételét. Az általánosan elfo-

gadott felfogás szerint ugyan továbbra is beszélünk a héjzáródások megsz¶-

nésér®laneutron-instabilitásivonalközelében, deez igazábólnemahéjzáró-

dásmegsz¶nését jelenti,hanemsak ahéjeektusokmegsz¶nését, aminekaz

okaahéjzáródásonátível®2-részeske-2-lyukállapotoker®teljeslesüllyedése.

Az

N

^{=28 héjzáródás esetén még ennek az eektusnak a léte is megkérd®-}

jelezhet®. A rendelkezésre álló kísérleti adatok ugyanakkor értelmezhet®k a

héjzáródások megsz¶nését feltételezve is. Ezek az adatok egyik konepiót

semzárjákki,ezértahéjzáródások kérdéseakísérletikutatáshomlokterében

maradtmind a mainapig.

Az értekezésben ismertetend® kutatásnak az volt a élja, hogy megvála-

szoljukakérdést,hogyvégülismegsz¶nik-eahéjzáródásaneutron-instabilitási

lábokonvégzett magspektroszkópiai vizsgálatát használtuk módszerül,hogy

megoldást találjunk a héjzáródások stabilitásának vagy megsz¶nésének kér-

désére.

módszerek

A kísérleteket a frania és a japán nemzeti nehézion laboratóriumokban,

a Ganilban és Rikenben végeztük. A rendelkezésre álló lehet®ségek szinte

teljes tárházát igénybe vettük. A vizsgálatokhoz közepes energiás (50-100

MeV/nukleon energiájú)nehézion nyalábokat,illetveezek fragmentáiójából

származómásodlagosradioaktívnyalábokathasználtunk. Aéltárgyakatsok

detektorból álló spektrométerekkel vettük körül és mértük a reakiótermé-

kekre jellemz® adatokat. A mérési körülmények kísérletr®l kísérletre változ-

tak ugyan, de lényegét tekintve sak néhány alapvet® berendezés és néhány

módszer különböz® kombináióival dolgoztunk. Jelen fejezetben ezeket az

alap berendezéseket és módszereket mutatombe. Az egyes kísérletek részle-

teit azokelemzésénél adom meg.

3.1. Radioaktív nyalábok el®állítása

A radioaktív nyalábok mindig másodlagos nyalábok: stabil nyalábbalstabil

éltárgyon létrehozott reakiók termékeinek továbbgyorsításával lehet el®ál-

lítani ®ket. Erre a élra két f® módszert alkalmaznak: az els® módszerben

olyan vékony éltárgyat használnak, amelyen mind az els®dleges bombázó

nyaláb mind areakiótermékek áttudnak haladni. Ennél a módszernél röp-

tében kell szeparálni areakiótermékeket és a másodlagos reakió színterére

vezetni ®ket ionoptikaiberendezésekkel. Ezt a módszert használtuk aGanil

Sissi+

α

^ésLise3 szeparátora[55℄mellettés Rikenben aRipsszeparátornál [56℄. A második módszernél olyan vastag éltárgyat használnak, amelyben

megáll a bombázó nyaláb, és a éltárgyban benne maradnak a reakióter-

mékek is. Azokat els®sorban kif¶téssel gyorsított diúzióval ki kell hozni

a éltárgyból, egy ionforrásba vezetni, majd a stabil nyalábokhoz hason-

lóan újragyorsítani az ionforrás általszolgáltatott radioaktív nyalábot. Ezt

a módszerta Ganil Spiralberendezésénél alkalmaztuk.

A röptében valószeparálás módszeret¶nikegyszer¶bbnek, ésez is válta

meghatározó eljárássá. A 100-1000 MeV/nukleon energiájú nehézion-nyalá-

botegykb.1mmvastag(500-1000mg/m

2

),jóh®vezetés¶ többnyireBe,C,

Ni vagy Ta éltárgyon fragmentálják. A fragmentumok a nyalábbal együtt

legfeljebb néhány fokosirányváltássalhaladnak tovább el®re. A hatásfok ja-

vításaérdekében érdemes akeletkez® nyalábkoktélt újraösszefókuszálni. Ez

a Ganilbanegy szupravezet® szolenoid segítségével történik (Sissi). A frag-

mentumokatmágnesesrigiditásuk(

Bρ ∼ Av/Q

^{)alapjánegyvagytöbbdipól}

mágnessel választják le a nyalábról. Az els®dleges nyaláb és a nem megfe-

lel®tömeg/töltésarányúreakiótermékekfelken®dnekamágneses szeparátor

falára, pontosabban az ott kialakított h¶tött nyalábelnyel®re, illetve a sze-

parátor kilép® réseire. A éltárgy és a nyalábmegállítóh®elnyel® képessége,

valaminta sugárvédelmi szabályok határozzák meg, hogymekkora maximá-

lis nyalábintenzitással lehet dolgozni. Tipikusan a mai második generáiós

berendezések az els®dleges éltárgyban néhány száz watt energiát képesek

disszipálni, míg a nyalábelnyel® elemek néhány kW-nyi nyalábenergiát tud-

nak elnyelni.

Akiválasztottreakiótermékekb®lállóradioaktívnyalábáltalábanmegle-

het®senrossz min®ség¶. Anyalábnemtiszta(rosszesetbensaknéhányszá-

zaléknyi a f® nyalábkomponens), a különböz® nyalábkomponensek külön-

böz® energiájúak, mindegyikneknagy az energia-és az irányszórása. Mind-

emellett az intenzitás is meglehet®sen kisi: a 10

13

pps els®dleges nyalábin-

tenzitással tipikusan 10

4

-10

0

pps intenzitású nyalábokatállítanak el®.

3.1. ábra. Neutrongazdag atommagok el®állítási hatáskeresztmetszete

36

S

nyaláb fragmentáiójából.

tás a választott reakiótól függ. A reakió-hatáskeresztmetszeteket a sta-

tisztikus alapokon m¶köd® morzsolódás+párolgás modell segítségével lehet

megbesülni [57℄. A számolásokazt mutatják, hogy azels®dleges nyalábhoz

közeli, a stabilitási völgyhöz közeli, illetve a könny¶ fragmentumok állnak

el®a legnagyobb valószín¶séggel. Minél nehezebb a bombázó nyaláb, annál

több reakiósatorna van nyitva, így az egy satornára jutó relatív kereszt-

metszet egyre sökken. Ahogy azt a 3.1. ábra mutatja, a stabilitási sávtól

távolodva logaritmikus skálán egy parabolával lehet közelíteni az el®állítási

valószín¶ségeket.

A legegzotikusabb magok el®állítására tipikusan a protonkiütési reaki-

ókat használják. Két proton kiütésével járó reakió viszonylag gyakori, és

az így el®állítható nyalábok intenzitását sak az els®dleges nyaláb er®ssége

korlátozza. Annak a valószín¶sége, hogy négy proton legyen egyszerre egy-

máshozközel a magfelszínén úgy hogyegyszerre lelehessen ®ketmorzsolni,

már sokkal kisebb. Négy proton kiütésével pl. 5

×

¹⁰

¹²

^pps intenzitású

36

S

nyalábbal10

4

pps

32

Mg-tlehetettel®állítani,míg aközel azonos intenzitású

48

Ca-bólmár sak 400 pps

44

S-et tudtunk termelnia Ganilban. Hat proton

kiütésével járó reakió még reménytelenebb. Ugyanazzal a

48

Ca nyalábbal

sak

∼

¹⁰

^{− 2}

^pps

⁴²

^{Sinyalábot lehetett}el®állítanimind az MSU-ban, mind a Ganilban. Ezazintenzitásközelkétnagyságrenddelkisebb,mintahogyazta

szkópiaivizsgálatokvégzésére. Ezazadategybenamódszerkorlátozottságát

is mutatja. Jelent®s tehnikai fejlesztések mellett is reménytelennek látszik,

hogyCa-nál nagyobb rendszámú elemeken spektroszkópiai vizsgálatokatvé-

gezhessünk a neutron-instabilitásivonal közelében.

Amegállítottnyalábosradioaktívnyaláb-el®állításazon-lineizotópszepa-

rátoroktehnikájáraépül. Ittlényegesenjobbazels®dlegesnyaláb kihaszná-

lása, így azonos nyalábteljesítmény mellett többször annyi radioaktív anya-

got lehet termelni. Az el®állított izotópok kihozatalánakviszont lényegesen

rosszabb a hatásfoka,és ráadásulelemspeikus módszereketkell használni.

Legkönnyebb a gáz-, ezen belül is a nemesgáznyalábok el®állítása. Az utó-

gyorsítássalastabilnyalábokhozhasonlómin®ség¶radioaktívnyalábotlehet

kapni,sakazintenzitásmaradösszemérhet® agyorsszeparálássalel®állított

közepesenergiás nyalábokintenzitásával. Jelenlegazelérhet®maximálisnya-

lábintenzitás10

6

-10

7

pps aGanilSpiralgyorsítójánál. AtervezettSpiral2

berendezésnél a várhatóintenzitásokelérhetika stabilnyalábok 10

12

pps in-

tenzitását. Azegzotikusabbmagtartományokfeléhaladvaanyalábintenzitás

azonban ittis gyorsan sökken.

Megjegyzem, hogy az abszolút nyalábintenzitás alapján nehéz összeha-

sonlítani az alasonyenergiás és a közepesenergiás berendezéseket. A két

energián különböz®ek a domináns reakiómehanizmusok, és a különböz®

energián dolgozó berendezések másfajta kísérleti eszközöket igényelnek, kü-

lönböz® vastagságú éltárgyak használatát teszik lehet®vé. Mindezek elle-

nére, ha sak a legegzotikusabb atommagokat tekintjük, akkor a közepes-

energiás berendezések sokkal perspektivikusabbnak t¶nnek. Jóval szélesebb

a radioaktív nyalábok választéka a közepesenergiás berendezéseken, és meg-

lehet®sen kis nyalábintenzitások (1-2 pps) mellett is lehet spektroszkópiát

sinálnirajtuk. A kisenergiásberendezések el®nyeitvalószín¶leg a nehezebb

(hasadványtermék) nyalábok alkalmazásasorán lehet kihasználni.

AGanilradioaktívnyalábosberendezésében azionforrásbólkilép®nehéz-

ionokata3.2. ábra balfels® részénláthatóC01 vagy C02iklotron gyorsítja

3.2. ábra. A ganiligyorsító komplexum alaprajza.

lotrongyorsítjatovábbanyalábotkb.10MeV/nukleonenergiára,majdújabb

áttöltés után a CSS2 iklotron gyorsítja fel 70-100 MeV/nukleon végenergi-

ára.

AGanilban3radioaktívnyalábforrásvan: abaloldalonláthatóLisesze-

parátor,amia legnagyobb intenzitást és alegtisztább nyalábotszolgáltatja,

de a nyalábvégen sak egyszer¶ detektáló rendszer helyezhet® el a rendel-

kezésre álló sz¶kös hely miatt. Ezt a szeparátort használtuk a Coulomb-

gerjesztéses kísérletekhez. A többi targethelyiségbe a Sissi+

α

^berendezés

biztosítközepesenergiás radioaktív nyalábot. Ezt alehet®séget használtuk a

fragmentáióin-beam

γ

-spektroszkópiaivizsgálatáraaSpegmágnesesspekt- rográfmellett. Végül alasonyenergiás radioaktív nyalábot a Spiralberen-

dezés szolgáltat, amit miegy transzferreakió vizsgálata során használtunk.

Az

α

^ésaLiseszeparátorokbananéhányGeV-esnyalábotegyforgófém-

3.3. ábra. A rikenigyorsítókomplexum alaprajza.

tányérra, az els®dleges éltárgyra vezetik. Az

α

^szeparátor használatakor a keletkez®termékeketaSissiszupravezet®-mágneses szolenoiddalfókuszálják

újra. Az els®dleges nyaláb leválasztása és a radioaktív nyaláb kiválasztása

dipól mágnesekkel történik. Az

α

^{szeparátor dipóljai 270 fokkal eltérítik a}

nyalábot, hogy a kísérleti termekbe lehessen vezetni. Ez egy er®s szelek-

iót jelent, így egy viszonylag jó min®ség¶ radioaktív nyalábot szolgáltat a

berendezés, de 2-4-szerkisebb intenzitással mintanagyobb impulzusbizony-

talanságot toleráló,kisebb szög¶ eltérítéssel dolgozó Liseszeparátor.

AGanilSpiralberendezéseszinténaCSSiklotronokkalel®állítottnehézion-

nyalábot használja. Ebben az esetben a nyalábot egy speiális alakú szén

éltárgyra vezetik. A éltárgyban leadott több kW nyalábenergia felf¶ti a

gratot kb. 2000

o

-ra, és a reakiótermékek egy része kidiundál bel®le. A

keltez® g®zök egy hideg sövön átáramlanak egy ECR ionforrásba, és út-

közben a nem gáz halmazállapotú anyagok kisapódnak a s® falára. Az

ionforrásban ionizáljáka gázt, éskivonják. Az alasonyenergiás (20 keV-es)

nyalábotmágnesesenszeparálják majd bevezetik aCIME iklotronbaamely

1-15 MeV/nukleon energiára gyorsítja.

3.4. ábra. Az átadás el®ttálló rikeniradioaktív nyalábgyár alaprajza.

dioaktívnyalábel®állításánakmódszerelényegébenazonos,mintaGanilban.

Az ECR ionforrásban el®állított nyalábot az AVF iklotron vagy a RILAC

lineáris gyorsító gyorsítja fel 10 MeV/nukleon körüli energiára. Ezt a nya-

lábot a RRC gy¶r¶iklotronba vezetik, ahol a maximum 100 MeV/nukleon

végenergiára gyorsítják. A nagyintenzitású közepesenergiás nyalábot az el-

s®dleges (forgó) éltárgyra vezetik, és a keletkez® reakiótermékeket a Rips

radioaktív ion szeparátorral választják szét. Az elérhet® nyalábintenzitások

közel azonos szinten voltak a Ganilban és Rikenben. A Ganilban jelenleg

nagyobb az els®dleges nyalábválaszték, a Rikenben viszont rövid id®n belül

megn® az elérhet® maximális intenzitás bizonyos nyalábokból egy új ECR

ionforrásrendszerbe állításamiatt.

Jelenleg egy következ® generáiós radioaktív nyalábgyár (RIBF) építése

folyikaRikenben, ami2007közepét®lkezdimegapróbaüzemet. A3.4. ábra

jobboldalánláthatórikeniRIBF gyorsszeparáiós eljárástfog alkalmazni. A

jelenleginyalábotegyközbens®gy¶r¶iklotronnal(IRC)ésegyszupravezet®

gy¶r¶iklotronnal(SRC)továbbgyorsítjákmax.350MeV/nukleonenergiára.

A tervezett els®dleges nyalábintenzitás eléri az 1 p

µ

^{A-t. A} nyalábmegállító a jelenleginél két nagyságrenddel nagyobb, 250 kW-os els®dleges nyalábot

tud lefékezni. Az els® fázisban 100 pnA

86

Kr, 10 pnA

136

Xe és 1 pnA

238

U

nyalábintenzitások ellenére nem tervezik a jelenleginél (10

5 − 6

pps) nagyobb

intenzitású másodlagos nyalábok el®állítását, hanem továbbra is a legegzo-

tikusabb magokat szeretnék elérni. A nagy els®dleges nyalábintenzitások

miatt itt lehet majd el®állítani a stabilitási sávtól legtávolabbi izotópokat,

ésels®kéntfognakadni nagyintenzitásúközepesenergiás nyalábokat

238

Uha-

sadványtermékekb®l.

Európában kétúj generáiós radioaktív nyalábosberendezés tervétis jó-

váhagyták. A Ganil Spiral2 projektje egy nagyáramú lineáris gyorsítóval

kíván

238

Uhasadásábólilletvefúziós-evaporáiósreakiókbólel®állítaniköze-

pesen nehéz kisenergiásradioaktív nyalábokat. A GSIFAIR projektje pedig

nagyintenzitású nagyenergiásnyalábok el®állításáttervezi2012 körül.

3.2. Nyalábdiagnosztika, reakiótermékek azo-

nosítása

A nyaláb rossz min®sége miatt szükség van rá, hogy a nyalábrészeskéket

azonosítsuk: meghatározzuk minden egyes ion töltését, rendszámát, töme-

gét, sebességét, gyakran még az irányát is. Amíg elég kisi a nyalábintenzi-

tás (

≤ 10 ⁵

), addig minden egyes nyalábrészeske sorsát nyomonkövethetjük születését®l egészen amegállásáig. A mag röptében nem tudjukközvetlenül

mérni számos jellemz®jét, ígyazokat mérhet® mennyiségekb®lkell visszakö-

vetkeztetni.

A nyalábrészeske rendszámát egy vékony detektorban való energiavesz-

teség mérésével határozhatjuk meg, mivel az energiaveszteség nagyenergiás

nehézionokra arányos a rendszám négyzetével

∆ E ∝ Z ²

^{. Egy vékony (50-}

500

µ

^{m) Si detektor is elegend® feloldást tudott} biztosítani a Z

≤

^{28 rend-}

számtartományban a szomszédos elemek megkülönböztetésére. A nagyobb

Z

^{-j¶ elemeknél már gáztöltés¶ ionizáióskamrák használata ajánlott.}

A részeske sebességét, ezen keresztül kinetikus energiáját repülési id®

mérésével határozzuk meg. Két, lehet®leg egymástól távol elhelyezett gyors

"

Repülési ido

Energiaveszteség

3.5. ábra. A másodlagosradioaktívnyaláb azonosítása plasztikszintillátor-

ralmért

∆ E

^ésrepülésiid® adatok alapján.

vékony plasztik szintillátor, hannel plate detektor vagy a nyalábpozíiót

monitorozó sokszálas gázdetektor (PPAC) [58℄. Rikenben közel 20 méteres,

a Ganilban több mint 80 méteres a repülésiid®-mérés bázistávolsága. Mi-

vel az els®dleges nyaláb pontosan meghatározott energiával sapódott be a

éltárgyba, akilép®részeskék kinetikus energiájánakmérésévelmeg tudjuk

határozni, hogy mennyi energia fordítódott az ütközésben bels® gerjeszté-

sekre, amier®sen korrelálta reakióban leadottnukleonok számával. Ennek

megfelel®en, a repülésid®-mérés közvetve tömegmérésnek felel meg. A 3.5.

ábrán a másodlagos radioaktív nyaláb plasztik szintillátorral mért

∆ E

^és

repülésiid® adatok alapján történ®azonosításáramutatok példát.

A nyaláb pozíiójának (ezen keresztül az irányának) a meghatározására

helyzetérzékeny gázdetektorokat (PPAC) használtunk.

A mágneses szeparáió miatt viszonylag könnyen mérhet® a reakióter-

mék mágneses rigiditása (

Bρ

^{), ami azt mutatja meg, hogy egy adott er®s-}

ség¶ mágneses tér milyen sugarú pályán képes eltérítenia nyalábrészeskét.

Bρ ∼ Av/Q

^{, ahol}

A

^{a mag tömege,}

Q

^{a töltése és}

v

^{a sebessége. A}

Bρ

^köz-

vetlenül mérhet® a dipól mágnes diszperzív fókuszsíkjában helyzetérzékeny

detektorokkal. A

Bρ

meghatározásának külösen nagy jelent®sége van, ha a

Detektorok

Target

S P E G Nyaláb

3.6. ábra. A Speg mágneses spektrográf rajza.

jelenlétetöbbszempontbóliskomolykihívástjelentene, ezértagyakorlatban

olyan energiákat választottunk, illetveúgy helyezünk el nyalábdiagnosztikai

eszközöket a nyaláb útjába, hogy minden kritikus helyen teljesen lefosztott

ionjainklegyenek. A pozíiómérés azonban így is hasznos, mert informáiót

ad arról, hogy a részeske milyen hosszú pályán futott a dipól mágnesben,

amifontoskorrekiót ada részeske sebességének id®mérésb®l történ® meg-

határozásához.

A másodlagos reakióban keletkez® termékek azonosítására ugyanazokat

atehnikákatlehethasználni,haahelymegengedi. AGanilbanafragmentá-

ió in-beam

γ

-spektroszkópiai vizsgálata során a reakiótermékeket a Speg mágneses spektrográf [59℄,illetveafókuszsíkjában elhelyezett detektorokse-

gítségével azonosítottuk. A Speg spektrométer vázlatos rajza a 3.6. ábrán

látható.

ASpegmágnesesspektrográffókuszsíkjábanelhelyezettionizáióskamra

segítségével lehetett mérni a fajlagos energiaveszteséget (

∆ E

^{), a mágneses}

rigiditásról (

Bρ

^{) a} fókuszsíkban elhelyezett sokszálas poziióérzékeny drift-

kamrákadtak informáiót,ésateljesenergiát(

E

^{)abejöv®ionokatmegállító}

plasztik szintillátorbóllehetett megkapni. A Speg plasztik detektora és a

éltárgyel®ttelhelyezettutolsónyalábdiagnosztikaiplasztikközöttmérveaz

id®t a repülési id®t is megtudtuk határozni az azonosításhoz. A targett®l a

plasztikig 12 m-t kellett befutniuk az ionoknak, ami nagy-megbízhatóságú

tömegszeparáióttett lehet®vé.

TulajdonképpenaSpegmellettaszükségesnéljóvaltöbbadatotgy¶jtöt-

tünk az azonosításhoz, éssak a

∆ E

^{repülésiid® módszert} használtuk. A repülésiid®t korrigáltukaSpeg-ben megtettútkülönbségekre afókuszsíkba

való besapódás helye alapján. Egymástól 0.5-m-re két sokszálas ionizáiós

kamra is elvolt helyezve, amelyek segítségével abesapódás szögét is mérni

lehetett, ésteljespályarekonstrukiót lehetettsinálni. Eztamódszerthasz-

nálvaa reakiótermékek esetleges áttölt®dése sem okozott problémát.

Másodlagos fragmentáió használata esetén az els®dleges reakióban ke-

letkez®kismennyiség¶(

< 10 ^{− 3}

)áttöltöttkomponensmegfelel®sebesség(

Bρ

⁾

esetén végig tud menni a nyalábsatornán, és eljuthat aSpeg fókuszsíkjára

is. Eztaháttérkomponenstanyaláb repülésiidejérevalókapuzássalki lehet

sz¶rni. Mivel a Speg-et nehézionreakiók spektroszkópiai vizsgálatára ter-

vezték, mindenparaméterébenmesszemeghaladjaarészeskeazonosításáltal

támasztottkövetelményeketésszélesdinamikaeseténisnagyontisztaazono-

sítástteszlehet®vé. Ugyanakkorafókuszsíkdetektorainembírjákaterhelést.

A driftkamra lassúságamiatt sak

10 ³

pps reakiótermék-intenzitást tolerál aSpeg.

A rugalmatlan-szórásikísérletekben

∆ E − E

^módszerthasználtunk are- akiótermékek azonosítására, amit repülésiid® mérés egészíthetett ki. Az

energiaveszteséget egy vékony Si detektorban határoztuk meg. Az energia

mérésérevagyvastagSidetektort, vagyvastagplasztikszintillátorokathasz-

náltunk.

ASiteleszkópbana

∆ E

^ésaz

E

^detektorközvetlenülegymásutánhelyez- kedett el,amitegyvétó detektorkövetett. Mértünk egyetlen teleszkóppal is,

Energiaveszteség

3.7. ábra. A

26

Ne izotóp fragmentáiója során keletkez® er®sen neutrongaz-

dag izotópok szétválasztása

∆ E

-repülésiid® módszerrel a Speg spektrográf fókuszsíkjában.

detektorkeretek miattanégy detektorralsakegykétszeres faktortnyertünk

hatásfokban. A Si + plasztik teleszkóp rendszerben a plasztik detektorok 5

és 10 m széles rendszere egy 1 négyzetméteres falat fedett le 3.5 m-re a Si

detektortól, úgy hogy az egész rendszer vákuum alatt volt. Kisrendszámok

esetén ez volt a leghatékonyabb megoldás és elegend®en nagy térszöget le

lehetettfedni vele.

Rugalmatlan-szórásikísérletekben areakiótermékekközöttmegjelenika

kölsön-nem-hatott nyaláb is, amidominálja a spektrumot. Mivel a nyaláb

több nagyságrenddel nagyobb hozammal jelenik meg, mint a reakiótermé-

kek,ahozzátartozósúsfarkaelfediazösszesneutronkiütéssel el®állóizotóp

jelét. Ezek a magok sak akkor válnakláthatóvá, hapl. gamma sugárzással

koinideniában nézzük a

∆ E − E

spektrumot. Ilyenkor a kölsön-nem- hatott nyaláb nagy részét ki lehet sz¶rni. Ebb®l az is következik, hogy a

∆ E − E

^módszerrela neutron-kiütési reakiókban nem lehet meghatározni, hogymilyenazalapállapotésagerjesztett állapotpopuláiójánakazaránya,

N fragmens

tömegszám 28 Ne

kapu

3.8. ábra. A neon izotópokszeparáiója

∆ E − E

^{mérés alapján.}

satolásáról.

Akétdimenziós

∆ E − E

spektrumokbanazegyizotóphoz,pl.anagysta- tisztikávalmérhet®nyalábkomponensheztartozógörbéreegypolinomotlehet

illeszteni. Ezt a görbét felhasználva linearizálni lehet a

∆ E − E

^görbéket,

hogyegydimenzióstömegspektrumotkapjunk. Azáltalunk használtlegjobb

feloldáseseténismaradnémiátfedés azizotópokközt,de akülönböz® izotó-

pokjólelválaszthatóak voltakegymástólígyis. A3.8. ábrán

28

Neizotópnak

folyékony hidrogén éltárggyal való ütközése során keletkez® neon izotópok

szétválasztására mutatok példát.

3.3.

γ

-spektroszkópia

A reakiókból kilép®

γ

-sugárzások detektálására BaF

2

^{és NaI} kristályokból felépített4

π

spektrométereket és germániumdetektorokat használtunk.

AGanilbanhasznált

γ

^{-detektor,aChateaude}Crystal",74db6-szöglet¶

9 m átmér®j¶ és 14 m hosszú BaF

2

kristályból felépített spektrométer,

33 3.3.

γ

-spektroszkópia

3.9.ábra. AGanilbanafragmentáióskísérletekhez használtBaF

2

^detektor-

rendszer Ge detektorokkalkiegészítve.

amelyben a kristályok szorosan egymás mellé vannak helyezve, és gy¶r¶n-

ként el vannak tolva úgy, hogy egy-egy félgömböt közelít® kupolát alkos-

sanak [60℄. A két félgömb között 0-15m rés hagyható. Ebbe a résbe lehet

tennipl.néhány Gedetektort,ahogy azta3.9. ábraismutatja. Akristályok

er®sátfedésemiattaspektrométertekinthet®egyjóhatásfokúanti-Compton

spektrométernek, ahol a Compton árnyékolást a szomszédos detektorok ad-

ják, éshasználhatjuk add-bak módbanis, amikorazegyszerre megszólaló

egy soportban lev® detektorok jelét felösszegezzük. Ha a detektálási kü-

szöbötelég alasonyratudjukállítani,akkormeglehet®sentisztaspektrumot

lehet így el®állítani. Az addbak tehnika 2-3 százalékkal rontja a feloldást,

éskb. 8%-kaljavítja a fotósús-hatásfokot.

Rikenben a Dali NaI spektrométert használtuk. Az els® változat 68 db

6

×

^{6m-es NaI} kristálybólállt, amihezkés®bb még 110 db 4.5

×

⁸

×

^{16 m-es}

kristályt vettek [61℄. A kristályok alumínium lapokra vannak szerelve kissé

3.10.ábra. NaI kristályoka Dali

γ

-spektrométerben.

látszik,amibiztosítja,hogyaderékszög¶kristályokkalhézagmentesenlegyen

lefedveegy-egygy¶r¶. Agy¶r¶kátmér®jeúgyváltozik,hogyateljesrendszer

egygömbszer¶ lefedést biztosítson.

Mindkét rendszer igen nagy 20-30% hatásfokú 1.3 MeV-nél, ugyan-

akkor a feloldásuk rossz, 1012%a BaF

2

^és

∼

^{6% a NaI esetén.} Kisenergiás spektroszkópiára évtizedek óta nem használnak ilyen rossz feloldású detek-

tort. Egyszokásos Gedetektorfeloldása0.2-0.3%! Ezazonban megtéveszt®.

A közepesenergia azt jelenti, hogya bombázó nyaláb

∼

^0.3

c

sebességgel mo- zog. A Doppler-eektus nagyon er®s. Annyira, hogya detektor kiterjedésén

belülisváltozika

γ

-sugárzások energiája a Doppler-eltolódásmiatt. Emiatt egy, a éltárgytól 20 m-re elhelyezett szokásos 7 m átmér®j¶ Ge detek-

torral 30 keV körüli feloldást lehet elérni. Ehhez hozzájön még az, hogy a

radioaktív nyalábos mérésekben a nyalábintenzitás igen kisi, és hogy mér-

het® eektust lehessen kapni a éltárgyak igen vastagak, tipikusan néhány

tized g/m

2

vastagságúak. Ekkora vastagságban már nem elhanyagolható a

nyaláb fékez®dése, és az emiatti Doppler-kiszélesedés sem. Ezt gyelembe

véve, már nins olyan nagy min®ségi különbség a kétfajta rendszer között.

Ugyanakkora szintillátorok használata egyszer¶bb és az üzemeltetésikölt-

amíg egy vagy néhány sús vana spektrumba, mintpl. az instabilitásivo-

nal mellett, ahol nins sok kötött állapot, vagy a rugalmatlan szórásban,

ahol nem gerjeszt®dik több állapot, a szintillátorok is teljesen kielégít®ek.

A stabilitási sávhoz kisit közelebb azonban már olyan nagy az állapots¶-

r¶ség, hogy nem lehet szintilláiós detektorokkal elboldogulni. Ott viszont

vanmegfelel®ennagynyalábintenzitás,amivékonyabbéltárgyatésnagyobb

éltárgydetektortávolságot ismegenged, ígyki lehet használni aGedetek-

torokel®nyeit.

A reakióbannem sak nehéz fragmentumok, hanemkönny¶ fragmentu-

mok is keletkeznek, amelyek közül a nagyenergiás neutronok áthatolnak a

reakiókamra falán, bejutnak a szintillátorokba és azokban fényjelet gene-

rálva egyfolytonos hátteret hoznak létre. A kinematikamiatt ez els®sorban

az el®re irányban elhelyezett detektorokban okozhat problémát. A BaF

2

^jó

id®zíthet®sége lehet®vé teszi, hogy repülésiid®-mérés alapján ezeket az ese-

ményeket kisz¶rjük.

3.4. Küzdelem a kis hozamok ellen

Ahozamokatanyalábintenzitás,atargetvastagságésadetektorokhatásfoka

határozza meg.

A4

π

szintilláiós

γ

-detektorokhatásfoka

∼

^30%,afragmentumokanagy energiamiatter®senfókuszáltak,úgyhogyviszonylagkistérszögetlefed®esz-

közökkel is nagy adetektálás hatásfoka (

>

^{80%). Hasonlóanmagas a nyalá-}

bazonosításhatásfokais. Ateljesdetektálásirendszer hatásfoka

∼

^{20%, amit}

lényegesennem lehet növelni.

A radioaktív nyaláb er®sségét az els®dleges nyaláb intenzitása és a nya-

lábválaszték határozza meg. Manapság az els®dleges nyaláb intenzitását

könnyebb nyalábokesetén (

Z

^<

20

) a sugárvédelmi el®írások ésaz els®dleges éltárgy h®elnyel® képessége határozza meg. Nehezebb nyaláboknál fontos

szerepet játszik az ionforrás, az áttöltések és a töltésállapotokmiatt a nya-

lábenergia is. Az általunk vizsgált (

Z

^<

28

) tartományban ezek a tényez®k

3.11. ábra. A Rikenben használtfolyékony hidrogén éltárgy.

nem játszottak jelent®s szerepet. Sokkal fontosabb volt az els®dleges nya-

láb választékának a kérdése. A reakiómehanizmustól függ a másodlagos

nyalábotadófragmentumokel®állításihatáskeresztmetszete. Minélközelebb

maradunkazels®dlegesnyalábhoz,illetveastabilitásisávhoz, annálnagyobb

a hozam. A legjobb els®dleges nyalábok ennek megfelel®en az er®sen neut-

rontöbbletes izotópok nyalábjai, mintpl.

22

Ne,

36

S,

40

Ar és

48

Ca.

A másodlagos reakióval végrehajtható reakiót a rendelkezésre álló de-

tektálásirendszerhatározzameg. Hasak

∆ E − E

reakiótermékazonosítási módszerünk van, akkor a legnagyobb hatáskeresztmetszet¶ folyamatok vizs-

gálatátérdemes élul kit¶zni, merta kis(

< 10 ^{− 3}

) elágazásiarányt képvisel®

reakiósatornák nem azonosíthatóak. Ugyanakkor, ha a másodlagos él-

tárgyutánisel tudunkhelyezni egymágneses szeparátort (pl.Speg), akkor

akis hatáskeresztmetszettel el®álló reakiótermékeket le tudjukválasztania

nyalábról, és kis hozam esetén is tiszta körülmények között tudjuk azonosí-