Production et étude des isomères 179mHf et 177mYb

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Production et étude des isomères 179mHf et 177mYb

M. Vergnes, G. Ronsin, J. Kalifa, G. Rotbard

To cite this version:

M. Vergnes, G. Ronsin, J. Kalifa, G. Rotbard. Production et étude des isomères 179mHf et 177mYb. Journal de Physique, 1966, 27 (5-6), pp.257-261. �10.1051/jphys:01966002705-6025700�.

�jpa-00206398�

PRODUCTION ET

ÉTUDE

DES

ISOMÈRES

179mHf ET 177mYb Par M.

VERGNES,

^G.

RONSIN,

J. KALIFA et G.

ROTBARD,

Institut du

Radium,

Laboratoire

Joliot-Curic, Orsay,

Seine-et-Oise.

Résumé. 2014 Les isomères 179mHf et 177mYb ont été

produits

^en utilisant les neutrons de la réaction

9Be(d,n)10B.

Un convoyeur

pneumatique

^a

permis

l’étude de ces activités à vies courtes.

Les niveaux

isomériques

^se désexcitent _{par deux} rayonnements 03B3 ^en

cascade,

^{de nature} M3

et

E1.

Les coefficients de conversion ont été mesurés, ^{et la}

période

^{du niveau} intermédiaire déterminée :

T1/2

⁼

2,0

±

0,2

^ns pour

179Hf,

^et

T1/2

⁼

4,15 ± 0,3

^ns pour 177Yb.

Les

probabilités

des transitions

E1

^sont

comparées

^aux

prévisions théoriques

^{du modèle}

de

Nilsson,

^{en tenant} compte ^{de la force}

d’appariement.

Abstract. ²⁰¹⁴ The isomers Hf179m and Yb177m have been

produced using Be9(d,n)B10

reaction neutrons. A

pneumatic

^transfer tube allowed these short lived activities to be studied.

Each isomeric level

decays by

^{M3 and}

E1

gamma rays in cascade. Conversion coefficients have been

measured,

^{and the} intermediate level half life determined as

T1/2

^{= 2.0} ± ^{0.2 ns} for

Hf179,

^and

T1/2

^{= 4.15} ± ^{0.3 ns for Yb177.}

The

E1

transition

probabilities

^are

compared

with the Nilsson model theoretical

prédictions, taking

^{into account the}

pairing

^force.

Tome 27 No 5-6 MAI-JUIN 1966

JOURNAL DE PHYSIQUE

Introduction. ^- L’etude des isomeres nucleaires

et radio-éléments à

p6riodes

^courtes,

produits

par reactions

(n,y)

^ou

(n,n’)

^{sur des}

isotopes stables,

^est

susceptible

^{de fournir des}

renseignements

^int6res-

sants sur la structure nucl6aire

[1], [2].

^{Notre labora-}

toire ne

poss6dant

pas ^{de source} intense de neutrons,

un seul isom6re avait _{pu y etre} 6tudi6

jusqu’h pr6sent,

^{en utilisant} une source de 1 curie de

polo-

nium

+ beryllium [3].

Une source relativement intense de neutrons

rapides

^et

thermiques

^{a 6t6}

construite,

^ainsi

qu’un

convoyeur

pneumatique

^{destine a} transferer

rapide-

ment 1’echantillon irradie _par la source vers une

installation permettant d’effectuer toutes les me- sures usuelles de

spectroscopie

y.

Cet

appareillage

^a

deja permis

^{de mettre en}

evidence un nouvel

exemple

d’isom6rie K dans le noyau 176 Yb

[4].

^{11 a}

egalement permis

^de

produire

les isorn6res 179mHf et

177mYb,

^{dont 1’6tude est}

d6crite ici.

Source de neutrons. ^- Le faisceau de deutons de 1’accelerateur Van de Graaff de 4 MeV du laboratoire

a 6t6 utilise pour

produire,

^au moyen de la reaction

9Be(d, n)’OB,

^un spectre ^{de neutrons}

rapides

^s’eten-

dant

jusqu’a

^{environ 8 MeV. Ces neutrons sont ther-}

malisés _par 1’eau d’une cuve

cylindrique (0

⁼

2,5 metres, h

⁼

2,5 metres) qui

^{entoure la cible et sert}

en meme temps ^de

protection (voir fig. 1).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01966002705-6025700

258

L’accélérateur est

capable

^{de fournir sur la}

cible,

dans des conditions convenables de

stabilite,

^un

courant de deutons de 4 MeV de l’ordre de 150 a 200

V.A.

^{La cible utilis6e} actuellement est

simple-

ment constituee d’une

plaque

^de

beryllium

^{de 1 mm}

d’6paisseur,

refroidie directement sur sa face arri6re par circulation d’eau

(debit

^{N 12}

litres/minute, pression

^{N 4}

kg/cm 2).

^{Des essais enectues avec des}

cibles semblables en

aluminium,

^{ont montre}

qu’il

etait

impossible,

^sous

peine

^{de percer}

rapidement

^la

cible,

d’utiliser le courant maximum de l’accelerateur.

Une

premiere

amelioration a consiste a

d6placer rapidement

le faisceau sur la cible au moyen d’une tension alternative de

quelques

^kilovolts

appliqu6e

a une

paire

^de

plaques

^de deflexion. La surface

d’echange

de chaleur est nettement

augment6e (environ

²

cm2)

^et le refroidissement am6lior6. II a

ainsi 6t6

possible,

^{au cours des}

experiences,

^d’en-

voyer ^sur la cible de

beryllium

^{un courant de deu-}

tons de 30

yA pendant plusieurs

dizaines d’heures Aucun essai

syst6matique

^{n’a ete fait} pour connaitre exactement le courant maximum utilisable.

Une seconde amelioration consisterait à doter la cible

d’ailettes,

augmentant ^ainsi

consid4rablement

la surface

d’6change

^{avec 1’eau de} refroidissement.

Un

essai,

^{effectu6 avec une cible}

d’aluminium,

^a

permis

^{de constater} 1’efficacit6 de cette amelioration.

Une cible de

beryllium

^dot6e d’ailettes soud6es est

actuellement en construction.

Le flux total de neutrons

rapides correspondant

a un courant de 30

yA

^de deutons de 4 MeV est

[5]

de l’ordre de

1,5

^{X 1011}

n/s.

Convoyeur pneumatique.

^{2013 Ce}

syst6me

permet de transférer en un temps ^{tres court} l’échantillon

irradi6,

^{de la source de neutrons a une} installation de mesure situee dans une salle voisine et vice versa.

Apr6s

^{transfert de} l’ échantillon

irradié,

^{les mesures}

(determination

^du spectre y, coincidences _y ^- _y, determination de la vie _moyenne d’un

niveau)

^sont

effeetuées

pendant

^un temps

r6glable T1, puis

1’echantillon est

renvoyé pres

^{de la source de neu-}

trons

pendant

^un temps

r6glable T2 :

^{il revient}

ensuite a l’installation de mesure et le

cycle

^se

poursuit automatiquement.

^Les temps

T 1

^et

T 2

sont determines _par des

horloges electromecaniques.

Le convoyeur ^est constitue

principalement

par ^un tube creux

d’aluminium,

de section

rectangulaire,

a l’int6rieur

duquel

^{circule -}

pouss6

par du gaz

carbonique

^sous

pression

^{- un}

porte-échantillon

^en

nylon

^contenant les substances 4 irradier. Le tube du convoyeur ^traverse diamétralement la cuve a eau.

Un

syst6me pneumatique

^de ralentissement permet d’arreter de

façon reproductible

^le

porte-échantillon

au centre de la cuve. 11 se trouve alors a environ 3 cm de la

cible,

^{en un}

point

^{ou le flux}

thermique

^est

maximum

[5].

^A 1’extr6mit6

oppos6e,

le tube du convoyeur ^se termine _par un boitier en

plexiglas.

Un

dispositif

^de

ralentissement, analogue

^au

prece-

dent,

permet d’arreter le

porte-échantillon

^exacte-

ment entre deux d6tecteurs _y faisant

partie

^{de l’ins-}

tallation de mesure. Un sas permet d’introduire ou

d’extraire le

porte-échantillon.

L’ensemble du con-

voyeur ^et de la source de neutrons est

represente

^de

fagon simplifi6e

^{sur la}

figure

^1.

Le

syst6me

^de ralentissement et d’arrat est

repre-

sent6

schématiquement

^{sur la}

figure

^2.

Lorsque

^le

porte-échantillon arrive,

^il

comprime

^{devant lui le}

gaz ^contenu dans 1’extremite du tube du _convoyeur.

FIG. 2. ^-

Dispositif

^de ralentissement.

Le tube ^« E ^»

(6chappement)

permet ^{a ce} gaz de

s’echapper librement,

^sans freiner l’ avance du porte-

echantillon, jusqu’au

^{moment ou celui-ci}

d6passe

^le

point

^{A. Le gaz}

carbonique propulseur peut

^alors

partiellement s’echapper

par le tube ^« E _», ce

qui

diminue la

pression

^{a 1’arriere du}

porte-echantillon,

tandis _que le _gaz

comprime

^ne peut

plus s’6chapper

que par le tube ^« F ^»

(fuite)

^{muni d’un tres}

petit

orifice

r6glable,

^ce

qui

augmente ^la

pression

^a

1’avant du

porte-échantillon.

^{Le tube « C. F. »}

(contre-flot),

^muni d’un robinet de

réglage,

permet

d’envoyer

^{du gaz sous}

pression

^a l’int6rieur du tube du convoyeur, ^ce

qui

augmente ^le

freinage

^{entre les}

points

^{A et B.}

Lorsque

^{les robinets des tubes « F »}

et ^« C. F. ^» sont correctement

réglés,

^le

porte-6chan-

tillon est tres efficacement freiné à

partir

^du

point

^A

et vient s’arrêter sans brutalite et sans rebond au

point C,

^{contre un} butoir de caoutchouc. Le tube

« D ^» est f erme

pendant

le ralentissement et I’arr6t.

Lors du

voyage

^{en sens}

inverse,

les tubes ^« E ^» et

« C. F. » sont f ermes et le tube ^« D ^»

permet

^1’arrivee du _gaz

carbonique propulseur.

L’ouverture et la fermeture des différents

tubes,

^{selon le sens de}

dépIacement

^du

porterechantillon,

^sont assures par 6 électro-vannes commandées _par les

horloges electromecaniques.

La distance entre le

point

d’irradiation et le

point

^{de mesure est de 6 metres.}

Lorsque

^la

pression

du gaz

propulseur

^{est de 1}

kg/CM2,

^le

temps

^n6ces- saire au

porte-échantillon

pour

parcourir

^{cette dis-}

tance est de l’ordre de

0,5

^s.

Installation de mesures. ^- Cette installation ^se compose de deux detecteurs y

(cristaux INA(TI)

^de

1,5 X 1 inch, photomultiplicateurs

⁵⁶

AVP), places,

de part ^{et d’autre du}

point

^{d’arriv6e du} porte-

echantillon,

^et d’une installation de coincidence comprenant ^un convertisseur

temps-amplitude (C.

^T.

A.)

^du

type

^« start-stop »

transistorisé,

enf erme dans une enceinte thermostat6e. Un

analy-

seur « Laben » à 512 ^canaux

complete

^{cette instal-}

lation. Une modification de cet

analyseur

permet ^de le faire fonctionner en « multi-échelles ^» a 1’aide de

sa propre

horloge

^{interne a} quartz. ^{La vitesse de}

balayage

peut ^{varier de 1}

canal Js

^{a 8192}

canaux/s.

11 est ainsi

possible

d’observer directement la courbe de d6croissance de 1’activite

produite

^{et de mesurer}

avec

precision

^la

p6riode

^{de cette activité.}

La stabilité au cours du temps des courbes de coincidence fournies par le C. T. A. s’est r6v6l6e satisfaisante. Par contre, ^{ces courbes se}

d6placent appréciablement

^{en fonction du taux de} comptage des d6tecteurs y.

ttude

de l’isom6re 179mBf. ^- Le niveau isom6-

rique

^{se d6sexcite} par deux rayonnements y ^{en cas-}

cade,

^{de 161 et 217}

keV,

^le

premier M3,

^{le deu-}

xi6me

E1, d’apres

les valeurs de leurs coefficient de conversion

[6].

^{Le schema} de niveaux corres-

pondant

^est

represente

^{sur la}

figure

^3a.

L’isom6re a 6t6

produit

par irradiation d’environ 10 _mg

d’oxyde

^{d hafnium}

(m6lange isotopique

^natu-

rel).

^{Le spectre y se} compose

principalement

^d’un

pic photo6lectrique correspondant

^{a un rayon-}

nement d’environ 215 keV et de la raie

XK

^de 1’hafnium. Le

pic photoélectrique correspondant

^au

rayonnement ^tres converti d’environ 160 keV est

pratiquement

^{invisible sur le} spectre direct. 11 est par ^contre clairement visible sur le spectre y en coincidence avec le rayonnement ^de 215 keV. La valeur du coefficient de conversion OCK du rayon- nement de 160 keV peut ^{etre dedulte de ce dernier}

spectre, apr6s

les corrections usuelles

Ce

résuItat,

^{en accord avec la valeur}

pr6c6dem-

ment d6termin6e

[6],

confirme le caractere M3 de la transition de 160 keV.

La

comparaison

^du spectre y direct et du spectre y

en coincidence avec le rayonnement ^{de 215 keV} permet seulement d’obtenir ^une limite

sup6rieure

^du

coefficient de conversion cxK du rayonnement ^de 215 keV.

Ce r6sultat _{n’est pas} en d6saccord avec les r6sul-

tats ant6rieurs

[6],

^{mais il est trop}

impr6cis

pour permettre ^une determination

unique

^{de la nature}

de la transition de 215 keV.

L’ensemble de l’ activité d6croit avec une

p6riode T 1/2

⁼⁼

18,4

s, ^en bon accord avec les determinations ant6rieures. Aucune activité de

p6riode plus longue

ou

plus

^{courte n’est}

produite

^en

quantite appreciable malgr6

l’utilisation du

m6lange isotopique

^naturel.

La vie moyenne du niveau interm6diaire de la cascade a 6t6 d6termin6e _par coincidence entre le rayonnement

XK

provenant ^de la conversion du rayonnement ^{de 160 keV et le} rayonnement ^de 215 keV. La

position

^des courbes de coincidence

depend

trop ^{du taux de} comptage pour

qu’il

^soit

possible

^de determiner la vie moyenne par la ^me- thode de

deplacement

du centroide

[7].

^{D’autre part,}

cette vie _moyenne est trop ^courte pour

pouvoir

^6tre

mesur6e directement a

partir

^{de la} pente ^{de la} courbe de coincidence. La m6thode du troisi6me

moment

[8], qui

^ne

depend

pas de la

position

^des

courbes de

coincidence,

mais seulement de la diffé-

rence de forme des courbes ^« prompte ^»,

P(t),

^et

« differee _)),

F(t),

^{a donc ete utilis6e. La}

p6riode

ainsi d6termin6e est :

Une autre m6thode

qui

^{consiste a} recomposer ^une courbe ^« différée ⁾⁾

artificielle,

^a

partir

^{de la courbe}

« prompte »

experimentale,

^en utilisant la relation

[9]

a ete

essay6e.

De nombreuses courbes ont 6t6

tracees, correspondant a

^des valeurs diff6rentes de la vie moyenne du

niveau,

^et

compar6es

^{a la courbe}

« différée ))

experimentale.

^{Le meilleur accord a 6t6}

obtenu pour

Les deux m6thodes fournissent donc des r6sultats tres peu différents. La valeur

adoptee

est en assez bon accord avec la

valeur,

r6cemment mesur6e par

Malmskog [10],

^{mais en}

desaccord avec la

valeur, T 1/2

⁼

1,55 =:t 0,15

ns, mesur6e par Lobner

[11]

^{et avec la}

valeur,

Tl/2

⁼

1,5

E--

0,15

ns, anciennement déterminée _par

260

l’un de nous

[3].

^{Dans ce dernier cas, des erreurs se}

sont r6v6l6es dans

1’analyse

des r6sultats

experi-

mentaux. D’une part ^{la m6thode de}

deplacement

^du

centroide n’aurait _{pas due} etre

utilis6e,

^{en raison des}

dépIacements

artificiels resultants de la

rapide

variation du taux de comptage, ^d’autre part ^une

erreur

num6rique

avait fausse le r6sultat de l’ana-

lyse

par la m6thode du troisi6me moment. Un calcul

correct

fournit,

^a

partir

^{de ces anciens r6sultats}

exp6rimentaux,

^{une valeur}

en bon accord avec les r6sultats actuels.

Etude

de Fisomeye 177mYb, ^- Le niveau isom6-

rique

^{se d6sexcite} par deux rayonnements y ^en

cascade,

^{de 228 et 104}

keV,

^le

premier M3,

^le

deuxi6me

E1, d’apres

les valeurs de leurs coefficients de conversion

[12].

Le schema de niveaux corres-

pondant

^est

repr6sent6

^{sur la}

figure

^3b.

L’isom6re a ete

produit

par irradiation d’environ 100 mg

d’oxyde d’ytterbium (m6lange isotopique naturel).

^Le spectre y ^se compose

principalement

^de

deux

pics photoelectriques correspondant a

^des

rayonnements d’environ 225 et 105 keV et de la raie

XK

^de

l’ytterbium.

L’ensemble de 1’activite decroit avec une

p6riode T 1/2

⁼

6,4

s, ^en bon accord

avec les determinations ant6rieures. Des activites

parasites,

⁴

p6riodes plus longues,

^ont pu ^etre attri- bu6es a la

desintegration

^des noyaux

et

En

changeant fr6quemment 1’6chantillon,

^{il a 6t6}

possible

d’etudier l’isom6re 177mYb sans etre

gene

par ^ces activites a

p6riodes longues:

La valeur du coefficient de conversion ocK du rayonnement ^{de 225 keV} peut ^etre

d6duite, apr6s

les corrections

d’usage,

^du spectre y ^en coincidence

avec le rayonnement ^{de 105 keV.}

Ce

résuItat,

^{en bon accord avec la valeur}

prece-

demment d6termin6e

[12],

^{confirme le caract6re M3}

de la transition de 225 keV.

La valeur du coefficient de conversion _OCK du rayonnement ^{de 105 keV} peut ^etre

deduite, apr6s

^les

corrections

d’usage,

^du spectre y ^en coincidence

avec le rayonnement ^{de 225 keV.}

Ce

résultat,

^en accord dans la limite des erreurs avec la valeur

pr6c6demment

d6termin6e

[12],

^con-

firme le caract6re El de la transition de 105 keV

(m6lange

^{M2 inf6rieur 4}

2,5 %).

La vie moyenne du niveau interm6diaire de la cascade a ete d6termin6e _par coincidence entre les

rayonnements ^{de 105 et 225 keV. La}

p6riode

^obtenue

en utilisant la m6thode du troisi6me moment

est peu diff6rente de celle obtenue en utilisant la m6thode de

« recomposition o

La valeur

adoptee

est en assez bon

accord,

dans la limite des _erreurs,

avec la

valeur, T 1/2

⁼

4,48 ± 0,08

ns, r6cemment mesur6e par

Malsmkog [10],

^{mais en d6saccord avec}

la

valeur, T 1/2

⁼

5 ± 0,4

ns,

publi6e

par Lobner

[11].

Probabilit6s des transitions El. ^- Dans le cadre d’une 6tude

g6n6rale

^des

probabilites

^{des transi-}

tions E1 dans les noyaux def ormes des terres

rares

[13], [14],

^{il est} int6ressant de comparer les

probabilités expérimentales

^des transitions E1 de 104 keV de 177MYb et de 215 keV de 179mHf aux

previsions th6oriques

^{du mod6le de}

Nilsson.

Les

probabilités expérimentales

^{ont ete calcul6es}

en utilisant les vies _moyennes d6termin6es au cours

du

present

^{travail et les} coefficient3 de conversion

FIG. 4. ^- Niveaux

9/2

-t-

(624) f 7/2

^-

(514).

theoriques

pour des transitions E1 pures. Le d6sac- cord entre ces

probabilités

^{et les}

probabilités

^th6o-

riques

^calcul6es

[14]

^a

partir

du mod6le de Nilsson peut ^Atre caracterise

indifferemment,

^soit par ^un facteur

d’interdiction, FN

⁼

PilssonIP(,xp

soit par

un facteur de

reduction,

RN ⁼

1l FN.

^{On a}

Pour le rayonnement ^{E1 de 321 keV de 177Hf}

qui correspond,

^{comme les} rayonnements ^{de 104 keV} de 117-Yb et de 215 keV de

179mHf,

^{4 une transition}

d’un neutron entre les niveaux

9/2

^.p

(624)

^et

7/2

^-

(514)

^de

Nilsson,

^{on a}

[14]

11 est

possible,

^{dans le cas}

precis

^{des deux niveaux}

de Nilss ,n consid6r6s

ici, d’expliquer quantitati-

vement la reduction des

probabilités expérimentales

par rapport ^aux

probabilités theoriques,

^{en tenant}

compte ^{de la force}

d’appariement

^des

nucl6ons, negligee

^{dans le mod6le de Nilsson. Cette force} pro- duit une reduction de la

probabilite

^{de transition}

qui

peut ^etre caract6ris6e par ^un facteur de r6duc- tion R. La courbe de la

figure

⁴

repr6sente

^{la varia-}

tion,

^{en fonction} du nombre N de neutrons, ^{de ce} facteur

R,

^calcul6

[14]

^{en utilisant une force cons-}

tante. Les valeurs du facteur de reduction

experi-

mentul

RN

^sont

egalement indiqu6es

^{sur cette}

figure. ^Etant

^{donne la}

simplicite

^du mod6le utilise pour calculer

.R,1’accord

peut ^{etre considere comme} bon. Les r6sultats

experimentaux

^sont

cependant

trop peu nombreux _pour

qu’il

^soit

possible

^{d’afI’ir-}

mer que ^cet accord n’est pas fortuit. 11 est souhai- table _que de nouvelles mesures soient enectuees dans des _noyaux voisins de ceux 6tudi6s

ici, particu-

lièrement _pour N ⁼ 103 et 105.

Nous tenons a remercier ici le bureau d’6tudes pour ^sa collaboration lors de la

conception

^{et de la}

realisation du convoyeur

pneumatique, 1’equipe technique

^de l’accélérateur Van de Graaff _pour son

aide constante et efficace lors de la mise en

place

^de

1’ensemble de l’installation et au cours des essais

techniques

^{et des}

expériencesr

^{ainsi que les nom-}

breux autres collaborateurs du

laboratoire,

^sans

lesquels

^ce travail n’aurait pu ^etre mene a bien.

Manuscrit _recu le 22 decembre 1965.

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