SPECTROSCOPIE DES RAYONS GAMMA EMIS DANS LES REACTIONS NUCLEAIRES

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SPECTROSCOPIE DES RAYONS GAMMA EMIS DANS LES REACTIONS NUCLEAIRES

A. Knipper

To cite this version:

A. Knipper. SPECTROSCOPIE DES RAYONS GAMMA EMIS DANS LES REACTIONS NUCLE- AIRES. Journal de Physique Colloques, 1970, 31 (C2), pp.C2-19-C2-23. �10.1051/jphyscol:1970202�.

�jpa-00213759�

(2)

SPECTROSCOPIE DES RAYONS GAMMA EMIS DANS LES REACTIONS NUCLEAIRES A. KNIPPER

L a b o r a t o i r e de Physique Nucl6aire e t de Physique des P a r t i c u l e s C e n t r e de R e c h e r c h e s Nucl6aires

-

Strasbourg-Cronenbourg 1. Introduction

Quatre communications, t r k s originales, [ l l B c e t t e conference abordent l'ktude d e s mk- c a n i s m e s de reaction de c a p t u r e e t de diffusion inklastique p a r l'observation des rayons Y ; d'au- t r e s communications sont d ' o r d r e purement spec- troscopique.

Beaucoup d'ktudes de m 6 c a n i s m e s de reaction sont conduites de fason b f o u r n i r des in- formations spectroscopiques s u r l e s ktats finaux d e s rkactions. I1 nous p a r a i t de c e f a i t i m p o r t a n t de d i s c u t e r l e s expkriences b a s k e s s u r l'observation des rayons y de rkactions n u c l k a i r e s , me

-

nees de fagon

B

Etre indkpendantes du mkcanisme des rkactions, m a i s f o u r n i s s a n t d e s renseigne

-

ments d'une grande valeur

B

l a spectroscopie nu- c l k a i r e .

Deux r a i s o n s militent en faveur de t e l l e s expkriences :

-

l e s progr'es s p e c t a c u l a i r e s dans la technique d e s dktecteurs a u germanium ;

-

l a sCret6 des renseignements fournis, qui sont indkpendants d e s mod'eles, e t l e s o p k r a t e u r s de transition ktant tr'es bien connus, qui p e r m e t t e n t des contrbles tr'es fins des fonctions d'onde des niveaux. L e s r e s u l t a t s l e s plus i n t d r e s s a n t s s e p r k s e n t e r o n t comme d e s dlements de m a t r i c e de transition : l a r g e u r de niveaux ou vie moyenne absolue, l a r g e u r s r e l a t i v e s ou r a p p o r t s d ' e m

-

branchement donnks p a r l a spectroscopie, coef- f i c i e n t s de melange trouv6s e n g6nkral p a r l a m e - thode des c o r r k l a t i o n s angulaires. Cependant, dans c e r t a i n s c a s , i l e s t n k c e s s a i r e de pre'ciser l e moment angulaire ou l a paritk de niveaux.

L a m a t i k r e discut6e plus loin r e p r k s e n t e un choix a s s e z a r b i t r a i r e de mkthodes e t d e r k - s u l t a t s experimentaux, l a i s s a n t de cbte d e s s u j e t s

i m p o r t a n t s tels que l'ktude des c a p t u r e s r a d i a - tives dans l a rksonance g6ante ou l'ktude des resonances i s o b a r i q u e s analogues.

2. s p e c t r o s c o p i e avec des d k t e c t e u r s Ge(Li) L e s compteurs B scintillations kquipks de c r i s t a u x NaI(T1) survivent dans c e r t a i n e s applications ( m e s u r e s en cofncidences, rayons y tr'es 6nergiques), m a i s dans beaucoup de situations l e s dktecteurs a u germanium s'imposent, avec une amklioration en rdsolution s ' e x p r i m a n t p a r un facteur 15 B 20.

L e r a p p o r t signal/bruit e s t amkliork dans l e mSme r a p p o r t (kventuellement plus,en jouant s u r l e s dimensions du detecteur). Ceci e s t p a r - ticuli'erement utile pour 1'6tude d e s e'v'enements r a r e s e t pour l a separation de lignes rapprochkes.

Cet avantage d i s p a r a i t s i l'un des niveaux r e l i k s p a r l a transition e s t large.

L a t a i l l e des d k t e c t e u r s utilisables e t l e u r homogknkitk c r o i t rkguli'erement, e t p e r m e t p a r exemple une r6solution de 10 keV pour d e s rayons de 10 MeV ( a l o r s qu'b 2

-

3 MeV l a r 6 s o - lution e s t infkrieure B 3 keV pour un dktecteur de 51 c c , n'utilisant pas de prkamplificateur refroi- di I21 ). De nombreux l a b o r a t o i r e s amkliorent des m e s u r e s d16nergie e t d'intensitbs r e l a t i v e s de lignes, c e qui facilite l e c a l i b r a g e en 6nergie e t e n efficacitk des dktecteurs. Des m e s u r e s d16nergie

B

0 , l keV pr'es sont courantes e t p e r - mettent de s i t u e r l e s niveaux excites avec une prkcision s u p k r i e u r e

B

l'analyse magnktique d e s groupes de particules ; des applications ^?l a m e - ⁱ s u r e p r k c i s e de differences de m a s s e ont 6t6 dk- c r i t e s r k c e m m e n t [3)

.

L e s m e s u r e s e n coihcidences, quoique dklicates, e n t r e n t dans l a pratique. Une amklio-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1970202

(3)

C2-20 A. KNIPPER

ration d l u n facteur I 0 s u r le t e m p s de r6solution peut d t r e esp6ri.e grZce B l l a n a l y s e de f o r m e des signaux.

3 . M e s u r e s d i r e c t e s de vie moyenne

I1 existe une gamme de m6thodes de m e

-

s u r e s d i r e c t e s , a s s e z bien connues, couvrant l e

-14 -6

domaine 10 s B 10 s :

-

L a m6thode 6lectronique des cofncidences dif- f 6 r 6 e s (difficile en-dessous de 10 -10 s ) .

-

L a m6thode de pulsation en hyperfre'quences

l41,

dont l e principe e s t analogue & l a prdcbden- t e ; e l l e r e q u i e r t d e s klectrons de conversion in- t e r n e e t couvre l a gamme 20 & 200 ps (ou 3 & 30 ps dans une analyse des c e n t r e s de gravit6).

-

L'atte'nuation de l'effet Doppler dans un r a l e n - t i s s e u r solide ou gazeux ( l e temps de r a l e n t i s s e - m e n t p o u r r a i t d t r e m e s u r 6 avec des ions lourds).

-

L a m6thode du p a r c o u r s du r e c u l par o b s e r v a - tion de l'effet Doppler 5

,

applicable e n t r e 1 ps

e t 1 ns.

I I

Une m6thode nouvelle, applicable e n t r e I 0 ps e t 1 ns pour d e s transitions c o n v e r t i e s , a 6t6 ddvelopp6e en collaboration p a r un groupe de Rehovoth e t un groupe de S t r a s b o u r g [63

.

^{E l l e}

m e s u r e l e p a r c o u r s du r e c u l p a r l e gain acquis p a r des e'lectrons de conversion dans un champ 6lectrique statique : une g r i l l e portke a u poten- tie1 V e s t placke & kgale distance D de l a cible et d'une a u t r e g r i l l e , toutes deux B l a m a s s e ; une lentille ne l a i s s e p a r v e n i r a u detecteur de s i l i

-

cium que l e s Blectrons d'une c e r t a i n e gamme. Si x e s t l a distance traverse'e p a r l e r e c u l avant e'mission, l'e'lectron de conversion subit une va- riation d16nergie eV. X/D. Une analyse de l a f o r - m e de l a ligne de conversion donne a i n s i l a vie moyenne. Cette m6thode peut d t r e i n t e r e s s a n t e aux tandems, pour l e s t r a n s i t i o n s de b a s s e bner- gie e t des noyaux a s s e z lourds.

4. Distributions e t c o r r 6 l a t i o n s angulaires de rayons y

L'6tat d l u n niveau Y 6mettant d e s rayons y peut 6 t r e d 6 c r i t p a r l e s t e n s e u r s s t a t i s t i q u e s

f' ( Y Y ' ) qulune connaissance exacte du m6ca- k lc

n i s m e de l a rkaction c r d a n t l e niveau Y p e r m e t de calculer. C 1 e s t l e c a s des rkactions rksonan

-

t e s 171

,

de l'excitation coulombienne [8] , de c e r t a i n e s reactions ( p , n ) [9] e t de c e r t a i n e s r 6 - actions d i r e c t e s [lo, 11)

.

S'il n l y a pas d ' i n t e r - f6rence e n t r e niveaux de parit6 oppos6e e t s i l'on n'observe pas l a polarisation c i r c u l a i r e [12]

des rayons y , seules l e s composantes tensoriel- l e s ayant ^{) C =}0 e t k p a i r , positif ou nul, sont diff6rentes de ze'ro.

Nous t r a i t o n s c e s expgriences dans l ' e s - p r i t de Litherland e t F e r g u s o n [13] : l e s ten

-

s e u r s statistiques fk(Y) ou l e s populations P(M ) des sous-niveaux magn6tiques de Y qui

Y

sont relie's line'airement [14] :

I

sont t r a i t 6 s comme d e s param'etres 3 d6duire de 11exp8rience. L16quivalence des sous-niveaux t

-

My conduit & l a notion d'alignement nucl6aire e t rdduit l e nombre de populations 5 d 6 t e r m i n e r (compte-tenu a u s s i de l e u r normalisation).

P l u s i e u r s c a s sont B envisager :

4. 1. L a syme'trie cylindrique re'sultant de l a c a p t u r e du projectile x domine l e probl'eme.

C ' e s t l e c a s d e s c a p t u r e s r a d i a t i v e s

X t x 3 Y ; Y + Z t y (2a)

e t dans l e s r6actions :

X t x i r Y t y ; Y - r Z t y (2b) s i l a particule y e s t inobservbe, ou encore s i e l l e e s t d6tect6e dans l l a x e du faisceau, b

o0

ou 180' (M6thode I1 de Litherland e t Ferguson, no- t6e L F 11). L a fonction de distribution ou de c o r - re'lation s e dkveloppe de fafon naturelle

en polynames de Legendre d i r e c t s :

W(O) =

q .

Ak. ~ ~ ( c o s O ) ; k p a i r 2 0 ( 3 )

Ak = y k ( y )

.

F k ( v ) (4)

oh le deuxi'eme facteur 1141 d 6 c r i t 116mission e'lectromagne'tique e t de'pend explicitement des moments angulaires des niveaux e t de l a r a d i a - tion. L a d6pendance d e s spins J e t J e s t tr'es

Y

z

marqu6e. Si l a transition 6lectromagn6tique e s t

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SPECTROSCOPIE DES RAYONS GAMMA EMIS DANS LES REACTIONS NZTCLEAIRES C2-2 1

mklange'e, l e s coefficients F ( y ) sont des fonc _k

-

tions quadratiques compl'etes du coefficient de melange

&

= < L ' )

/

^<L) (5)

de ,la radiation. D i v e r s e s mkthode s sont utilisables pour d e t e r m i n e r l e s spins e t l e coefficient de melange inconnus. L a plus courante consiste b ktudier l e s minima de l ' e x p r e s s i o n comparant l e s v a l e u r s e x p e r i m e n t a l e s e t l e s v a l e u r s calcu- l e e s p a r l'e'quation (4) :

en fonction de

&

^;kventuellement, l e s param'e

-

t r e s de population sont d ' a b o r d calculks p a r moindres c a r r k s .

Dans l a c a p t u r e radiative, l e moment angulaire L du projectile e s t perpendiculaire b s a

X

direction de propagation. Ainsi, dans 2 8 ~ i

+

p, oh l e spin J du noyau-cible e s t nul, s e u l s l e s

X sous-niveaux

My =

f

1/2 (7')

des niveaux Y (dans l e 2 9 ~ ) sont peuplks: l ' a l i - gnement obtenu e s t consid6rable e t l e t e n s e u r

f 2 ( Y ) e s t voisin de -1 pour tout spin J y >,3/2.

Dans l a mkthode L F 11, un raisonnement analo

-

gue m o n t r e que

lhiiyl

\(

J X + J x + J _Y

.

⁽⁸⁾

Ainsi, dans la' reaction 2 6 Mg ( t , a ) 2 5 ~ a ktudike dans ce l a b o r a t o i r e l15]

,

s e u l s l e s sous-niveaux 1/2 sont peuples, a l o r s que dans l a rkaction 2 4 Mg (d, p) 5 ~ l e s sous-niveaux 1 /2 e t 3 / 2 g sont atteints (E param'etre de population incon- nu).

L'existence dlune transition kiectroma

-

gnktique inobserv6e ne modifie pas l a s y m k t r i e axiale e t i l suffit de r e m p l a c e r (4) p a r

A k = Yk(y)

.

^Uk(y

.

^Fk(y2) ⁽⁹⁾

oh l e f a c t e u r supplkmentaire f14], ne contenant pas de t e r m e d ' i n t e r f k r e n c e , t r a d u i t l a t r a n s m i s - sion de l'alignement nuclkaire par l e couplage des moments angulaires.

4. 2. L a distribution angulaire de l a p o l a r i s a t i o n plane de rayons y e s t intimement like b l a d i s - tribution angulaire de 11intensit6. E l l e e s t cependant sensible 2 l a paritk de l a radiation e t depend de facon diffkrente du coefficient de m k - lange

6 .

C 1 e s t donc une mkthode d'appoint tr'es i n t k r e s s a n t e , qui p e r m e t de l e v e r d e s ambigui- tks, spkcialement s i l a valeur du spin J y ( p a r exemple J = 3/2) l i m i t e l'information. E n plus

Y

des polarim'etres anciens b p l u s i e u r s compteurs b scintillation, un polarim'etre semi-conduc

-

t e u r e s t B l ' e s s a i B S t r a s b o u r g [2]

.

4. 3 . Dans l e s c o r r k l a t i o n s angulaires y -y avec niveau initial Y alignk :

X S x + Y

+

y ; Y - * Z 1 t y ;

z1+z2+

^y2 ⁽¹⁰⁾

l a p a r t i c u l e y n ' e s t pas observe'e, m a i s l a d i r e c - tion du faisceau k e t l e s directions d16mission -*

X -*

des deux rayons,

pl

e t k2

,

n e sont pas n 6 c e s - s a i r e m e n t coplanaire s. L a fonc tion de c o r r k l a - tion angulaire dkpendra de t r o i s a r g u m e n t s an- g u l a i r e s ; elle s ' e x p r i m e & l'aide d e s t e n s e u r s s t a t i s t i q u e s ?k(Y) ou d e s populations P(M ) e t

Y s e dkveloppe en t e n s e u r s de Fano (donc e n poly- n6mes de Legendre a s s o c i e s ) :

KMN (11)

L e s coefficients B sont une f o r m e biquadratique des coefficients de me'lange

6

₁e t

d

₂^;^{i l s dk}

-

pendent d e s moments a n g u l a i r e s d e l a premi'ere transition ( p a r un coefficient 9-j) e t de l a .deuxi'eme t r a n s i t i o n ( p a r un coefficient 6-j).

L a fonction (1 1 ) contient beaucoup d'in- f o r m a t i o n s s i l e niveau initial e s t fortement alignk. I1 faut donc beaucoup de me s u r e s pour l a de'terminer enti'erement ; l a solution actuelle consiste & u t i l i s e r simultankment plusieurs dk- t e c t e u r s , m i s en coihcidence deux b deux 1161

.

Dans l a me'thode I (notke L F I) de L i t h e r - land e t F e r g u s o n p 3 ]

,

l e s v a l e u r s oO, 90' ou 180 sont a t t r i b u g e s 0 B deux d e s t r o i s a r g u m e n t s a n g u l a i r e s , dkfinissant sept "gkome'tries" d i s - tincte s.

(5)

A . KNIPPER

L e s r k s u l t a t s expkrimentaux sont a n a l y s e s p a r un prockd6 analogue B celui discutk pour l 1 k - quation (6), sauf que l'on t i e n t compte d e s corrB- l a t i o n s e n t r e l e s e r r e u r s de c e r t a i n e s donnees, e t que l'on f a i t un "quadrillage" bidimensionnel s u r 1es coefficients d e mklange e t

4.

5. Discussion de quelque s exemples 5.1. Niveaux du 2 9 ~ :

Ce noyau a kt6 ktudik p a r l a c a p t u r e r a

-

diative de protons s u r l e 2 8 ~ i . P l u s i e u r s r k s o - nances ont e'tk ktudie'es ; l e s rayons y kmis ont 6tk identifies B l'aide de d e t e c t e u r s Ge(Li) e t l e u r s knergies, intensitks, distributions e t c o r - r e l a t i o n s angulaires ( t r k s prononckes), ont 6tk m e s u r k e s . Un schkma de dksintkgration a kt6 obtenu e t l e spin de quatre niveaux excites a pQ S t r e fix6. Des m e s u r e s d e vie moyenne ont kt6 f a i t e s dans l a rkaction 2 8 ~ i ( d , n ) 2 9 ~ e t l e s coefficients de mklange de p l u s i e u r s transitions M1

+

E2 ont kt6 dkduits de l a c a p t u r e radiative. L e s p r o p r i k t k s klectromagnktiques sont t r k s a n o r m a - l e s p a r r a p p o r t b l a v e r s i o n l a plus s i m p l e du mod'ele en couches e t l'accumulation d e s r k s u l - t a t s p e r m e t t r a une comparaison detaillke avec d i v e r s mod'eles [17]

.

5. 2. Corr6lations particules-y pour l e niveau B 7 , 0 3 MeV dans 14N :

Une ktude spectrographique complkte des niveaux e t des transitions k l e ~ t r o m a g n k t i ~ u e s dans 14N a Bt6 e n t r e p r i s e 1 S t r a s b o u r g dans l a

1 2 3

reaction C ( H e , p ) 1 4 ~ . Un effet tout 2 f a i t r e m a r q u a b l e a kt6 trouve pour l e niveau B 7, 03 MeV : l a section efficace totale prksente, comme pour l e s a u t r e s n i v e a w , d e s effets rksonants t r & s m a r q u k s , indiquant d e s niveaux de configuration simple (particule

+

coeur 14N excitk) dans l a r6gion de 17 1 23 MeV dans ''0 ; cependant l a courbe d'excitation des sous -niveaux 0 e t 1 p r k s e n t e des r e s o n a n c e s t r k s diffkrentes e t une c o r r k l a t i o n systematique e s t trouvke e n t r e l e s rksonances du sous-niveau 1 e t un pic aux grands angles dans l a distribution angulaire d e s protons.

L e mkcanisme detail14 n ' e s t pas e n c o r e bien

c o m p r i s [lg]

.

5.3. S t r u c t u r e d e s niveaux dans 60 :

Des travaux plus anciens de d i v e r s a u

-

t e u r s ont prkcisk l a s t r u c t u r e p a r t i c u l e - t r o u pour N = 1, 2, 3, 4 e t 8 de nombreux niveaux de

1 6 0 , notamment p a r l a m i s e e n evidence de ban- d e s rationnelles, e t a kt6 confirmke p a r l l o b s e p - vation d e s modes de dksexcitation klectromagnktiques. C e s donnkes s e r v e n t de point d'appui pour d l a u t r e s Btudes [19]

.

1 5

P l u s i e u r s r e s o n a n c e s dans N (p, y ) ''0 ont e't6 ktudikes 1 l'aide d'une cible gazeuse. L e s transitions v e r s l e s niveaux B 6 , 13 7, 12 e t 8 , 8 8 MeV ont kt6 o b s e r v k e s , en p a r t i c u l i e r des t r a n - sitions M1 non r a l e n t i e s . L e spin des niveaux rksonants a Btk dktermink par d e s r r e s u r e s de distribution angulaire ; l a puretk des t r a n s i t i o n s MI de c a s c a d e a ktk ktablie p a r des c o r r k l a t i o n s angulaires y

-

^y

.

L a configuration s i m p l e , 1 p l t , d e s niveaux T = 1 a u voisinage de 13 MeV e s t a i n s i confirmke.

L e mklange d e s niveaux 1- T = 0 b 12437 keV e t 1- T = 1 B 13088 keV a kt6 p r k c i s 6 p a r une ktude fine des transitions k l e ~ t r o m a g n k t i ~ u e s v e r s l ' k t a t fondamental, l e niveau 0' B 6052 keV e t l e niveau 1- T = 0 B 7117 keV. L e s intensitks e t l e s distributions angulaires ont kt6 me surges.

L'interfkrence des deux niveaux a kt6 d k c r i t e p a r une formule 5 deux niveaux de Mahaux en m e s u r a n t l e s sections efficaces pour 15 _N(p, y o ) 1 6 0 e t 1 2 c ( a , y o ) 1 6 0 e t en utilisant l e s r k s u l -

15 12

t a t s publies de Hebbard pour N (p, a o) C. Un me'lange de l ' o r d r e de 20 '$ e s t n k c e s s a i r e .

Une Btude du mklange d e s configurations l p l t e t 3p3t des niveaux 1 - T = 0 5 7117 keV et 9614 keV a ktk faite en m e s u r a n t l e s transitions d e s ktats l p l t B 12798 keV (0- T = I ) e t 5 13088 keV (1- T = 1) ; dans l e s d e w c a s une transition M1 f o r t e v e r s l e niveau B 7117 keV a 6tk o b s e r - vBe a l o r s que la t r a n s i t i o n v e r s l e niveau 1 ₉₆₁₄ keV e s t absente (une l i m i t e tr'es petite a kt6 trouvke en r e c h e r c h a n t l e s c o h c i d e n c e s 12 C

+

^u

plutdt que.les rayons y d i r e c t s ) .

(6)

SPECTROSCOPIE DES RAYONS GAMMA EMIS DANS LES REACTIONS NUCLEAIRES C2-23

R e m e r c i e m e n t s . L ' a u t e u r tient B r e m e r c i e r de t 8 ] F. H a a s , B. Heusch, A. Gallmann e t nombreux coll'egues pour d'utiles d i s c u s s i o n s , D. A. B r o m l e y , B p a r a i t r e dans Phys.

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B

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