RÉACTIONS INDUITES PAR IONS LOURDS ET SPECTROSCOPIE DES NOYAUX LÉGERS

(1)

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RÉACTIONS INDUITES PAR IONS LOURDS ET

SPECTROSCOPIE DES NOYAUX LÉGERS

F. Haas

To cite this version:

F. Haas.

RÉACTIONS INDUITES PAR IONS LOURDS ET SPECTROSCOPIE DES

NOYAUX LÉGERS. Journal de Physique Colloques,

1978,

39 (C3),

pp.C3-148-C3-153.

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RÉACTIONS INDUITES PAR IONS LOURDS ET SPECTROSCOPIE DES NOYAUX

LÉGERS

F . H A A S

C e n t r e d e R e c h e r c h e s N u c l é a i r e s , 67037 S t r a s b o u r g C e d e x , F r a n c e

Résumé. — Quelques aspects de la contribution des réactions induites par ions lourds à la spectroscopie des noyaux légers (A s 60) sont présentés. Les transferts de grands moments angulaires favorisent l'observation de niveaux de hauts spins. Cette observation est liée à ia sélectivité qui, pour les réactions avec évaporation d'une particule chargée, peut être évaluée d'après le modèle de la collision d'effleurement. Un grand nombre de nouveaux niveaux de hauts spins a été observé dans les réactions de fusion-évaporation associées aux méthodes classiques de la spectroscopie y. Dans les réactions par ions lourds, les noyaux de recul sont produits à vitesse élevée ce qui permet les mesures de certaines de leurs propriétés statiques et dynamiques.

Abstract. — Some aspects of the contribution of the heavy ion induced reactions to the spectroscopy of light nuclei ( A s 60) are presented. The transfer of large angular momenta favours the excitation of high spin states. This excitation is related to the selectivity which, for a one particle evaporation reaction, can be estimated with the grazing collision picture. The combination of heavy ion fusion-evaporation reactions and -y-ray spectroscopy has led to the observation of a large number of new high spin states. The large recoil velocity of the residual nuclei in heavy ion reactions allows precise measurements of some of their static and dynamic properties.

1 . I n t r o d u c t i o n . — L e s d e u x c a r a c t é r i s t i q u e s prin-cipales d e s r é a c t i o n s induites p a r ions l o u r d s s o n t les t r a n s f e r t s d e m o m e n t s angulaires e t d e m o m e n t s linéaires i m p o r t a n t s . C e s d e u x p r o p r i é t é s font l'objet d e cet e x p o s é e t s o n t utilisées e n s p e c t r o s c o -p i e nucléaire d e s n o y a u x légers -p o u r m e t t r e en é v i d e n c e d e s n i v e a u x d e h a u t s spins e t m e s u r e r certaines p r o p r i é t é s statiques e t d y n a m i q u e s d e ces n o y a u x . L ' i m p o r t a n c e d e s n i v e a u x d e h a u t s spins s e r a d é m o n t r é e d a n s le cas d e s i s o t o p e s N e e t N a de m a s s e s c o m p r i s e s e n t r e 20 e t 24.

2. Réactions p a r noyau composé et niveaux de h a u t s spins. — L e m é c a n i s m e d e s r é a c t i o n s c o n s i d é -r é e s e s t celui d u n o y a u c o m p o s é . L e s -r é a c t i o n s a v e c émission d ' u n e seule p a r t i c u l e c h a r g é e s e limitent a u c a s d e s n o y a u x c o m p o s é s d e m a s s e s inférieures ou égales à 40. L ' i m p o r t a n c e d e ces r é a c t i o n s p o u r la s p e c t r o s c o p i e d e s h a u t s spins d a n s les n o y a u x légers a é t é d é m o n t r é e d a n s u n e série d e t r a v a u x p u b l i é s p a r K l a p d o r et al. [1-5]. L a sélectivité d ' u n e r é a c t i o n p o u r l ' a l i m e n t a t i o n d e h a u t s s p i n s p e u t ê t r e e s t i m é e à p a r t i r d ' a r g u m e n t s simples b a s é s sur la collision d ' e f f l e u r e m e n t [3]. D a n s c h a q u e n o y a u r é s i d u e l , seuls les états situés à l'intérieur o u p r è s de la c o u r b e définie p a r le couplage vectoriel d e s m o m e n t s angu-laires d ' e f f l e u r e m e n t d a n s les voies d ' e n t r é e e t de s o r t i e , s e r o n t a l i m e n t é s a v e c u n e section efficace a p p r é c i a b l e . L a sélectivité s e r a d ' a u t a n t p l u s g r a n d e q u e le r e c o u v r e m e n t e n t r e c e t t e c o u r b e e t la ligne

Y r a s t s e r a p e t i t . L a figure 1, tirée d e la r é f é r e n c e [ 3 ] , illustre les p r é d i c t i o n s d e sélectivité p o u r les r é a c t i o n s 10B(14N, a) 2 0Ne e t 10B(12C, d) 2 0Ne

FIG. 1. — Prédictions par le modèle de la collision d'effleurement de la sélectivité des niveaux de hauts spins dans les réactions ,0B(,2C, d)20Ne et 10B('4N, a)20Ne. Cette figure est tirée de la

référence [3],

(3)

IONS LOURDS ET SPECTROSCOPIE C3-149 à partir du modèle de la collision d'effleurement.

D'après cette figure, une grande partie du flux alimentera les hauts spins produits par la réaction 1oB(12C, d) 20Ne alors que pour la réaction loB(l4N, a ) 20Ne, il n'y aura pas de sélectivité. Les spectres expérimentaux mesurés pour ces deux réactions sont en excellent accord avec ces prédictions [3]. La sélectivité dépend de façon criti-

que du bilan de la réaction et de la masse de la particule sortante. Le modèle de la collision d'effleurement est une méthode très approximative qui permet cependant une présélection rapide des réactions induites par ions lourds dans la recherche des niveaux de spin élevé. Dans une réaction sélec- tive, les spins des niveaux fortement alimentés peuvent être estimés en comparant les sections efficaces observées aux sections efficaces calculées par la méthode Hauser-Feshbach. Les valeurs de spin obtenues dépendent du mécanisme de la réac- tion et ne sont pas à considérer comme des attributions définitives.

Parmi les réactions avec évaporation de plusieurs particules, il faut mentionner les systèmes 12C

+

12C et 12C

+

1 6 0 qui ont toujours joué un rôle spécial dans

la physique des réactions induites par ions lourds. Les réactions qui ont été étudiées sont les suivantes :

12C(12C, a l ) 'ONe*(a2) 1 6 0 [ ] et

vés dans ces réactions sont complexes et correspondent, en général, à la production d'une dizaine de noyaux. La complexité des spectres nécessite un choix adéquat de la réaction et de l'énergie de bombardement pour obtenir une excitation sélective de niveaux à hauts spins dans le noyau résiduel étudié. Ce choix peut être basé sur les prédictions d'un modèle d'évaporation ou celles du modèle simple de la collision d'effleurement [IO]. Les tech- niques expérimentales utilisées reposent sur les méthodes classiques de la spectroscopie y. Dans une première étape, on localise les niveaux de hauts spins en mesurant les fonctions d'excitation des différents rayonnements y ainsi que des spectres de coïncidence y- y. Ces deux mesures permettent, en général, l'établissement des schémas de désexcita- tion dans les différents noyaux résiduels. Dans l'étape suivante, on essaie de déterminer les spins et les parités de ces niveaux à partir de mesures de distributions angulaires et de polarisations linéaires des rayonnements y. Les distributions angulaires dépendent du mécanisme de formation du niveau étudié ainsi que des facteurs géométriques décrivant la transition électromagnétique proprement dite. Les problèmes posés par ces deux paramètres dans l'analyse des distributions, sont discutés dans les références [ I l , 121. La détermination fïnale de

J"

doit être indépendante de tout modèle et satisfaire au critère d'une probabilité supérieure à 99,9 %. La probabilité est obtenue par une analyse en

2

de toutes les mesures expérimentales. Les étapes d'une Les particules a l ont été observées à 0° et les

telle analyse sont décrites dans un article récent du distributions angulaires des particules a 2 , en coïnci-

groupe de Utrecht [l3]. Pour illustrer la situation

dence avec a l ou, éventuellement, avec a l et les

actuelle de l'étude spectroscopique des niveaux rayonnements y vers le niveau fondamental du

Yrast dans les noyaux légers, nous avons fait une noyau résiduel [8, 91, ont permis la détermination

d'un grand nombre de hauts spins pour des niveaux de 20Ne et "Mg situés dans le continuum. Très peu d'expériences de corrélations angulaires particule- particule sont reportées dans la littérature. Il est à

souhaiter que la nouvelle génération de spectromè- tres magnétiques qui associent résolution et effica- cité de détection, permette la réalisation d'autres mesures de ce type.

Les réactions de fusion-évaporation avec émis- sion de plusieurs particules sont actuellement le principal outil de travail dans l'étude spectroscopique des niveaux de hauts spins dans les noyaux légers de masse A

s

60. Les caractéristiques de ces

réactions sont les suivantes :

a) les sections efficaces sont importantes, b) de grands moments angulaires sont transférés aux noyaux résiduels qui sont produits dans des états de hauts spins : niveaux Yrast ou niveaux situés près de la ligne Yrast,

c) les noyaux résiduels sont fortement alignés. Cependant, dans cette région de masse, l'émission de particules chargées légères est en compétition

(4)

pour les noyaux pair-pair, avec

N =

2, de masses comprises entre 16 et 60. Les schémas de désexcita- tion de ces noyaux sont représentés sur la figure 2 et l'on remarque que pour les hauts spins avec J a 6, il y a très peu d'attributions définitives. Dans la plupart des cas, la ligne Yrast correspond à la bande de rotation basée sur le niveau fondamental excepté pour les noyaux à couches fermées 1 6 0 et 40Ca. Cette

figure suggère quelques commentaires : les noyaux qui présentent les structures en bande de rotation les plus marquées sont ceux de la couche s-d : 20Ne, "Mg et 28Si ; le premier état J"= 8+ dans 24Mg n'appartient pas à la bande de rotation basée sur le niveau fondamental ; le cas du noyau 52Fe est très spécial, pour ce noyau les calculs théoriques prédi- sent que l'énergie d'excitation de l'état JT = 10+ est supérieure à celle de l'état 3" = 12'. Expérimentale- ment, il a été trouvé que l'état J" = 12+ se désintègre par /3+ au noyau 52Mn. Les réactions induites par ions lourds n'ont pas permis de localiser les niveaux

J"

= 6+ et 8+, en effet, dans ces réactions la cascade le long de la ligne Yrast est bloquée au niveau

J" = 12+ [14].

3. Réactions par ions lourds et propriétés statiques

et dynamiques des noyaux légers.

-

Une autre caractéristique importante des réactions induites par ions lourds est le transfert d'un grand moment linéaire. Les produits de la réaction sortent pratique- ment sur l'axe du faisceau avec des vitesses de l'ordre de 5 % de la vitesse de la lumière. Ces conditions expérimentales favorisent les mesures précises de certaines propriétés statiques et dynamiques des noyaux légers. Nous allons décrire briève- ment quelques unes de ces mesures pour démontrer l'importance des vitesses de recul élevées.

3.1 MESURES DE MOMENTS MAGNÉTIQUES.

-

La méthode décrite est celle du recul dans le vide. Elle est basée sur le très grand champ magnétique exercé sur le noyau par les électrons des couches internes. Les noyaux de recul sont produits à grande vitesse et sont fortement épluchés en traversant la cible mince.

A la sortie de cette cible, les noyaux entrent dans le vide et une fraction importante des ions se trouve dans un état qui correspond à celui d'un électron du type 1s. Le champ hyperfin résultant provoque une précession du spin des noyaux qui se répercute sur l'anisotropie des rayonnements y émis. Après une période complète de précession, les noyaux retrou- vent leur alignement initial, il en est de même pour l'anisotropie. L'analyse de l'oscillation de l'anisotropie en fonction du temps, observée à l'aide de la méthode du parcours de recul avec le stoppeur placé

à différentes distances de la cible, permet de déter- miner le moment magnétique g du niveau étudié. Les résultats de la première mesure effectuée avec cette méthode sont représentés sur la figure 3 qui est tirée de l'article de Randolph et al. [15]. Ces auteurs

FIG. 3. - Mesure du moment magnétique du niveau à 6,13 MeV du noyau 160. L'intensité des rayonnements y émis à 8 est représentée en fonction du temps de parcours de l'ion de recul pour les niveaux à 6,13 MeV (a) et 7,12 MeV (b) du noyau 160.

Cette figure est tirée de la référence [15].

ont mesuré le moment magnétique du niveau 3-, à Ex = 6,13 MeV, dans le noyau 1 6 0 . Ce niveau a une

vie moyenne de 25 ps. La figure 3 montre également qu'il n'y a pas d'effet observable pour le niveau de

1 6 0 à 7,12 MeV de vie moyenne courte ( T = 10-l4 S.).

La même méthode a été utilisée récemment pour mesurer les moments magnétiques des premiers niveaux 2+ des noyaux "Mg, 20Ne [16] et 22Ne [17, 181 ainsi que ceux des niveaw 5/2+ des noyaux miroirs 21Ne et 21Na 1191. L'analyse de ces mesures est plus compliquée que dans le cas du niveau de 160, en effet il a fallu tenir compte non seulement de configuration 1s mais également d'autres configura- tions à 1, 2 et 3 électrons.

3.2 MESURES DE MOMENTS QUADRUPOLAIRES.

-

La détermination d'un moment quadrupolaire est importante puisqu'elle permet d'obtenir des informations directes sur la forme du noyau. Dans l'interaction entre un ion lourd et un noyau cible, il y a excitation coulombienne du noyau cible vers un état excité suivie d'une interaction avec le moment quadrupolaire Q du niveau excité. Cette interaction avec Q, appelée effet de réorientation, peut être considérée comme une perturbation de l'excitation coulombienne initiale. L'intensité de la perturbation dépend de Q. Pour mesurer cet effet, une méthode élégante a été introduite par Schwalm et al. [20] : on bombarde par faisceau d'ions lourds une cible mince constituée des noyaux à étudier, ces noyaux sont excités puis éjectés hors de la cible en émettant des rayonnements y qui sont enregistrés dans un compteur Ge(Li) placé à O, = OO. La forme de raie observée contient les informations complètes de corrélations angulaires entre les rayonnements y observés à 0° et les noyaux correspondants diffusés

(5)

IONS LOURDS ET SPECTROSCOPIE C3-151

l'excitation coulombienne. Un exemple de forme de raie observée e s t donné sur la figure 4 qui est tirée de l'article de Schwalm et al. [20]. La forme de raie

théorique, calculée pour Q = 0, est représentée en traits discontinus, celle qui donne le meilleur accord avec la forme expérimentale est obtenue pour

Q = - 0;18 eb. La méthode décrite a été utilisée

pour déterminer les moments quadrupolaires des premiers niveaux 2+ des noyaux pair-pair de masses comprises entre 20 et 28 [20]. O' 5:o I I I I 5 5 0 5 7 0 CHANNEL NUMBER Er (keV) 1275 1300 1325 1350

FIG. 4.

-

Mesure du moment quadrupolaire du niveau 2+ dans ZZNe. La forme de raie observée à 8 pour la transition 2+ -+ O+ est

comparée aux formes théoriques pour Q(2+) = 0,O eb et Q(2+) = - 0,18 eb. Cette figure est tirée de la référence [20].

900

3.3 MESURES DE VIES MOYENNES.

-

Les états liés des noyaux légers ont des vies moyennes 7

comprises entre IO-" et 10-l4 S. Ces vies moyennes

sont mesurées par des méthodes basées sur l'effet Doppler des rayonnements y émis : méthodes du parcours de recul et de l'atténuation de l'effet Doppler. L'effet Doppler qui est proportionnel à la vitesse du noyau sera donc amplifié dans une réaction induite par ions lourds et, en particulier, dans les réactions dites inverses sur cibles légères où les vitesses de recul sont de l'ordre de 5 % et les cônes de recul sont très réduits. Ces deux facteurs sont particulièrement importants dans la méthode du parcours de recul où il est nécessaire d'avoir une bonne séparation en énergie des rayonnements y émis en vol et au repos. La méthode d'atténuation de l'effet Doppler est certainement la plus utilisée pour

I I I I

2 2 ~ e (32~,3%) " ~ e (2')

-

Ep=41.3 MeV

-

IOmm. 3 0 0 TORR

mesurer des vies moyennes de niveaux nucléaires. Dans cette méthode, on compare le temps de ralentissement du noyau à son temps de désexcitation y.

La détermination de T est liée à la connaissance du

mécanisme de ralentissement des ions dans la matière. Pour les réactions induites par ions légers, les vitesses de recul sont de l'ordre de 1 %. A ces vitesses, le mécanisme de ralentissement a été très peu étudié et on est obligé de faire appel aux théories existantes. Il a été démontré [21,22] que pour cer- tains noyaux A =S 30, les vies moyennes mesurées

dépendent du milieu ralentisseur et en particulier de la spécificité de son cortège électronique [22]. Cette difficulté peut être résolue en produisant les noyaux de recul à une vitesse de l'ordre de 5 % (ex. :

réactions inverses) où le ralentissement des ions dans la matière est bien étudié expérimentalement et dépend de façon moins critique de la structure électronique particulière de chaque ralentisseur. Les résultats d'une mesure de vie moyenne à grande vitesse sont représentés sur la figure 5 qui est tirée

PROTON ENERGY (MeV)

7 ---- - --

--

1

2127 keV y-RAY. eY= O'

BACKlNû r. = 4 5 0 t 2 5 f s x' = 1.10 a w COPPER

..-.

x' = 1.00

FIG. 5. - Mesure de la vie moyenne par la méthode d'atténuation à vitesse élevée du niveau à 2,13 MeV de "S. Le spectre de protons issus de la réaction est représenté dans la partie supé- rieure. La partie inférieure représente les formes de raies y de la transition 2,13 + O MeV observées avec les ralentisseurs 41 et

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on a mesuré la vie moyenne du niveau à 2,13 MeV de 34S par la réaction 3H(32S, p) 34S. Les formes d e raies ont été obtenues pour les milieux ralentisseurs Al et Cu. Dans le cas où de telles formes de raie peuvent être mesurées pour des niveaux de vies moyennes connues, elles peuvent être utilisées pour déterminer expérimentalement le ralentissement du noyau produit.

4. Réactions par ions lourds et hauts spins dans les noyaux Ne et Na de masses comprises entre 20 =Z A e 24.

-

Les noyaux Ne et Na sont bien décrits par le modèle en couches dont une des prédictions importantes est l'existence d'un moment angulaire limite. Pour ces noyaux, les moments angulaires limites ne sont pas très élevés et expéri- mentalement on peut espérer les atteindre et même éventuellement les dépasser. L a comparaison entre les moments angulaires les plus élevés observés expérimentalement et les moments angulaires limites donnés par le modèle en couches, est reportée dans le tableau 1. Aucun niveau de spin supérieur à la valeur limite n'a été observé expérimentalement. Dans le cas du noyau "Ne, le spin limite P = 8' a été atteint mais toutes les tentatives expérimentales pour localiser un niveau JT = 10+ ont échoué. Le noyau 22Na a fait l'objet d'une étude détaillée par notre groupe (R. M. Freeman, B. Heusch, A. Gall- mann et F. Haas) et le spin maximum observé est

J" = (9+) comparé à J limite égal à 11. Le niveau JT=(9+) a été produit par la réaction I2C(l4N, ay) "Na, son énergie d'excitation est de 9,81 MeV et il est situé à 3 MeV au-dessus du seuil de désintégration par la voie 21Ne + p . Ce niveau a pourtant une largeur y importante et il se désexcite vers le niveau J" = 7+ à 4,52 MeV. Les schémas de désexcitation des bandes Kr = 3+ et O+

( T = 0,l) du noyau 22Na et KT = O+ du noyau 22Ne sont représentés sur la figure6. Les membres

J" = (8+) et (9+) de la bande Km = 3+ ainsi que les membres J" = (6') et (7+) de la bande K" = O+ sont

TABLEAU 1

Comparaison entre JT limite prédit par le modèle en couches et JT maximum observé expérimentalement

pour les isotopes Ne-Na

Noyau J" (M.C.) J" (Exp.)

FIG. 6. -Transitions y entre les membres des principales bandes de niveaux de parité positive dans 22Na et 22Ne. Les membres des bandes dans Z2Na avec Ex> 6 , O MeV ont été localisés par la

réaction 12C(14N, a y ) 22Na.

(7)

IONS LOURDS ET SPECTROSCOPIE C3-153

FIG. 7. - Prédictions par le modèle de la collision d'effleurement de la sélectivité des niveaux de hauts spins dans 21Ne alimentés par les voies p, d , t , et n qui correspondent aux réactions I2C('OB, p), I2C(l'B, d), I3C(l1B, t) et L3C(12C, a), respectivement. Les traits horizontaux correspondent aux énergies d'excitations des niveaux Yrast connus de ZINe, les tirets aux énergies des niveaux 15/2', 17/2+ et 19/2+ prédits par le modèle en couches.

peuplés de façon préférentielle par la réaction 12C("B, d) 21Ne. Cette conclusion est en accord avec le spectre expérimental de cette réaction présenté par le groupe de Heidelberg dans une des cornrnuni- cations à la récente Conférence de Florence [24].

5. Conclusion.

-

La majorité des résultats récents concernant la spectroscopie des noyaux légers (A 5 60) a été obtenue à l'aide des réactions

de fusion-évaporation combinées aux méthodes classiques de la spectroscopie y. Les transferts de grands moments angulaires ont permis la localisation d'un grand nombre de nouveaux niveaux de hauts spins et les vitesses élevées des noyaux produits ont favorisé une détermination plus précise de quelques caractéristiques fondamentales des noyaux légers :

les moments magnétiques et quadrupolaires ainsi que les vies moyennes.

La contribution de ces réactions à la spectroscopie des noyaux légers va certainement se poursuivre et profiter notamment du développement rapide de la technologie des sources d'ions qui va permettre l'utilisation d'un éventail de plus en plus large de faisceaux d'ions lourds de bonne qualité.

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