Óriásrezonanciák vizsgálata és neutronbőr-vastagság mérések a FAIR gyorsítónál

Átírás

1 Óriásrezonanciák vizsgálata és neutronbőr-vastagság mérések a FAIR gyorsítónál (Repülési-idő neutron spektrométer fejlesztése az Atomki-ban az EXL és az R3B együttműködésekhez) A töltéscserélő reakciókat (CE), különösen a Gamow-Teller (GT) átmeneteket, közepes energiákon már régóta sikeresen használják az atommagok spin-izospin gerjesztéseinek vizsgálatára. A GT nukleáris kölcsönhatás a στ ± operátorral írható le. A CE reakciókban a GT átmenetek ugyanazokat az állapotokat kötik össze, mint a β ± bomlásban. Amíg azonban a β- bomlásban a gerjesztések csak a bomlás Q-értéke által meghatározott energiatartományban vizsgálhatók, a CE magreakciók esetén nincsenek ilyen korlátok. A CE reakciók vizsgálata ezért a jelenleg rendelkezésünkre álló legjobb kísérleti módszert kínálja az atommagok modell-független GT-erősségének feltérképezésére. A CE reakciók vizsgálata eddig azonban csak stabil céltárgyakra korlátozódott, habár nyomós és sürgető indokok vannak arra, hogy kiterjesszük ezeket a méréseket instabil atommagokra is. A GT-erősség eloszlása instabil atommagokban és a megfelelő β-átmenetek kulcs szerepet játszanak a kései csillagfejlődés, a magösszeomlás és a termonukleáris szupernóvák megértésében. Elméletileg ugyan előre jelezhetők a gyenge reakciók hatáskeresztmetszetei, de azokat kísérletileg mindenképpen ellenőrizni kellene. A GT-erősség eloszlása érzékeny a héjszerkezet változásaira is, így módszert ad annak tanulmányozására a stabilitási sávtól távoli atommagokban. A héjmodell paramétereinek meghatározásánál a GT-erősség eloszlását nem szokták figyelembe venni. Ezeket a paramétereket főként a gerjesztési energiák illesztése segítségével határozzák meg. Mivel a GT-erősségeket a CE reakciókból modell-független módon határozhatjuk meg, ilyen módon lehetőségünk nyílik a héjmodell kölcsönhatások elfogulatlan ellenőrzésére. Egy másik érdekes vizsgálati terület az izovektor óriásrezonanciák tanulmányozása. Ezek a kollektív gerjesztések az atommagbeli proton és neutronfolyadék ellenfázisú rezgéseiként értelmezhetők, és tanulmányozásukkal a nukleon-nukleon kölcsönhatás izovektor részére kaphatunk adatokat, amik az atommag szimmetria-energiájával és neutronbőr vastagságával kapcsolatosak. Korábban az atommagok neutronbőr vastagságának mérésére több, új, az óriásrezonanciák vizsgálatán alapuló módszert is kifejlesztettünk. A második módszerünk a spin dipólus rezonancia erősségét a neutronbőr-vastagsággal összekötő modell-független összegszabályon alapul. A témában megjelent publikációink (ld. Pl. PRL 66 (1991) 1287, PRL 82 (1999) 3216) jelentős nemzetközi érdeklődést keltettek. Ez az érdeklődés néhány évvel ezelőtt robbanásszerűen felerősödött, amikor kiderült, hogy a neutronbőr-vastagság egyértelmű kapcsolatba hozható a maganyag állapotegyenletének szimmetria-energia tagjával. A neutronbőr-vastagság pontos mérése ezért fontos eszköz lehet az állapotegyenlet paramétereinek pontosítására, ami a neutrongazdag maganyag esetén kifejezetten nagy érdeklődésre tarthat számot. Ezt az érdeklődést a neutroncsillagok és az esetleges kvarkcsillagok megfigyelése is jelentősen felfokozta. A darmstadti GSI-ben és a FAIR programban magyar kezdeményezésre neutrongazdag egzotikus atommagok óriásrezonanciáinak és neutronbőr-vastagságainak pontos mérését tervezzük. Erre a célra az Atomki-ban FP6 (EURONS) támogatással egy kisenergiás neutron repülésiidő-spektrométer kifejlesztését kezdtük el.

2 A Gamow-Teller és a Spin Dipólus rezonanciák gerjesztésére (p,n) reakciót tervezünk felhasználni. A (p,n) reakció tanulmányozása radioaktív nyalábokban inverz kinematikában történhet, ami jelentős kihívás lehet a detektorok számára. A gerjesztési energiákat elfogadható energia-felbontással (1 MeV) kell meghatározni, a hatáskeresztmetszeteket pedig igen kis tömegközépponti szögeknél megmérni. Inverz kinematikában ezt az információt a nyalábszerű részecske mérésével még a világ legjobb spektrométere segítségével sem lehetne meghatározni. A magasan gerjesztett atommag ráadásul még röptében el is bomlik, ami tovább rontaná az energiafelbontást. A fenti hatáskeresztmetszetek azonban meghatározhatók a meglökött könnyű részecske segítségével. A kinematikai számítások alapján ezen részecske energiája meglehetősen kicsi (0-3 MeV) ha ez töltött részecske, akkor a vastag céltárgybeli nagy energia veszteség miatt nem tud kijönni a céltárgyból. A radioaktív nyalábok viszonylag kis intenzitása miatt azonban szükséges a vastag céltárgyak használata. A céltárgybeli nagy energiaveszteségek elkerülhetők az inverz kinematikájú (p,n) reakció alkalmazásával, mivel a neutronok kevésbé hatnak kölcsön a vastag céltárgy anyagával. Azonban, hogy rekonstruálni tudjuk a gerjesztett mag energiáját és szórási szögét, a neutronokat jó energia- és szögfelbontással kell detektálni. A nagy detektálási hatásfokot ráadásul kis neutron-energiák esetén is biztosítani kell. Ha ezeknek a kihívásoknak megfelelő neutron-detektort sikerül építenünk, akkor még szükségünk van egy mágneses spektrométerre is, amivel a nagyenergiás nyalábszerű részecskét azonosíthatjuk. A GSI-ben (FAIR) erre a célra az R3B kollaboráció által épített nagy felbontású mágneses spektrométert tervezzük felhasználni. Közepes energiák esetén a (p,n) reakciónak még az az előnye is megvan, hogy a magreakció mechanizmusa jól ismert, és a megfelelően pontos számítógép programok is rendelkezésre állnak. A megfelelő hatáskeresztmetszetek meghatározásához a meglökött neutronok energiáját a 150 kev- 5 MeV tartományban kell mérnünk egy repülésiidő-spektrométerrel. A gerjesztési energia 1 MeV pontosságú meghatározásához a neutronok energiáját kisebb, mint 10 % pontossággal, a becsapódási szögét pedig kisebb, mint 1 o pontossággal kell mérnünk. A Monte-Carlo-módszerrel végzett szimulációs számítások azt mutatták, hogy az 1 méteres detektor-szálakból összerakott detektorrendszer, melyben a szálak a céltárgytól kb. 1 méternyire vannak, alkalmas a fentiekben meghatározott követelményrendszer teljesítésére úgy, hogy eközben a neutronok átszóródása (amelyre a neutronok természetüknél fogva hajlamosak) nem teszi lehetetlenné a pontos mérést. A spektrométer tervezésekor a következő szempontokat kellett figyelembe venni: 1.) A nagy belső hatásfok elérése érdekében a detektor vastagságát úgy kell megválasztani, hogy az adott detektoranyagban lévő szabad úthossznak néhányszorosa legyen a detektor vastagsága. 2.) A neutronok kinetikus energiájának nagy feloldású mérésére a legjobb módszer a repülési idő mérése (TOF). Erre a célra a legalkalmasabbak a szerves szcintillátor anyagok, mivel azok jó időzítéssel rendelkeznek, így jó feloldás érhető el velük.

3 A spektrométer energia feloldása a következő módon számolható: δe/e = 2[(δd/d) 2 + (δt/t) 2 ] 1/2, ahol d a repülési távolság, T pedig a repülési idő. A fentiek figyelembevételével terveztük a spektrométerünket. A detektorokat a Amcrys-Plast cég (Harkov, Ukrajna) által gyártott UPS89 típusú plasztik szcintillátorokból állítottuk össze, amik tulajdonságai hasonlóak az NE102A jól ismert szcintillátoréhoz. Az általunk használt anyag a gyors szcintillátorok kategóriájába tartozik, amelyben a fényfelvillanás felfutási és lecsengési ideje 1 ns nagyságrendű. Egyetlen szcintillátor mérete: 10x45x1000 mm. Az optimális geometria megtervezéséhez Monte Carlo szimulációs számításokat végeztünk. A Monte Carlo számolásokhoz a GEANT4 programcsomagot használtuk, mivel a neutron kölcsönhatásokat és hatáskeresztmetszeteket tartalmazza a csomag, és a geometria megtervezése szempontjából könnyen kezelhető. A hatásfok számolásához vizsgálni kell a neutronok főbb kölcsönhatásait a detektorban, az ily módon egyetlen kölcsönhatás során a detektorban leadott energiát, s ezen energia által keltett fényt. A detektor anyaga 92%-ban szenet és 8%-ban hidrogént tartalmaz. Neutronok elsődleges kölcsönhatása a detektor atommagjain történő rugalmas szórás. A szimuláció során az egyes lépésekben történő kölcsönhatás eredményeként a neutron által leadott energiát kapjuk meg. A kísérleti úton korábban meghatározott protonenergia-fényhozam válaszfüggvényt az R.A. Cecil és munkatársai (NIM 161(1979) 439) munkájából vettük. A szerzők az NE102, NE224, NE228 és NE228A szcintillátorok relatív fény-válaszfüggvényét a következő empirikus formulával irták le: T e = a 1 T p a 2 [1.0-exp(-a 3 T p 0.4 )], ahol T e az elektron energia, T p a proton energiája MeV -ben. Kísérletileg a 2.43 MeV MeV-es energiatartományban határozták meg a szcintillátorok válaszfüggvényét protonokra. Az általuk meghatározott paramétereket használtuk protonok és alfa részecskék esetén a fényhozam számolásához. Különböző detektálási küszöböket feltételezve számoltuk a detektor hatásfokát. Az eredményeket a 2. ábrán hasonlítottuk össze a kísérletileg meghatározott hatásfokokkal. A jó hatásfok mellett az optimális geometria meghatározása is nagyon fontos. Ennek érdekében vizsgáltuk, hogy milyen távolságra kell elhelyezni a detektorainkat egymástól, hogy a szomszédos detektorokba történő átszórás minél kisebb legyen. A két szomszédos detektor egymástól való távolságát 74 mm-re választottuk, így a szomszédos detektorok közötti átszórás 1% körül van. A 15 detektorszálból felépítendő detektorrendszer sematikus elrendezési rajzát az 1. ábrán tüntettük fel.

4 1. ábra: A neutron spektrométer sematikus elrendezése. Az 1 méter hosszúságú, 45x10 mm 2 keresztmetszetű műanyag szálak mindkét végéhez a fényfelvillanások észlelése, azaz a jelek kiolvasása céljából egy-egy, a szcintillátor szálakhoz méretben illeszkedő, Photonis gyártmányú, XP2262/B típusú fotoelektron-sokszorozó csövet (PMT) csatlakoztattunk. Az általunk használt csövek maximális erősítése (azaz sokszorozási tényezője) lehetővé teszi, hogy az egyetlen foton által keltett felvillanás is észlelhető legyen, vagyis nagyon alacsony detektálási küszöböt érhessünk el. A detektorminőség kritikus pontja a fényveszteségek elkerülése. Ezt egyrészt a foto elektronsokszorozó csövek megfelelő illesztésével, másfelől a szcintillátor-szálak VM2000 (3M) típusú fényvisszaverő anyaggal történő gondos burkolásával értük el. Általunk végzett tesztek során ez utóbbi technikával a fényveszteséget a felére tudtuk csökkenteni. Végül az egész szálat fekete fényzáró fóliával burkoltuk. Az így felépített detektor prototípusok tesztelését Debrecenben, az MTA Atommagkutató Intézetében végeztük radioaktív forrásokkal. A szcintillátor energia-hitelesítését alacsony energián, a ciklotronnal készített 107 In Röntgen-forrással (Ex= 22 kev), nagyobb energiánál 137 Cs forrás γ-sugárzásával végeztük. Az egyelektron-zaj (ami az elektron-sokszorozó cső jellemzője) meghatározásához ugyancsak az 107 In röntgen-forrást használtuk. Ezen zaj-paraméter ismerete rendkívül fontos az elektronikus jelfeldolgozó rendszer detektálási küszöbének megfelelően alacsony értékre való beállításához, ami viszont a detektor hatásfokát erősen befolyásolja. Ezt a detektálási küszöböt az egyelektron-zaj alá is lecsökkentettük. Ez esetben, az egyelektron-zaj hatásának csökkentése érdekében, a mérésnél megköveteltük, hogy a szcintillátor két végén levő elektron-sokszorozó cső egyszerre szólaljon meg. A detektor-prototípus (8 detektor szál) hatásfokát 252 Cf neutronforrás segítségével mértük. A 252 Cf atommag spontán maghasadással bomlik, miközben néhány neutron is kirepül. A nyitott forrást egy vékony plasztik szcintillátoros start detektorra helyeztük, ami a hasadványok becsapódásakor szolgáltatta az időzítő jelet. A neutron-detektorainkat 1 méterre

5 helyeztünk el a forrástól, és mértük a neutronok becsapódási ideit a start jelhez képest. Az így meghatározott repülési időből kiszámítottuk a neutronok sebességét, majd azok energiáját. A detektált hasadások száma és az észlelt neutronok száma alapján meghatároztuk a detektor hatásfokát a neutron-energia függvényében. A kísérletek eredményeként meghatározott detektálási hatásfokot a neutronenergia függvényében a 2. ábrán tüntettük fel. A méréseket különböző detektálási küszöbök (20-50 kev elektron ekvivalens energia) esetén is elvégeztük. Az eredményeket különböző színekkel tüntettük fel az ábrán. Folytonos vonalakkal feltüntettük még a Monte Carlo szimulációval kapott eredményeket is. A kísérleti és a szimulációval kapott értékek jó egyezést mutatnak. 2. ábra: A neutron-spektrométer hatásfoka a neutronenergia függvényében A készülő detektorrendszer lényeges tulajdonsága az egyes detektor-szálak közötti neutronátszóródás. Ennek mértékét is a hatásfok mérésére szolgáló elrendezéssel vizsgáltuk. Ebben az esetben azt néztük, hogy két szomszédos detektor-szál milyen valószínűséggel szólal meg egyidejűleg. Az ilyen események ugyanis csak átszóródásból származhatnak, két független neutron egyidejű észlelésének a valószínűsége a térszög és a forráserősség miatt elhanyagolható. A teszt-mérések eredménye szerint a szomszédos detektor-szálak közötti neutron-átszóródás valószínűsége kisebb, néhány %-nál kisebb, ami elfogadható érték.

6 A detektor-prototípusunk energia-feloldását ciklotron-nyalábbal tanulmányoztuk 7 Li(p,n) 7 Be magreakcióban. A magreakcióban keletkező gerjesztett berillium atommag 429 kev-es γ- sugárzását észleltük a céltárgy közelében elhelyezett start-detektorral, és mértük a reakcióban keletkező neutron repülési idejét. A gyorsított proton-nyaláb energiájának a változtatásával a kirepülő neutron energiája is változtatható. ily módon meg tudtuk mérni a prototípus relatív energia-feloldását, amit kisebb, mint 10 %-nak találtunk az 1-4 MeV neutronenergiatartományban. Ez kb. a geometriai méretek alapján várható érték. A detektor-prototípusunkkal nemrég teszt-méréseket végeztünk Los Alamosban (USA) a LANSCE spallációs neutronforrás használatával is. Ezen mérések adatainak a feldolgozása még folyamatban van. A fenti neutron spektrométert a debreceni csoporton kívül más csoportok is szeretnék használni, ezért azt rövidesen a GSI-be fogjuk szállítani.