154Sm Çekirdeği için Colektif Uyarılma Seviyeleri ve
Transkript
154Sm Çekirdeği için Colektif Uyarılma Seviyeleri ve
I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESi1 25-26 EKiM 2001, TAEK, ANKARA KOLLEKTİF ÇEKİRDEK UYARILMALARININ PARÇACIK HIZLANDIRICILARI KULLANILARAK İNCELENMESİ Ekber GULİYEV, Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Müh. Bölümü, 06100 Tandoğan, Ankara ÖZET Bu çalışmada yüksek monokromatikliğe sahip serbest elektron lazerlerin (SEL) tam iyonize çekirdeklerle çarpıştırılmak suretiyle çekirdek kollektif uyarılmalarının daha duyarlı analizinin nasıl yapılabileceği konusu π incelenmiştir. Örnek olarak 154Sm çekirdeğinde spini ve paritesi I =1+ olan kollektif seviyelerin SEL γÇekirdek çarpıştırıcılarında uyarılma tesir kesitleri çarpıştırıcının ana parametreleri ve bu seviyelerin uyarılmasına imkan sağlayan olay sayıları hesaplanmıştır. Günümüze dek yapılan nükleer fizik deneylerinde geçişler geleneksel nükleer rezonans fluorasans (NRF) yöntemiyle incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Kolektif uyarılmalar, SEL γ-çekirdek çarpıştırıcıları, M1 uyarılmaları, Ce, Sm. 1. GİRİŞ Son yıllarda deforme çekirdeklerde kollektif magnetik dipol (M1) geçişlerin incelenmesine ilgi çok artmıştır. Magnetik geçişlerin incelenmesi çekirdek yapısı, isoskaler ve isovektör spin-spin nükleer kuvvetler hakkında önemli bilgiler π vermektedir. Çekirdek fiziğinde spini ve paritesi I + =1 olan magnetik dipol seviyeleri deneysel olarak hafif çekirdeklerden başlayarak aktinidlere kadar olan çok geniş bir bölgede gözlenmiştir [1]. Büyük açılarda elektron geri saçılma [2], küçük açılarda proton ileri saçılma [3,4] reaksiyonları ve (γ,γ') teknikleri ile yapılmış hedef-foton saçılma [5] deneyleri, ağır küresel ve deforme olmuş çekirdeklerde spin-spin etkileşmelerinin sorumlu olduğu ve ağırlık merkezi 44xA-1/3 MeV olmakla birlikte 7 ve 11 MeV enerji aralığında çok geniş M1 magnetik dipol rezonansın olduğunu göstermiştir. Bundan başka son yıllarda inelastik elektron (e,e') [6]ve NRF [7] deneylerinde 4 MeV' a kadar enerjilerde çok intensif 1+ seviyeleri gözlenmiştir. Bu seviyelerin yüksek enerjili spin karakterli M1 rezonansdan esas farkı orbital karakterli olmasıdır. Bu çalışmada esasen magnetik dipol geçişlerinin yüksek enerjili dalı olan spin-flip M1 rezonansı ele alınmıştır. Bu rezonansın, nötronun çıkış enerjisi (9 MeV) bölgesinde yerleşmesinden ve bu bölgede yüksek spektrum yoğunluğundan kaynaklanan ve cihazların ayırdediciliğinden dolayı rezonansı oluşturan ayrık seviyelerin deneysel olarak incelenmesi çok zorlaşıyor. Bu nedenle söz konusu seviyelerin deneysel tespiti güçleşmektedir. Ölçümleri zorlaştıran bir diğer sebep ise söz konusu rezonansın zayıf olması ve elektrik dipol dev rezonansın düşük enerjili kuyruk bölgesinde ayrışmasıdır. Bu nedenlerden dolayı M1 rezonansı oluşturan seviyeleri incelemek çok zordur. Bu nedenle nötron eşik enerjisi bölgesinde yerleşen M1 rezonansının ince yapısının detaylı olarak incelenmesi yalnız yeni nesil deneysel cihazların ve metotların geliştirilmesi ile mümkün olabilir. Bu yüzden daha monokromatik, yüksek güç, akı ve parlaklık değerlerine sahip dalgaboyu ayarlanabilir fotonlar üreten ışık kaynaklarına ve hassas sistem detektörlerine büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Son zamanlarda çekirdek seviyelerini incelemek için yeni orijinal bir yöntem olarak SEL γ-Çekirdek çarpıştırıcıları önerilmiştir [8,9]. Bu öngörülen yöntem çekirdek yapısının farklı yönlerinin incelenmesinde yeni kavramlar getirecektir ve foton çekirdek etkileşmeleri konusunda bilgilerimizi yüksek enerjilere taşıyacaktır. Bu çalışmada [8,9]' de geliştirilmiş yöntem baz alınarak yüksek monokromatiklik dereceli SEL ile LHC hızlandırıcısında hızlandırılabilecek tam iyonize çekirdek demetlerinin çarpıştırılması ile çekirdeklerde yüksek enerjili kolektif uyarılma seviyelerinin nasıl incelenebileceği 154Sm izotopu örneği ele alınarak incelenmiştir. Bu yapılırken, incelenen çekirdekte M1 rezonansı oluşturan seviyelerin enerjileri, radyasyon kalınlıkları, M1 geçiş tesir kesitleri, SEL γ-Çekirdek çarpıştırıcılarının ana parametreleri ve bu seviyelerin uyarılmasına imkan sağlayan olay sayıları hesaplanarak sonuçların geleneksel nükleer spektroskopi yöntemlerine olan üstünlükleri tartışılmıştır. Buna uygun bir çalışma küresel bazda π 140 Ce çekirdeğinin kolektif I =1+ seviyeleri için yapılmıştır [10]. 2 2. NÜKLEER SPEKTROSKOPİDE GELENEKSEL YÖNTEMLER Genel olarak nükleer spektroskopide deneysel incelemeler esasen foton, elektron ve protonların çekirdeklerden saçılması sonucu elde edilen verilere dayanmaktadır. Bu reaksiyonların yardımıyla çekirdek yapısını ve enerji seviyelerini incelemek mümkün olmaktadır. Kaydetmek gerekir ki genel olarak (e,e') tekniği düşük enerji bölgelerinde, (p,p') tekniği ise büyük enerji bölgesinde iyi sonuçlar vermektedir. Foton saçılma reaksiyonları NRF deneyleri detektörlerin yüksek enerjilerde efektifliğinin azalması nedeniyle düşük enerjili seviyelerin incelenmesinde kullanılmaktadır. Fakat son zamanlar Euroball Cluster detektörlerinin [11] geliştirilmesi foton spektrokopisinin daha yüksek enerjili seviyelerini incelenmesinde rolünü artırmıştır. NRF deneyleriyle çekirdek seviyelerinin incelenmesi çekirdeğin iç yapısının öğrenilmesi acısından çok önemlidir. Çünkü NRF deneyleri yardımıyla yukarıda bahsi geçen (e,e') ve (p,p') deneylerinden daha hassas olçum yapıla bilmektedir. Ama şu an NRF deneylerinde kullanılan fotonların monokromatik olmamalarından dolayı (Bremsstrahlug fotonları) hassas ölçümlerin yapılması için yeterli değildir. Bundan başka yüksek enerjili seviyelerin NRF' de incelenmesi sırasında ortaya daha bir çok zorluk çıkmaktadır. Bu zorluklarından bir kaçı aşağıda sıralanmıştır [12]: • • Elektronların cihaz malzemesine çarpması sırasında oluşan (e,n) ve bunun sonucu (n,nγ) reaksiyonları ortyaya çıkar. Bu da ilave γ fonunun oluşmasına neden olmaktadır. (n,γ) reaksiyonları sonucu meydana çıkan aşırı fon bizim gözlemimiz için gereken (γ,γ') reaksiyonları sonucu ortaya çıkan spektruma karışmaktadır ve bu da incelemeleri çok zorlaştırmaktadır. Fotonlarla çekirdeğin zayıf etkileşmelerinden dolayı analizi avantajlı kılan 106 γ/(s KeV) foton yoğunluğuna ulaşmak için 500 mg hedef izotopa ihtiyaç duyulmaktadır. • Elektron demet akımının 5µA değerinde, tipik Ge(HP) detektörlerinde sayım hızı 1 saniyede birkaç bin olay mertebesindedir bu da 4-8MeV enerji spektrumu için birkaç saat ölçüm zamanına ihtiyaç göstermektedir. Son zamanlar Darmstadt süperiletken elektron hızlandırıcısında (SDALINAC) yeni deneysel düzenek devreye sokulmuştur. Nötron γ- radyasyon fonundan yoksun olan bu yeni kurgu foton çekirdek reaksiyonları için 7 ile 10 MeV enerji aralığını incelemeye imkan tanımaktadır [12]. Fakat burada geleneksel foton kaynakları kullanıldığından nötronun bağ enerjisi civarında yerleşen yüksek enerjili seviyelerinin incelenmesi zorlaşıyor. Bu seviyelerin karmaşık bozunum yapısına sahip olmaları da deneysel verileri açıklamakta da zorluklar yaratıyor. Buna göre de SEL γ-Çekirdek çarpıştırıcıları deforme ve geçiş çekirdeklerinde magnetik dipol rezonansların incelenmesi için çok perspektifli ve daha avantajlı bir deney yöntemi olmasından dolayı ilgi çekmektedir. Çalışma [8,9]'da geliştirilmiş SEL γ-Çekirdek çarpıştırıcıları metodu yukarıda sözü geçen eksikliklerin üstesinden geldiği için yüksek enerjili çekirdek seviyelerin kollektif uyarılmalarının incelenmesi için umut vericidir. 3. SEL γ- ÇEKİRDEK ÇARPIŞTIRICILARI Son yıllarda yeni nesil ışınım olarak monokromatik yüksek güç, akı ve parlaklık değerlerine sahip dalga boyu ayarlanabilir özelliğe sahip serbest elektron lazerleri üretilmektedir. Çekirdeklerin yüksek enerjili seviyelerinin incelenmesi sırsında çıkan zorluklardan dolayı yeni deney setlerinin kurulmasına hitiyaç duyulmaktadır. Çalışma [8,9] de ön görülen SEL γ-Çekirdek çarpıştırıcılarında çekirdek yapısının incelenmesinde γ çekirdek çarpışmasını sağlayacak serbest elektron lazerleri ve ağır iyon hızlandırıcıları birlikte ele alınmasını öngörmektedir (Şekil 1). Bu teknik sayesinde yüksek yoğunluklu, monokromatik fotonlar üretilir ve hızlandırılmış tam iyonlaşmış çekirdeklerle çarpıştırılır. Çekirdeklerin ringlerde büyük göreli hızlarla döndürüleceğini ve SEL fotonuyla kafa-kafaya çarpıştığını düşünürsek, fotonun enerjisi (ωSEL) çekirdek tarafından 2γnωSEL gibi algılanacaktır [8,9]. Burada γN çekirdeğin Lorentz faktörüdür. Örneğin Lorentz faktörü 500 olan bir çekirdek için 1 KeV enerjili SEL fotonu 1 MeV gibi algılanacaktır. SEL fotonlarının çok iyi olan monoktromatikliği (∆E/E<10-3 ÷10-4), foton yoğunluğunun yüksek olması (1013γ/demet) ve ayarlanabilirliğe (tunable) sahip olması bu lazerler yardımıyla büyük enerji aralığında biri birine çok yakın uyarılma seviyelerini incelemek imkanı sağlayacaktır. Çekirdeğin uyarılma seviyelerini incelemek için tasarlanacak SELγ ⊗LHC çarpıştırıcılarında kullanılacak fotonların frekansı aşağıdaki formülle ifade edilir [9,10] ω0 = Eexc A ⋅ Eexc = 2γ Sm 2 Z ⋅ γ p . (1) 3 Burada Eexc. uyarılmış seviyenin enerjisi, Z ve A çekirdeğin uygun olarak atom ve kütle numarasıdır. γp protonun Lorentz faktörüdür. Örneğin incelen samariyum çekirdeği için Z=62 ve A=154 değerleri kullanılırsa LHC hızlandırıcısının γp=7TeV/mp≈7462 değeri için ω0≈1.6642x10-4xEexc elde edilir. SEL fotonlarının ortalama enerjileri KeV mertebesinde olduğundan söz konusu metodun çok avantajlı olduğu görünmektedir. SEL fotonlarının (1) formülünde belirlenmiş enerjisi pratik birimlerde şu şekilde ifade edilir [13] (Ee [GeV ])2 ω [eV ] = 950 λu [cm]⋅ ( 1 + K 2 / 2 ) Burada λu undulatörün periyot uzunluğudur, Ee elektron demetinin enerjisidir. K=0.934 undulatörün magnetik alanının maksimal değerine bağlı olan güç parametresi B0 undulatörün magnetik alanının maksimum değeridir. Açıktır ki Ee ,B0 ve ya λu parametrelerini değiştirerek uygun enerjili lazer fotonları elde etmek mümkündür. SEL γ-Çekirdek çarpıştırıcısında çarpışmanın gözlenebilir olmasını temin eden ışınlık (luminosite) parametresi L= nγ n Sm 4πσ xσ y (2) f coll formülü ile verilir. Bura da nγ ve nSm foton ve çekirdek demetlerindeki parçacık sayılarıdır. σx ve σy demet kesit boyutlarıdır, fcoll =nbxfrp ise çarpma frekansıdır. Bura da nb bir atmadaki demet sayısı frp ise onun tekrarlama hızıdır. SEL γ-çekirdek çarpıştırıcılarının (1) ve (2) formüllerinde kullanılan ana parametreleri Tablo 1 ve 2' de verilmiştir. Rezonans foton saçılma tesir kesiti bilinen BreitWigner formülü ile verilir. σ res ( γ ,γ ' ) = π 2 J exc + 1 Γ2 2 ( 2J + 1 ) E ( E − E R )2 + Γ 0 2 /4 (3) Burada E gelen fotonun kütle merkezi sistemdeki enerjisi, Jexc ve J0 çekirdeğin uyarılmış ve taban durumunun spinleridir. ER seviyenin rezonans enerjisi ve Γ ise kalınlığıdır. Ortalama tesir kesitinin değeri σ ave = σ res Γ ∆E γ (4) formülünden bulunur. Burada ∆Eγ , SEL demetinin kütle merkezi sisteminde bant genişliğidir. Deneylerin başarısının bağlı olduğu parametrlerden biri olan olay sayısı R=Lσave önemli (5) formülünden hesaplanır. 4. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Teori ağır çekirdeklerde 4 MeV ve 12 MeV enerji aralığında magnetik dipol rezonansı meydana getiren yüksek enerjili 1+ seviyelerin varlığını ön görmektedir [14,15]. Tablo 3 ve 4'de ilk sütunda 154Sm çekirdeğinde incelenen uyarılma seviyelerin enerjisi verilmiştir. İkinci sütunda ise bu seviyeleri uyarmak için gerekli olan SEL fotonunun enerjisi verilmiştir. Üçüncü sütunda ise seviyelerin doğal radyasyon kalınlığı, 4. ve 5. sütunlarda uygun olarak fotonun bu seviyelerden rezonans ve ortalama saçılma tesir kesitleri verilmiştir ve son sütunda ise (3) formülünden yararlanarak elde edilen saniyedeki olay sayısı verilmiştir. SEL γ çekirdek çarpıştırıcılarının çekirdek yapısının incelenmesinde perspektifli bir metot olmasını göstermek için Tablo 3'de 154Sm + izotopunda 1 seviyelerinin enerjilerinin ve radyasyon kalınlıklarının deneysel değerlerini kullanarak [16] (1)-(6) formüllerinin yardımıyla ve Tablo 1 ve 2' de verilmiş parametrelerden yararlanılarak uyarılma tesir kesitlerinin ve bunlara karşı gelen olay sayılarının teorik olarak hesaplanmış değerleri sergilenmiştir. Tablodan görüldüğü gibi çekirdek seviyelerinin uyarılması için çok önemli nicelik olan bir saniyedeki olay sayıları hatta uyarılma ihtimali çok küçük olan seviyeler için bile 107 mertebesindedir ve bu sayının gelecekte 1013 mertebesine ulaşacağını düşünürsek tasarlanan çarpıştırıcıların çok avantajlı olduğu ortaya çıkmaktadır. Kaydetmek gerekir ki, geleneksel NRF deneylerinde uygun olay sayısı 106 mertebesindedir. Elektron çekirdek ve proton çekirdek saçılma deneyleri [4,17] ağır 154Sm izotopunda 7 MeV ve 12 MeV enerji aralığında ve maksimumu 9 MeV civarında yerleşen kuvvetli magnetik dipol resonansın olduğunu gösterir, fakat rezonansı oluşturan bireysel seviyeler hakkında hiç bir bilgi vermemektedir. Teorik hesaplamalar bu rezonansın meydana gelmesinde spin-spin kuvvetlerin sorumlu olduğunu varsaymaktadır ve rezonansı oluşturan seviyelerin tüm özellikleri hakkında da geniş bilgiler verir. İncelenen çekirdekte enerjisi 4 MeV' den büyük olan seviyeler için deneysel verilerin olmamasından dolayı burada 154Sm çekirdeğinde teorinin ön gördüğü yüksek enerjili seviyeler ele alınmıştır [18]. Teorik hesaplamalar 4-11 MeV arası gibi geniş bir bölgede çoklu sayıda M1 geçişin 4 olduğunu göstermiştir. Tablo 4' de 154Sm çekirdeği için 1+ seviyelerinin enerjilerinin ve radyasyon kalınlıklarının teorik değerleri ve lazer fotonunun ωSEL frekansı, foton çekirdek uyarılma tesir kesitleriyle bunlara uygun olay sayılarının hesaplanmış değerleri verilmiştir. Tablodan görüldüğü gibi SEL γ çekirdek çarpıştırıcıları düşük enerjili seviyelerde olduğu gibi yüksek enerjili seviyelerin bireysel olarak incelenmesinde de çok önemli bir deney vasıtasıdır. Sonuç olarak vurgulamak gerekir ki geleneksel çekirdek deneylerinin karşılaştığı bir çok zorluğu çözecek olan ve yüksek hassalık ve ayırt edicilik özellikleriyle öne çıkan SEL γ-Çekirdek çarpışma deneyleri yüksek enerjili seviyelerin yanı sıra zayıf geçişlerin gözlenmesine imkan sağladığından dolayı çok önemli bir deneysel araç olacaktır. Her bir demetdeki elektron sayısıne, 1010 Atma uzunluğu, µs Her bir atmadaki demet sayısı nb Tekrarlanma hızı, Hz Her bir demetdeki foton sayısı nγ, 1013 SEL fotonlarının enerjisi ω, eV Fotonların enerji yayılımı ∆EFEL/EFEL, 10-3 RMS demet yarıçapları σx,y, µm Tablo 1 TTF SEL demetinin ana parametreleri 1 1000 7200 10 4 193 1 50 154 Sm at LHC 434 1.4 1.5 Normalize emittans, εN, mm mrad * 20 Genlik fonksiyonu, β , cm 10 RMS demet yarıçapları σx,y, µm Paketçikler arası mesafe, ns 100 FEL atmasındaki paketçik sayısı, nb 10000 Tablo 2 LHC için 154Sm çekirdeğinin ana parametreleri Makasimum demet enerjisi ESm, TeV Paketçikteki parçacık sayısı, nnuc, 108 Eexc, MeV ωSEL, keV Γ, eV σres, cm2 σave, cm2 R/s, 107 2.555 2.616 3.091 3.193 3.826 0.425 0.435 0.514 0.531 0.636 0.030 0.036 0.052 0.101 0.048 0.112⋅10-20 0.107⋅10-20 0.768⋅10-21 0.720⋅10-21 0.501⋅10-21 0.133⋅10-22 0.146⋅10-22 0.128⋅10-22 0.228⋅10-22 0.634⋅10-23 2.66 2.92 2.56 4.56 1.27 Tablo 3 Sm çekirdeğinin integral karakteristiği ve 1+ seviyeleri için (γ,γ) saçılma sonuçları 154 5 Eexc, MeV ωSEL, keV Γ, eV σres, cm2 σave, cm2 R/s, 107 4,600 0.765 0,077 0,347 10-21 1.17 0,585 ⋅10-23 -21 4,728 0.786 0,081 0,328 10 1.13 0,563 ⋅10-23 -21 -23 5,806 0.966 0,173 0,218 10 1.30 0,649⋅10 -23 6,278 1.044 0,290 0,186 10-21 1.72 0,861 ⋅10 6,797 1.131 1,170 0,159 10-21 5.48 0,274 ⋅10-22 -21 -22 7,237 1.204 0,789 0,140 10 2.60 0,153 ⋅10 -21 -22 7,443 1.238 0,695 0,132 10 2.48 0,124 ⋅10 -21 -22 8,465 1.408 1,940 0,102 10 4.68 0,234 ⋅10 9,049 1.505 2,180 0,898 10-22 4.34 0,217 ⋅10-22 -22 -23 9,138 1.520 5,700 0,879 10 1.10 0,549 ⋅10 9,438 1.587 5,670 0,824 10-22 9.90 0,495 ⋅10-22 -22 -22 9,451 1.572 4,610 0,822 10 8.02 0,401 ⋅10 9,583 1.594 2,880 0,799 10-22 4.80 0,240 ⋅10-22 154 + Tablo 4 Sm çekirdeğinin integral karakteristiği 1 seviyesi için teorik sonuçlar Şekil 1. SEL-Çekirdek çarpıştırıcısının şematik görünümü TEŞEKKÜR Prof. Dr. Ali Kuliev ve Prof. Dr. Saleh Sultansoy’a değerli katkı ve yorumlarından yazarlar olarak teşekkür ederiz. KAYNAKÇA [1] A. Richter., Prog. Part. Nucl. Phys. 34 (1995) 261 [2] D.Bohle , G.Küchler, A.Richter and W. Steffen, Phys. Lett. B 148 (1984) 260 [3] C.Djalali N.Marty, M.Morlat, A.Wills and J. C.Jourdan, Nucl Phys. A 388 (1982) 1. [4] D.Frekers, at al., Phys. Lett. B 244 (1990) 178. [5] R.M.Laszewski, P.Rullhusen, S.D.Hoblit and S.F.Lebrun Phys. Rev. C 34 (1986) 2013. [6] D.Bohle, A.Richter, W.Steffen, A.E.L.Diepernik, N. Lo Iudice , F.Palumbo and O.Scholten, Phys. Lett. B 137 (1984) 27. [7] U.E.P.Berg, C.Blasing, J.Drexler , R.D.Heil , U.Kneissel, W.Naatz, R.Ratzek, S.Schennach, R.Stock, T.Weber, H. Wickert, B.Fischer, H.Hollick and D.Kollewe, Phys. Lett. B 149 (1984) 59. [8] S.Sultansoy, Turk. Jour. of Phys. 22 (1998) 575. [9] H.Aktaş, N.Büget, A.K.Çiftçi, N.Meriç, S.Sultansoy, Ö.Yavaş, Nucl. İnstr. and Meth. A 442 (1999) 271. [10] E.Gouliev and O.Yavaş, Bulgarian Journal of Physics (to be published) [11] P.von Brentano et all.,Phys.Rew.Lett.76 (1996)2029 [12] P.Mohr, J.Enders, T.Hartmann, H.Kaiser, D.Schiesser, S. Schmitt, S. Volz, F. Wissel and A. Zilges, Nucl. İnstr. and Meth. A 423 (1999) 480. [13] F.Ciocci, G.Dattoli, A.Torre and A.Renieri , İnsertion Devices for Synchrotron Radiation and FEL, World Scientific, Singapore (2000). [14] E.Guliev, A.A. Kuliev, P.von Neumann-Cosel, Ö. Yavas, Nucl.Phys.A690(2001)255c [15] S.I. Gabrakov, A. A. Kuliev, N.I. Pyatov, D.I. Salamov and H. Schulz, ,Nucl.Phys.A.182(1972)625 [16] W. Ziegler, H. Nuxel, P. Von Neuman-Cosel, C. Rangacharyulu, A. Richter and C. Spieler , Nucl. Phys. A 564 (1993) 366. [17] K.G. Dietrick, F.Humbert, A.Richter, B.A.Brown, A.A.Kuliev, O.Sholten, Phys.Lett.220B(1989)351 [18] A.A.Kuliev, R.Akkaya, M.İlhan, E.Guliyev, C.Salamov and S. Selvi, İntern. Jour. of Mod. Phys. E 9 (2000) 249.