WZBUDZENIA KULOMBOWSKIE W WARSZAWSKIM CYKLOTRONIE

Warszawska Grupa Wzbudzeń Kulombowskich:
Julian Srebrny, Katarzyna Hadyńska-Klęk, Jędrzej Iwanicki, Paweł Napiorkowski, Daniel Piętak, Kasia Wrzosek-Lipska, Magda Zielińska
 

Warszawska grupa wzbudzeń kulombowskich zebrała się we wczesnych latach dziewięćdziesiątych wokół Tomka Czosnyki, który kierował nią aż do śmierci w 2006. Pod jego opieką powstały trzy prace doktorskie i dwie magisterskie z dziedziny wzbudzeń kulombowskich.

Metoda wzbudzeń kulombowskich

Wzbudzenie kulombowskie (Coulex) jest doskonałą metodą badania struktury jądrowej. Odpowiednio dobrana energia wiązki sprawia, że oddziaływanie pomiędzy zderzającymi się jądrami tarczy i wiązki jest czysto elektromagnetyczne. Proces wzbudzenia może być zatem opisany w sposób modelowo-niezależny, przy użyciu równań elektrodynamiki klasycznej, bez wprowadzania założeń dotyczących sił jądrowych. Zastosowanie różnych wiązek i badanie rozproszeń pod różnymi kątami pozwala w ogólności na wyznaczenie pełnego zestawu parametrów struktury elektromagnetycznej badanego jądra aż do stanów o wysokich spinach. Wyznaczone w ten sposób przejściowe i diagonalne elementy macierzowe przejść elektromagnetycznych pozwalają na wyliczenie rozmaitych danych spektroskopowych – czasów życia, stosunków rozgałęzień, współczynników zmieszania, prawdopodobieństw przejść, momentów kwadrupolowych. Znajomość pełnego zestawu elementów macierzowych pozwala także na określenie kształtu badanego jądra w każdym stanie niezależnie, tworząc tym samym rodzaj “mikroskopu jądrowego”. Wzbudzenia kulombowskie stanowią silny test istniejących modeli struktury jądra, gdyż w analizie uzyskiwanych tą metoda danych nie stosuje się założeń co do sił jądrowych.

W ostatnich latach zainteresowanie metodą wzbudzeń kulombowskich znacznie wzrosło z uwagi na uruchomienie akceleratorów wiązek radioaktywnych, otwierających nowe perspektywy badania struktury niestabilnych izotopów.

W Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów można obecnie przprowadzać eksperymenty wzbudzeń kulombowskich w pełnej skali. Cyklotron pozwala na przyspieszenie szerokiego zakresu wiązek do energii dobranej do wymagań eksperymentu.

Nasze układy doświadczalne

W obecnej chwili w ŚLCJ działają dwa wielodetektorowe układy, za pomocą których można prowadzić badania metodą wzbudzenia kulombowskiego. Starszy z nich, CUDAC (Coulomb Universal Detector Array Chamber), został zaprojektowany i zbudowany w ŚLCJ i zainstalowany na stałe na trakcie jonowym C2. Naszym nowym narzędziem badawczym jest komora rozproszeń, pochodząca z układu NORDBALL, która została w ostatnich latach dostosowana do współpracy z układem detektorów gamma OSIRIS-II.

Oba układy są oparte na tej samej koncepcji. Jednoczesny (koincydencyjny) pomiar promieniowania gamma i cząstek rozproszonych pozwala na jednoznaczne i precyzyjne określenie kinematyki zderzenia, w którego wyniku zostało wyemitowane obserwowane promieniowanie gamma. Pozwala to na bardziej efektywne wykorzystanie czasu pomiaru – dane zebrane podczas jednego eksperymentu mogą podczas analizy zostać podzielone na podzbiory odpowiadające różnym kątom rozproszenia wiązki, jak gdyby w jednym czasie przeprowadzono równolegle kilka eksperymentów.

W obu układach do detekcji cząstek są stosowane małe krzemowe detektory, tzw PIN-diody. Detektory takie pozwalają na pomiar energii cząstek naładowanych, ale nie są czułe pozycyjnie. Informacje o kącie rozproszenia czastki zapewnia użycie wielu PIN-diod w każdym układzie. Stosunkowo niewielkie rozmiary pojedynczego detektora sprawiają, że informacja ta jest dostatecznie precyzyjna.

Pomiar energii cząstek rozproszonych nie jest kluczowy podczas typowych eksperymentów wzbudzeń kulombowskich. Gdy używane są cienkie tarcze, informacja o kącie rozproszenia cząstki pozwala na wyliczenie kinematyki procesu rozproszenia. Znajomość energii cząstki może jednak pomóc odrzucić fałszywe zdarzenia, związane z szumem w elektronice lub rozproszeniami na domieszkach w tarczy. Jest także konieczna podczas analizy eksperymentów z użyciem grubych tarcz, gdy z uwagi na hamowanie jonów w materiale tarczy przebieg wzbudzenia zależy od głębokości, na której zachodzi.

CUDAC

Komora CUDACa jest wyposażona w 32 PIN-diody o wymiarach 1 x 1cm, umieszczone w kątach tylnych, co zapewnia obserwacje najsilniejszego wzbudzenia badanego jądra atomowego.

Do detekcji promieniowania gamma sa używane trzy detektory germanowe wysokiej czystości (HPGe). Pomiary są prowadzone metodą koincydencji cząstka-gamma.

cudac_scheme cudac_foto
Rys. 1, po lewej: Schemat układu CUDAC. po prawej: Otwarta komora CUDACa – wewnątrz widoczne krzemowe detektory cząstek.

CUDAC stanowił znakomite narzędzie do prowadzenia badań nad jądrami zdeformowanymi, np. 165Ho. W przypadku słabiej zdeformowanych jąder z obszaru ziem rzadkich (np. izotopów molibdenu), wydajność detekcji promieniowania gamma okazała się być zbyt niska. Dlatego zdecydowaliśmy się na wykorzystanie mniejszej komory rozproszeń zintegrowanej z wielodetektorowym układem detekcji promieniowania gamma OSIRIS-II.

Należy podkreślić, że układ CUDAC był również wykorzystywany do prowadzenia innych typów eksperymentów, np. badania rozkładu barier na fuzję.

Dane zebrane przy użyciu układu CUDAC stały się podstawą trzech prac doktorskich (w dwóch z nich stosowano metodę wbudzeń kulombowskich: J. Iwanicki (2002), M. Zielińska (2006), a trzecia poświęcona była badaniom rozkładów barier na fuzję: Ł. Świderski (2005)) oraz kilku prac magisterskich.

Nowa komora rozproszeń

Komora rozproszeń, która ostatnio została dostosowana do współpracy z układem OSIRIS-II, została zaprojektowana i wykonana na Uniwersytecie w Monachium jako specjalistyczne narzędzie do badań metodą wzbudzeń kulombowskich współpracujące z układem detektorów germanowych NORDBALL.

Niewielkie rozmiary komory (10 cm średnicy) pozwalają na znaczne zbliżenie detektorów gemanowych do tarczy, dzięki czemu wzrasta wydajność detekcji promieniowania gamma. Wewnątrz komory można umieścić do 110 PIN-diod o powierzchni czynnej 0.5 x 0.5 cm, ustawiając je pod kątami wstecznymi (między 110 a 170 stopni względem kierunku padania wiązki). W obecnej chwili używane jest 48 PIN-diod. Wcześniej stosowana elektronika została zastąpiona przez trzy szesnastokrotne wzmacniacze (CAEN N568/LC) i dyskryminatory constant fraction (CAEN C808).

Pierwszy pomiar z użyciem nowego układu przeprowadziliśmy w 2006 r. Przyszłe eksperymenty wzbudzeń kulombowskich w ŚLCJ bedą już mogły korzystać z wyższej wydajności w koincydencyjnych pomiarach cząstka-gamma i lepszego współczynnika peak-to-total, zapewnianego przez detektory układów OSIRIS-II (obecnie 12 detektorów HPGe z osłonami antykomptonowskimi BGO) i jego planowanego następcy, układu EAGLE.

 

komora
Rys. 2: Tylna połówka nowej komory rozproszeń.

 

Analiza danych

Grupa wzbudzeń kulombowskich wykorzystuje w swojej pracy zlożone programy, niezbędne do analizy bogatych danych eksperymentalnych – wstepnej obróbki “surowych” danych oraz dalszej analizy fizycznej. Programy GOSIA i SIGMA, rozwijane i ulepszane przez członków grupy, są obecnie używane w wielu światowych laboratoriach prowadzących badania tą metodą. Lista współpracujących ośrodków obejmuje Rochester i Argonne (USA), Saclay i Orsay (Francja), Liverpool (Wielka Brytania), Jyvaskyla (Finlandia), Monachium (Niemcy), Chandigarh (Indie), Tokai, Chiba, Osaka i Kyushu (Japonia).

Należy podkreślić, że ilość danych z eksperymentów wzbudzenia kulombowskiego przy użyciu wiązek ciężkich jonów jest ciągle niewielka, więc istnieją szerokie perspektywy dla badań tą metodą. Stanowi ona jedną z głównych specjalności warszawskiej fizyki jądrowej i powinna nią pozostać w nadchodzących latach.