stringtranslate.com

Спектроскопия полного поглощения

Гипотетический бета-распад, наблюдаемый детекторами высокого разрешения (в основном германиевыми) и TAS. При измерении с помощью TAS происходит изменение в философии. С помощью германиевого детектора (Ge) видны энергетические пики, соответствующие отдельным гамма-квантам, но TAS-детектор дает спектр уровней, заселенных при распаде (идеальный TAS). Детектор TAS имеет меньшее разрешение, но более высокую эффективность.

Спектроскопия полного поглощения — это метод измерения, позволяющий измерять гамма-излучение, испускаемое при различных ядерных гамма-переходах, которые могут иметь место в дочернем ядре после распада его нестабильного родительского ядра посредством процесса бета-распада. [1] Этот метод может использоваться для исследований бета-распада , связанных с измерениями бета-питания в пределах полного окна энергии распада для ядер, далеких от стабильности.

Он реализован с помощью специального типа детектора , « спектрометра полного поглощения » (TAS), изготовленного из сцинтилляционного кристалла, который почти полностью окружает измеряемую активность, охватывая телесный угол приблизительно 4π. Кроме того, в идеальном случае он должен быть достаточно толстым, чтобы иметь пиковую эффективность, близкую к 100%, таким образом, его общая эффективность также очень близка к 100% (это одна из причин, по которой он называется «спектроскопией полного» поглощения). Наконец, он должен быть слепым к любому другому типу излучения. Гамма-лучи, образующиеся при изучаемом распаде, собираются фотоумножителями, прикрепленными к сцинтилляционному материалу. Этот метод может решить проблему эффекта Пандемониума .

При измерении с помощью TAS происходит изменение в философии. Вместо обнаружения отдельных гамма-лучей (как это делают детекторы высокого разрешения ), он будет обнаруживать гамма-каскады, испускаемые при распаде. Тогда окончательный энергетический спектр не будет набором различных энергетических пиков, исходящих от различных переходов (как можно ожидать в случае германиевого детектора ), а набором пиков, расположенных на энергии, которая является суммой различных энергий всех гамма-квантов каскада, испускаемых с каждого уровня. Это означает, что энергетический спектр, измеренный с помощью TAS, будет в действительности спектром уровней ядер, где каждый пик представляет собой уровень, заселенный при распаде. Поскольку эффективность этих детекторов близка к 100%, можно увидеть питание на высоких уровнях возбуждения, которые обычно не видны детекторам высокого разрешения. Это делает спектроскопию полного поглощения лучшим методом измерения бета-питания и предоставления точных распределений интенсивности бета ( I β ) для сложных схем распада.

В идеальном случае измеренный спектр был бы пропорционален бета-подаче ( I β ). Но реальный TAS имеет ограниченную эффективность и разрешение , а также I β должен быть извлечен из измеренного спектра, что зависит от отклика спектрометра. Анализ данных TAS не прост: чтобы получить силу из измеренных данных, необходимо применить процесс деконволюции .

Метод анализа данных TAS

Комплексный анализ данных, измеренных с помощью ТАС, можно свести к решению линейной задачи:

д = Ри

при условии, что он связывает измеренные данные ( d ) с подачами ( i ), из которых можно получить распределение интенсивности бета-излучения I β .

R — это матрица отклика детектора (имеется в виду вероятность того, что распад, который питает определенный уровень, дает счет в определенном бине спектра). Функция R зависит от детектора, но также и от конкретной схемы уровня, которая измеряется. Чтобы извлечь значение i из данных d, уравнение должно быть инвертировано (это уравнение также называется « обратной задачей »).

К сожалению, это не может быть сделано легко, поскольку существует аналогичный отклик на питание соседних уровней, когда они находятся при высоких энергиях возбуждения, где плотность уровней высока. Другими словами, это одна из так называемых «некорректных» задач , для которой несколько наборов параметров могут близко воспроизводить один и тот же набор данных. Затем, чтобы найти i , должен быть получен отклик, для которого необходимы коэффициенты ветвления и точное моделирование геометрии детектора. Чем выше эффективность используемого TAS, тем ниже будет зависимость отклика от коэффициентов ветвления. Затем можно ввести неизвестные коэффициенты ветвления вручную из правдоподобного предположения. Хорошее предположение можно вычислить с помощью статистической модели .

Тогда процедура поиска подач является итеративной: используя алгоритм максимизации ожидания для решения обратной задачи, [2] Тогда процедура поиска подач является итеративной: используя алгоритм максимизации ожидания для решения обратной задачи, [3] подач извлекаются; если они не воспроизводят экспериментальные данные, это означает, что первоначальное предположение о коэффициентах ветвления неверно и должно быть изменено (конечно, можно поиграть с другими параметрами анализа). Повторяя эту процедуру итеративно за меньшее количество шагов, данные в конечном итоге воспроизводятся.

Расчет коэффициента разветвления

Лучший способ справиться с этой проблемой — сохранить набор дискретных уровней при низких энергиях возбуждения и набор бинированных уровней при высоких энергиях. Набор при низких энергиях должен быть известен и может быть взят из баз данных (например, базы данных [ENSDF], [4] , которая содержит информацию о том, что уже было измерено с помощью техники высокого разрешения). Набор при высоких энергиях неизвестен и не перекрывается с известной частью. В конце этого расчета вся область уровней внутри окна значений Q (известных и неизвестных) бинируется.

На этом этапе анализа важно знать внутренние коэффициенты конверсии для переходов, соединяющих известные уровни. Внутренний коэффициент конверсии определяется как число девозбуждений посредством e−-излучения по сравнению с числом девозбуждений посредством γ-излучения. Если происходит внутренняя конверсия, то электромагнитные мультипольные поля ядра не приводят к испусканию фотона, вместо этого поля взаимодействуют с атомными электронами и вызывают испускание одного из электронов из атома. Гамма-излучение, которое испускалось бы после бета-распада, пропускается, и интенсивность γ-излучения соответственно уменьшается: IT = Iγ + Ie− = Iγ(1 + αe), поэтому это явление необходимо учитывать при расчете. Кроме того, рентгеновские лучи будут загрязнены теми, которые возникают в процессе электронной конверсии. Это важно при распаде электронного захвата , так как это может повлиять на результаты любых рентгеновских спектров, если внутренняя конверсия сильна. Ее вероятность выше для более низких энергий и высоких мультипольностей.

Одним из способов получения полной матрицы коэффициентов ветвления является использование статистической ядерной модели. Эта модель генерирует бинированную матрицу коэффициентов ветвления из средних плотностей уровней и средних функций гамма-силы. Для неизвестной части можно рассчитать средние коэффициенты ветвления, для которых можно выбрать несколько параметризаций, в то время как для известной части используется информация из баз данных.

Моделирование реакции

Невозможно создать гамма-источники, которые излучают все энергии, необходимые для точного расчета отклика детектора TAS. По этой причине лучше выполнить моделирование отклика методом Монте-Карло. Чтобы это моделирование было надежным, взаимодействия всех частиц, испускаемых при распаде (γ, e−/e+, Оже e, рентгеновские лучи и т. д.), должны быть точно смоделированы, а геометрия и материалы на пути этих частиц должны быть хорошо воспроизведены. Кроме того, необходимо включить производство света сцинтиллятором. Способ выполнения этого моделирования подробно описан в статье Д. Кано-Отта и др. [5]. GEANT3 и GEANT4 хорошо подходят для такого рода моделирования.

Если сцинтилляционный материал детектора TAS страдает от непропорциональности в производстве света, [6] пики, произведенные каскадом, будут смещаться дальше для каждого приращения множественности, и ширина этих пиков будет отличаться от ширины одиночных пиков с той же энергией. Этот эффект может быть введен в моделирование с помощью гиперболической сцинтилляционной эффективности. [7]

Моделирование производства света расширит пики спектра TAS; однако это все еще не воспроизводит реальную ширину экспериментальных пиков. Во время измерения возникают дополнительные статистические процессы, которые влияют на сбор энергии и не включены в Монте-Карло. Эффект этого заключается в дополнительном расширении экспериментальных пиков TAS. Поскольку пики, воспроизведенные с помощью Монте-Карло, не имеют правильной ширины, к моделируемому отклику необходимо применить свертку с эмпирическим распределением инструментального разрешения.

Наконец, если данные для анализа получены из событий захвата электронов, необходимо построить матрицу смоделированного гамма-ответа с использованием смоделированных ответов на отдельные моноэнергетические γ-лучи нескольких энергий. Эта матрица содержит информацию, связанную с зависимостью функции отклика от детектора. Чтобы включить также зависимость от измеряемой схемы уровня, вышеупомянутую матрицу следует свернуть с матрицей коэффициента ветвления, рассчитанной ранее. Таким образом, получается окончательный глобальный ответ R.

Вспомогательные детекторы

Важно помнить при использовании метода TAS, что если измеряются ядра с коротким периодом полураспада , энергетический спектр будет загрязнен гамма-каскадами дочерних ядер, образующихся в цепочке распада. Обычно детекторы TAS имеют возможность размещать внутри себя вспомогательные детекторы для измерения вторичного излучения, такого как рентгеновские лучи , электроны или позитроны . Таким образом, можно пометить другие компоненты распада во время анализа [ сломанный якорь ] , что позволяет разделить вклады, поступающие от всех различных ядер ( изобарическое разделение).

Детекторы TAS в мире

TAS в ISOLDE

В 1970 году в ISOLDE использовался спектрометр, состоящий из двух цилиндрических детекторов NaI диаметром 15 см и длиной 10 см . [8]

TAS в GSI

Измерительная станция TAS, установленная в GSI [ 9], имела систему транспортировки ленты, которая позволяла собирать ионы, выходящие из сепаратора (они имплантировались в ленту), и транспортировать эти ионы из позиции сбора в центр TAS для измерения (посредством движения ленты). TAS на этой установке был изготовлен из цилиндрического кристалла NaI с Φ = h = 35,6 см, с концентрическим цилиндрическим отверстием в направлении оси симметрии. Это отверстие было заполнено заглушкой-детектором (4,7x15,0 см) с держателем, который позволял размещать вспомогательные детекторы и два ролика для ленты.

Измерительная станция Лукреция

Измерительная станция «Лукреция», где можно увидеть экранирование белым цветом, а также линию луча, по которой поступают радиоактивные вещества.

Эта измерительная станция, установленная в конце одного из каналов ISOLDE , состоит из TAS и станции записи на магнитную ленту. [10]

На этой станции для удержания ленты используется труба пучка. Пучок имплантируется в ленту снаружи TAS, которая затем транспортируется в центр детектора для измерения. [10] На этой станции также возможно имплантировать пучок непосредственно в центр TAS, изменяя положение роликов. Последняя процедура позволяет измерять более экзотические ядра с очень короткими периодами полураспада. [ необходима цитата ]

Lucrecia — это TAS на этой станции. Он сделан из одного куска материала NaI(Tl) цилиндрической формы с φ = h = 38 см (крупнейший из когда-либо построенных, насколько нам известно). Он имеет цилиндрическую полость диаметром 7,5 см, которая проходит перпендикулярно его оси симметрии. Цель этого отверстия — позволить трубе пучка достичь положения измерения, чтобы лента могла быть расположена в центре детектора. Это также позволяет размещать вспомогательные детекторы на противоположной стороне для измерения других типов излучения, испускаемого активностью, имплантированной в ленту (рентгеновские лучи, e−/e+ и т. д.). [11] Однако наличие этого отверстия делает этот детектор менее эффективным по сравнению с GSI TAS (общая эффективность Lucrecia составляет около 90% от 300 до 3000 кэВ). [12] Свет Lucrecia собирается 8 фотоумножителями. [13] Во время измерений Lucrecia поддерживает общую скорость счета не более 10 кГц, чтобы избежать вкладов наложения второго и более высокого порядка. [14]

Вокруг ТАС находится защитный короб толщиной 19,2 см, состоящий из четырех слоев: полиэтилена, свинца, меди и алюминия. Его цель — поглотить большую часть внешнего излучения (нейтроны, космические лучи и фон помещения). [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Рубио, Б.; Джеллетли, В. (2007). "Спектроскопия полного поглощения" (PDF) . Romanian Reports in Physics . 59 (2): 635–654.
  2. ^ Tain, JL; Cano-Ott, D. (2007). «Влияние неизвестного паттерна девозбуждения на анализ спектров полного поглощения β-распада». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел A. 571 ( 3): 719–728. Bibcode : 2007NIMPA.571..719T. doi : 10.1016/j.nima.2006.09.084.
  3. ^ Tain, JL; Cano-Ott, D. (2007). «Влияние неизвестного паттерна девозбуждения на анализ спектров полного поглощения β-распада». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел A. 571 ( 3): 719–728. Bibcode : 2007NIMPA.571..719T. doi : 10.1016/j.nima.2006.09.084.
  4. ^ Файл данных по оцененной структуре ядра (ENSDF) http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/
  5. ^ Кано-Отт, Д.; и др. (1999). "Коррекция наложения импульсов больших спектров полного поглощения NaI(Tl) с использованием истинной формы импульса". Ядерные приборы и методы в исследованиях физики, раздел A. 430 ( 2–3): 488–497. Bibcode : 1999NIMPA.430..488C. doi : 10.1016/S0168-9002(99)00216-8.
  6. ^ Engelkemeir, D. (1956). «Нелинейный отклик NaI(Tl) на фотоны». Rev. Sci. Instrum . 27 (8): 589–591. Bibcode : 1956RScI...27..589E. doi : 10.1063/1.1715643.
  7. ^ Кано-Отт, Д. (1998). {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ) ; Отсутствует или пусто |title=( помощь )
  8. ^ Дьюк, CL; и др. (1970). "Явления силовой функции в бета-распаде электронного захвата". Nuclear Physics A. 151 ( 3): 609–633. Bibcode : 1970NuPhA.151..609D. doi : 10.1016/0375-9474(70)90400-8.
  9. ^ Карни, М.; и др. (1997). «Соединение спектрометра полного поглощения с масс-сепаратором GSI в режиме реального времени». Ядерные приборы и методы в исследованиях физики, раздел B. 126 ( 1): 411–415. Bibcode : 1997NIMPB.126..411K. doi : 10.1016/S0168-583X(96)01007-5.
  10. ^ ab Nacher, Enrique; Algora, Alejandro; Berta, Rubio (8 января 2020 г.). «Модернизация и научная программа LUCRECIA, спектрометра полного поглощения на ISOLDE». ЦЕРН. Женева. ISOLDE и Комитет по экспериментам с нейтронами по времени пролета .
  11. ^ Nácher, E; Algora, A; Rubio, B; Taı́n, J. L; Cano-Ott, D; Borge, MJ G; Courtin, S; Dessagne, Ph; Escrig, D; Fraile, L. M; Gelletly, W; Jungclaus, A; Le Scornet, G; Maréchal, F; Miehé, Ch (2004-04-05). "Спектроскопия полного поглощения 76Sr с помощью спектрометра Lucrecia на ISOLDE". Nuclear Physics A . Труды Восьмой международной конференции по столкновениям ядер-ядер (NN2003). 734 : E84–E87. doi :10.1016/j.nuclphysa.2004.03.026. ISSN  0375-9474.
  12. ^ Алгора, А.; Ганиоглу, Э.; Сарригурен, П.; Гуадилья, В.; Фрайле, LM; Нахер, Э.; Рубио, Б.; Тейн, Дж.Л.; Аграмунт, Дж.; Геллетли, В.; Бриз, Дж.А.; Чакырли, РБ; Фалло, М.; Джордан, Д.; Халас, З. (10 августа 2021 г.). «Исследование β-распада 186Hg с помощью гамма-спектроскопии полного поглощения». Буквы по физике Б. 819 : 136438. doi :10.1016/j.physletb.2021.136438. hdl : 10261/261345 . ISSN  0370-2693. S2CID  242131457.
  13. ^ Бриз, Дж.А.; Нахер, Э.; Борге, MJG; Алгора, А.; Рубио, Б.; Тайн, Дж.Л.; Кано-Отт, Д.; Куртин, С.; Дессань, доктор философии; Марешаль, Ф.; Миэ, Ч.; Пуарье, Э.; Эскриг, Д.; Юнгклаус, А.; Тенгблад, О. (30 июня 2015 г.). Спектроскопия полного поглощения ядра N=Z 72 Kr . Журнал Физического общества Японии. дои : 10.7566/JPSCP.6.020050 . ISBN 978-4-89027-110-8.
  14. ^ Гвадилья, Виктор; Пфютцнер, Марек; Аграмунт, Хорхе; Альгора, Алехандро; и др. (5 января 2021 г.). «Спектроскопия бета-распада 27Na и 22O для исследований асимметрии изоспина в оболочке sd». ЦЕРН. Женева. ISOLDE и Комитет по экспериментам с нейтронами по времени пролета .
  15. ^ Nácher, E; Algora, A; Rubio, B; Taı́n, J. L; Cano-Ott, D; Borge, MJ G; Courtin, S; Dessagne, Ph; Escrig, D; Fraile, L. M; Gelletly, W; Jungclaus, A; Le Scornet, G; Maréchal, F; Miehé, Ch (2004-04-05). "Спектроскопия полного поглощения 76Sr с помощью спектрометра Lucrecia на ISOLDE". Nuclear Physics A . Труды Восьмой международной конференции по столкновениям ядер-ядер (NN2003). 734 : E84–E87. doi :10.1016/j.nuclphysa.2004.03.026. ISSN  0375-9474.

Внешние ссылки