Transition monopolaire dans 18O

]

1.E.8: 6.A

Nuclear Physics 73 (1965) 7 4 - 8 0 ; (~) North-Holland Publishing Co., Amsterdam Not to be reproduced by photoprint or microfilm without written permission from the publisher

TRANSITION MONOPOLAIRE DANS tSo S. G O R O D E T Z K Y , A. G A L L M A N N , J. P. C O F F I N , G. F R I C K et F. J U N D T Institut de Recherches Nuch;aires, Strasbourg, France Requ le 19 mars 1965 Abstract: A Siegbahn-Slatis intermediate-image magnetic pair spectrometer has been modified to determine the multipolarity o f electromagnetic transitions. The modification consists o f placing in the spectrometer a specially designed spiral baffle system, in this way we confirm the monopole character o f the transition between the 3.63 MeV excited level and the ground state o f ~80. E I N U C L E A R R E A C T I O N tsO(p,p'), E ~: 5.63 MeV; measurede+e -coincidences (ffe*,e-)" Deduced ~' multipolarity. Enriched target.

I. Introduction L'analyse, h l'aide de la th~orie de Newns, de la distribution angulaire des protons allant au niveau de 3.63 MeV de ~80, par la r6action 160 0, p)lSO, a permis ~ Jaffe et ses collaborateurs ~) de montrer que dans cette r6action de double stripping, les deux neutrons 6taient absorb6s par le n o y a u ~60 avec un m o m e n t orbital L = I~ + l 2 = 0. C o m m e le niveau fondamental de 160 est un niveau 0 ÷, ces auteurs concluent que le niveau de 3.63 MeV de 180 est un niveau J " = 0 ÷. En utilisant la rfaction 3H(1604+, P, 7) 18 O , Litherland et ses collaborateurs z) ont montr6 que le niveau de 3.63 MeV de 180 se d6sexcite principalement vers le premier niveau excit6 b. 1.98 MeV, d o n n a n t ainsi lieu h une cascade de rayonnements g a m m a de 1.65 MeV et de 1.98 McV. En mesurant la corr61ation angulaire g a m m a - g a m m a de cette cascade, ces auteurs ont montr6 que le niveau de 3.63 MeV a un m o m e n t angulaire 6gal b. 0. Ult6rieurement, Litherland et ses collaborateurs 3) ont mesur6 la vie moyenne du niveau de 3.63 MeV: z = 3 + 1 ps et montr6 l'existence d ' u n e acc616ration de la transition E2 entre les niveaux de 3.63 MeV et de 1.98 MeV. Nous-m~mes, duns un travail pr6c6dent, avons mesur6 le rapport FJF.~ pour le niveau de 3.63 MeV ct obtenu la valeur de 3.3 fm 2 pour l'616ment de matrice de la transition de paires vers le niveau fondamental 4) de ~80. Cette valeur compar6e b. celle de 4 fm / pour la transition E0 de 6.056 MeV duns 160, suggbre que la transition entlc le niveau de 3.63 MeV et le niveau fondamental de 180 est ~galement une transition E0. Duns un travail rdcent, Eswaran et Broude 5) d o n n e n t p o u r la vie moyenne du niveau de 3.63 MeV la valeur limite r _>_ 2.6 ps. Ce r~sultat permet de donner pour l'616mcnt de matrice de la transition 3.63 MeV -- 0 la valeur limitc ( M ) < 3.5 fm 2 et ne modifie pus le caract6re suppos6 de la transition. 74

TRANSITION MONOPOLAIRE

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Une m6thode permettant d'6tablir d'une faqon intrins~que le caract~re multipolaire des transitions 61ectromagn6tiques, a 6t6 mise au point au Brookhaven National Laboratory par Warburton et al. 6). Le dispositif exp6rimental que requiert cette m6thode pourrait 6tre d6sign6 sous le nom de ,,multipolem~tre", comme le suggbrent ces auteurs. Dans un but de commodit6, nous avons conserv6 cette d6signation dans ce qui va suivre. Nous-mfimes avons am6nag6 en "multipolem~tre" le spectrom&re magn6tique h image interm6diaire du type Siegbahn-Sl/itis de l'lnstitut de Recherches Nucl6aires de Strasbourg-Cronenbourg et appliqu6 cette nouvelle technique ~ la mesure de la multipolarit6 de la transition 3.63 MeV ~ 0 de 180.

2. Description du Multipolemetre Nous n'allons pas d6crire en d6tails la technique g6n&ale du ,,multipolem&re", qui est expos6e dans les articles de Warburton et ses collaborateurs 6,7), et que le lecteur aura int&~t b. lire s'il n'est pas au courant de cette technique. Nous nous bornerons 5. un expos6 sommaire du principe de la m6thode et nous mentionnerons les points sur lesquels le ,,multipolem&re" que nous avons utilis6 diff~re de celui de Brookhaven. La mesure de la corr61ation angulaire 61ectron-positon des paires internes cr66es dans les noyaux 16gers, en comp6tition avec les transitions 61ectromagn6tiques dont l'6nelgie est sup6rieure h 1.02 MeV, est une mdthode de ddtermination de la multipolarit6 de ces transitions. En effet, en utilisant rapproximation de Born, on peut calculer avec pr6cision la corr61ation angulaire 61ectron-positon des paires cr66es, et montrer que cette corr61ation est tr6s sensible b. la multipolarit6 de la transition. Jusqu'ici, pour mesurer les corr61ations angulaires 61ectron-positon, on utilisait deux d6tecteurs h scintillateurs plastiques 8) l'un fixe, l'autre mobile, entre lesquels on faisait varier l'angle. Dans cette mdthode, on mesure, b. diffdrents angles, le nombre de coincidences entre les impulsions provenant des deux d6tecteurs. L'inconvdnient de cette m6thode est qu'elle prdsente une mauvaise r6solution en 6nergie. La corr61ation angulaire, Iorsque l'61ectron et le positon d'une paire ont la m~me ~nergie, est beaucoup plus sensible ,h la multipolarit6 de la transition que la corr6lation angulaire int6grde sur tout le domaine d'6nergie e +, e-. Or, darts un spectrom6tre magn6tique d'61ectrons h image interm6diaire, amdnag6 en spectrom~tre b. paires, le positon et l'61ectron d'une paire ne sont focalis6s sur les ddtecteurs que si leurs 6nergies sont les m~mes, c'est-h-dire, si W+ = W_ = ½-k, W± -

E_+ +1, 1710C2

E+ = E_ = ½(E r - 1 . 0 2 2 ) MeV,

et o~ ET et k repr6sentent l'6nergie de la transition, respectivement en MeV et en unit6s mo c2. Par ailleurs, l'efficacit6 d'un tel spectrom&re d6pend de la corr61ation angulaire 61ectron-positon. I i e n r6sulte que ce spectrom6tre est utilisable pour la d6termination de la multipolarit6 des transitions 61ectromagn6tiques, ~. la condition

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s. GORODETZKYet al.

qu'il soit am6nag6 en cons6quence. Cet am6nagement consiste "b. placer derri6re l'ouverture annulaire centrale de l'appareil un 6cran s6lecteur particulier. Le r61c de cet 6cran est de ne s61ectionner que l'61ectron et le positon d'une paire, 6mis chacun dans des secteurs azimutaux tn, oppos6s et de part et d'autre de l'axe du spectrombtre. Un spectrom6tre ainsi modili6 peut ~tre appel6 un .,multipolembtre". Du point de vue exp6rimental, la m6thode consistera h mesurer: (i) le hombre de co'incidences N E pour une charge QE lorsque l'6cran s61ecteur est en place. On ne d6tecte alors que les paires pour lesquelles l'angle azimutal ~ entre les directions d'6mission de l'61ectron et du positon cst sup6rieur ou 6gal ft. ~mini . . . . (ii) le nombre de CO'l'ncidences NsE pout" une charge QsE lorsque le spectrom6tre travaille dans des conditions normales, c'est-~-dire, sans 6cran s61ecteur. On pourra ainsi, calculer un rapport R~, = (N~/QE)/(NsE/QsE). Du point de rue th6orique ce rapport est 6gal 5-: R,~(I) = ~l(to)/e~(2~),

o6 e,~(to) et e~(2n) sont les efficacitds du spectromhtre avec et sans 6cran s4lecteur respectivement; elles d~pendent de la corrdlation angulaire 61ectron-positon int~gr~e sur certains domaines angulaires. L'expression des efficacit6s ~:t(2n) a 6t6 donn~e par Wilkinson et ses collaborateurs 9), celles des efficacit6s ~;~(~o) par Warburton et ses collaborateurs 6). On peut done, cormaissant la g6om6trie du dispositif calculer les rapports th6oriques R,o pour diff6rentes multipolarit6s, en fonction de l'6nergie, et tracer des courbes dont chacune correspond 5- une certaine nature mu[tipolaire. Ces calculs ne tiennent pas compte des effets d'alignement du noyau. Si le noyau est align6, c'est-5--dire si les populations des sous 6tats magn6tiques du niveau 6metteur ne sont pas 6gales, le rapport R,,, est affect6 d'un coefficientf. Ce coefficient contient toutes les informations relatives 5. l'alignement du niveau 6metteur et sera calcuI6 5. partir de la mesure de la distribution angulaire des rayonnements g a m m a 6mis en comp6tition avec les paires. Du point de rue pratique, la comparaison directe du rapport exp6rimental R ' , corrig6 pour les effets d'alignement, et des rapports R,~ calculus, permet de d6duire la nature multipolaire d'une transition. Nous avons am6nag6 le spectrom6tre magn6tique 5- image interm6diaire SiegbalmSl/~tis de notre laboratoire en ,,multipolembtre", bien qu'il diff~re du spectrombtre du Brookhaven National Laboratory par le fait que ses dimensions sont plus petites, qu'il a un circuit magn6tique en fer et que ses caract6ristiques sont moins bonnes. Pour cet am6nagement nous avons dfi mesurer l'angle polaire ~ d'6mission des 61ectrons et des positons par rapport ",k l'axe du spectrombtre, car le rapport R,:,(I) d6pend de cet angle. Nous avons 6galement mesur6 l'angle de rotation fl des 61ectrons et des positons entre la cible et les d6tecteurs, car la connaissance de cet angle est indispensable pour la r6alisation du systbme d'6cran s61ecteur. Ces deux a~.lgles ont 6t6 mesur6s d'une manibre analogue ~ celle utilis6e par Warburton et sos collaboratours ~). Nous avons trouv6 :t = 45~6+ 1° et fl = 225~_+5 °. Notre syst6me d'6cran s61ecteur se compose d'une couronne en laiton sur laquelle

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sont dispos6es des ailettes (6galement en laiton de 1.25 mm d'6paisseur) d6finissant des secteurs azimutaux co = 105 °. Chaque ailette peut coulisser dans une gorge usin6e b, cet effet dans la couronne en laiton. Grfice ~t un entrainement m6canique command6 depuis l'ext6rieur du spcctrombtre, on peut donner 'h ces ailettes un mouvement radial, et par suite les mettre en place ou les escamoter "Avolont6. Ceci permet d'alterner los mesures avec 6cran et sans 6cran de faqon rapide et continue, en particulier sans rupture du vide, 6vitant ainsi de modifier les conditions de travail d'une mesure ~. l'autre. Connaissant la g6om6trie de notre dispositif, nous avons calcul6, ~. l'aide d'un ordinateur I B M 1620 les efficacit6s ~,t(2~z), el(co) et les rapports R,o(I) en fonction de l'6nergie des transitions 61ectromagn6tiques pour des valuers de l allant de l = 1/t 4. Nous avons trac6 un cnsemble de courbes dont chacune correspond b. une transition d'une certaine nature: E0, El, M1, M 2 . . . etc. Par une m6thode de moindre carr6, on peut ajuster les courbes th6oriques aux points exp6rimentaux. A c e jour, le nombre encore insuffisant de nos mesures ne nous a pas permis de le faire. Nfanmoins, nous avons mesur6 les rapports R~, pour les transitions E0, bien connues, de 6.056 MeV et 3.351 MeV dans ~60 et 4°Ca respectivement. Nous avons trouv6 R~, = 0.225+0.004 dans le cas de x60 et R~ = 0.2234-0.004 dans celui de 4°Ca. Ces r6sultats, confirment le fait que les rapports R~o exp6rimentaux correspondants b, des transitions monopolaires sont ind6pendants de l'6nergie comme le montre le calcul des rapports R,o th6oriques. De plus, ils donnent la valeur caract6ristique du rapport correspondant b, une transition monopolaire. Nous pensons donc, que d6s/t pr6sent, si une transition est d'une telle nature, notre dispositif permet de le voir. On notera que pour les transitions E0, la correction d'alignement est nulle. En effet, il ne peut y avoir de direction privil6gi6e d'6mission dans l'espace si le niveau 6metteur est un niveau J~ = 0 +.

3. l~tude de la Multipolarit~ de la Transition 3.63 MeV ~ 0 Le niveau de 3.63 MeV de ~80 a ~t6 atteint par diffusion in61astique de protons de 5.630 MeV. Nous avons choisi cette 6nergie de bombardement pour la raison suivante: notre travail mentionn6 plus haut 4), effectu6 ~ raidc de la r6action 180(p, p,) 180 A l'6nergie de bombardement Ep = 5.3 MeV, montre que la ligne de paires correspondant A la transition 3.63 MeV ~ 0 pr~sente un taux de comptage tr~s faible (taux de l'ordre de 50 paires par heure). 11 importait donc de choisir de nouvelles conditions d'exp6riences ol) le rendement cn paires soit plus important. AjzenbergSelove et Lauritsen a o) mentionnent l'existenee d'une r6sonance dans la courbe d'excitation de la r6action 180(p, n) 18F pour une 6nergie de bombardement en protons de 5.630 MeV. A l'aide de la r6action aSO(p, p')~80 nous avons, pour notre part, v6rifi6 l'existence de cette r6sonance et avons constat6 que pour cette 6nergie incidente de protons le niveau de 3.63 MeV se d6sexcitait par 6mission de paires internes vers le niveau fondamental avec un rendement quatre fois sup6rieur "&celui existant

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el aL

5.3 MeV. Ce r6sultat a 6t6 obtenu b. l'aide d'un circuit inspir6 de celui de Hoogenboom it) en observant les variations du nombre de coincidences entre les rayonnements gamma de la cascade 1.65 MeV-I.98 MeV pour des protons incidents dont l'6nergie variait entre 5.2 MeV et 5.8 MeV (fig. 1). La mesure du nombre de paires internes 6mises par le niveau de 3.63 MeV vers le niveau fondamental en fonction de l'6nergie incidente des protons aurait n6cessit6 un temps prohibitif. [--

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ENERGIE

516 "

DES

PROTONS

5.8 EN MeV

Fig. 1. Variations du n o m b r e de coYncidences entre les r a y o n n e m e n t s g a m m a de 1.65 M e V et de 1.98 MeV (provenant de la d6sexcitation du niveau de 3.63 M e V de 1sO vers le niveau f o n d a m e n t a l par l'interm6diaire du niveau de 1.98 MeV) p o u r des p r o t o n s incidents dont l'6nergie varie entre 5.2 MeV et 5.8 MeV.

Toutes les mesures d&rites dans ce chapitre ont 6t6 faites avec une cible de T a 2 0 5 obtenue par anodation d'une c6t6 d'une feuille de tantale de 10 mg/cm 2 en utilisant de l'eau dont l'enrichissement en ~80 6tait de 97.8 ~ ; la couche de Ta20 5 obtenue avait une 6paisseur approximative de 1 mg/cm z. Nous avons travaill6 avec un faisccau de 2 mm de diam&re et de 0.3 /aA d'intensit6, valeur maximum que la cible pouvait supporter sans dommage. Dans notre pr6c6dent travail4), nous utilisions une ouverture annulaire centrale du spectrom&re de I0 mm; cctte fois, la conception de notre &ran s61ecteur nous a impos6 de travailler avec une ouverture de 6 ram. Cette r6duction d'ouverture apporte une am61ioration de la r6solution: 2.3 9/00au lieu de 3.8 ~ environ, et par ailleurs une

TRANSITION

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diminution de la transmission de 20 ~o. Les figures 2a and 2b montrent les lignes de paires correspondant h la transition du niveau de 3.63 MeV vers ie niveau fondamental de 1s O sans 6cran s6lecteur et avec 6cran s61ecteur, respectivement. Le bruit de fond provient essentiellement des neutrons produits dans la cible. La mesure des spectres de paires avec et sans 6cran s61ecteur a 6t6 faite de la mani~re suivante: pour un point du spectre de paires internes, correspondant b. un certain courant dans le I

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3.4 3.6 3.2 3.4 36 MOMENT EH UNITES moC

Fig. 2. Lignes de paires internes c o r r e s p o n d a n t b. la transition entre le niveau de 3.63 MeV et le niveau f o n d a m e n t a l de 180 a) s a n s &:ran s61ecteur, b) avec &:ran s61ecteur.

spectrom~tre, nous effectuions le cycle de mesures ci-apr~s: nous mesurions le comprage NSE pour une charge de 100 #C, puis, aprbs mise en place de l'6cran s61ecteur nous mesurions le comptage NE pour une charge de 300 pC. Nous r6p6tions ce cycle dix fois. Cette mani~re de proc6der nous avertissait d'une modification de l'6tat de la cible par une variation des comptages d'un cycle 'b. l'autre. Nous nous sommcs ainsi assurds que pour chaque point, les comptages avec et sans 6cran s61ecteur avaient 6t6 mesur6s dans les m6mes conditions de travail. Nous proc6dions ensuite, 'b. des mesures identiques pour un autre point du spectre. En faisant varlet le courant darts le spectrom~tre toujours darts le m~me sens, nous avons mesur6 les comptages pour des points situ6s avant, dans et apr~s le pic de paires. La mise en place de l'6cran s61ecteur, ne modifie ni la r6solution du dispositif de d6tection, ni la position du pic de paires. En consdquence, par 6conomie de temps, les comptages pour certains points du spectre

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al.

n ' o n t 6t6 faits que sans 6cran s61ecteur. Ces mesures n ' & a i e n t destin6es qu'b. mieux c o n n a i t r e la forme du pic e t / t mieux choisir les points o6 des comptagcs avec et sans 6cran devaient 6tre effectu6s. Les mesures termin6es, nous avons v6rifi6, pour quelques points du spectre de paires, que les comptages n ' a v a i e n t pas vari6. Ce faisant, nous nous sommcs assur6s que la cible n ' a v a i t subi a u c u n e modification entre le d6but et la fin de cette exp6rience qui durait e n v i r o n 40 h. Apr6s d6duction du bruit de fond, la c o m p a r a i s o n de l'intensit6 des lignes de paircs obtenues avec 6cran et sans 6cran permet de calculer le rapport: R~o = 0.223+0.070. Dans la limite des erreurs, cette valeur R~o est en accord avec les valeurs trouv6es p o u r les transitions m o n o p o l a i r e s dans 1°O et 4°Ca mentionn6es plus haut. Ainsi est confirm6, ~t l'aide d ' u n e nouvelle technique, le caractbre m o n o p o l a i r e de la transition de 3.63 MeV ---, 0 de zSO. Le niveau f o n d a m e n t a l de t SO a y a n t un m o m e n t a n g u l a i r e 0 et une parit6 positive, il en r6sulte que le niveau excit6 5. 3.63 MeV est un niveau J " = 0 + ainsi que l'avaient indiqu6 des travaux pr6c6dents ~'z). Dans t80, le nivcau de marque, que de vibration

les niveaux de 3.55 MeV (4 +) et 3.92 MeV (2 +) pr6sentcnt donc, avcc 3.63 MeV, la sdquence de m o m e n t angulaire total: 4 ÷, 0 +, 2 +. O n rele triplet (4 ~ 0 + 2 + ) constitu6 par cctte s6quence, rcssemble au spcctre que l'on rencontre dans les noyau.x plus lourds (2).

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