LABORATÓRIO ABERTO DE FÍSICA NUCLEAR

Proposta de Experimento Período :

Título: Medida de Estados Isoméricos dos Isótopos Duplamente Ímpares de Ga

Responsável: Paula R. P. Allegro/ Nilberto H. Medina e-mail: allegro@dfn.if.usp.br/ medina@if.usp.br

Participantes: Paula R. P. Allegro, Nilberto H. Medina, José Roberto B. de Oliveira, Roberto V. Ribas, Dennis L. Toufen e Vitor A. P. de Aguiar

Porta Voz: Paula R. P. Allegro e-mail: allegro@dfn.if.usp.br

Número de dias solicitados: 10 dias (divididos em 3+3+4) Datas preferidas:

Datas realmente impossíveis: qualquer data antes de setembro de 2011

Canalização: 30A

Feixe

Est. Carga I

V

V

Pulsado?

11B 5+ 10 nA 6,0 7,0 Não

11B 5+ 10 nA 6,8 7,2 Não

12C 6+ 10 nA 7,8 8,0 Não

Alvos: 46Ti e 58Ni Pastilhas:

Características de Feixe Pulsado:

Continuação da Experiência já Aprovada N°:

Outras informações: Continuação do projeto de doutorado de sistemática dos núcleos duplamente ímpares de Ga, desenvolvido por Paula R. P. Allegro. Devido à grande dificuldade para montagem do arranjo experimental, solicita-se que os 3 períodos solicita-sejam realizados em solicita-sequência, ou solicita-seja, o primeiro período para montagem e testes do arranjo experimental seja feito 3 a 4 semanas antes dos outros dois períodos de máquina.

LABORATÓRIO ABERTO

DE FÍSICA NUCLEAR

Medida de Estados Isoméricos dos Isótopos Duplamente Ímpares de Ga

P.R.P. Allegro, N.H. Medina, J.R.B. Oliveira, R.V. Ribas, D.L. Toufen e V. A. P. Aguiar Departamento de Física Nuclear – Instituto de Física da USP

Resumo

As experiências consistem na medida e procura de estados isoméricos nos isótopos duplamente ímpares

64,66

Ga. Para tanto, os isótopos serão produzidos através de reações de fusão-evaporação utilizando o acelerador Pelletron. As medidas e procura de estados isoméricos serão feitas utilizando o SISMEI (SIStema de Medidas de Estados Isoméricos), sistema desenvolvido para medida de vidas médias utilizando a técnica de coincidência atrasada entre partículas carregas e raios .

Abstract

The experiments consist in measuring and searching for isomeric states of the odd-odd 64,66Ga isotopes. The isotopes will be produced by fusion-evaporation reactions using the Pelletron accelerator. The measurements will be made using the SISMEI (SIStema de Medidas de Estados Isoméricos), a system designed to measure half lives using the technique of delayed coincidence between charged particles and gamma-rays.

Introdução e Justificativa

A estrutura dos núcleos, assim como a dos átomos, pode ser entendida a partir do estudo dos seus estados quânticos internos e suas interconexões. Conhecer os estados quânticos internos implica em determinar suas funções de onda, porém estas não podem ser medidas diretamente. Assim, devem-se estudar as propriedades de cada estado nuclear: energia, spin, paridade, vida média, probabilidades de transição reduzidas elétricas (B(Eλ)) e magnéticas (B(Mλ)), entre outras e, a partir delas, inferir informações a respeito da função de onda dos estados excitados.

Dentre as propriedades dos estados nucleares, a vida média tem especial importância, pois é a partir dela que se pode determinar as probabilidades de transição reduzidas elétricas (B(Eλ)) e magnéticas (B(Mλ)). Tais probabilidades dependem fortemente da função de onda e por isso representam um teste robusto para modelos nucleares, visto que certos modelos podem prever bem as energias dos estados, porém não são capazes de determinar as funções de onda com precisão. Além disso, o conhecimento da vida média de um estado é ponto de partida para medidas de outras propriedades como o fator giromagnético (fator g) que pode ser utilizado para identificar a configuração de um determinado estado nuclear, como visto em [1].

Estados isoméricos geralmente ocorrem quando estes apenas decaem através de transições em que a variação de momento angular é maior ou igual a 3 (Δl ≥ 3), no entanto existem diversos casos de estados isoméricos que decaem através de transições com Δl ≤ 2 mas cuja energia do raio γ é pequena. Tanigaki [2], por

exemplo, determinou a meia vida do primeiro estado excitado do 64Ga em 21,9(7) μs. Este estado isomérico decai através de uma transição E2 (Δl = 2) cuja energia do raio γ vale apenas Eγ = 42,89(10) keV.

No caso dos isótopos duplamente ímpares do Ga, a maioria dos estados isoméricos conhecidos é proveniente de transições E2 com energias menores do que 250 keV, como visto nos esquemas parciais destes

núcleos na Figura 1. Os núcleos 62,64,66,68,70Ga possuem pelo menos um estado isomérico cada: T1/2 = 4,6 (16) ns [3] para o estado de energia 817,2 keV do 62Ga; T1/2 = 21,9 (7) µs [2] para o estado de energia

42,85 keV, T1/2 = 6,9 (7) ns [4] para o estado de energia 128,05 keV e T1/2 ≈ 3ns [5] para o estado de energia

170,95 keV do 64Ga; T1/2 = 18,0 (9) ns [6] para o estado de energia 43,812 keV, T1/2 = 23,0 (14) ns [6] para o

estado de energia 66,139 keV, e T1/2 = 57,3 (14) ns [7] ou 39 (2) ns [8] para o estado de energia 1464,33 keV do 66

Ga; T1/2 = 62,0 (14) ns [7] para o estado de energia 1229,87 keV do 68Ga e T1/2 = 22,7 (5) ns [9] para o estado

de energia 879,1 keV do 70Ga. Nota-se que para o núcleo 64Ga não é conhecido nenhum estado isomérico com energia acima de 800 keV, como ocorre em todos os outros núcleos. Já para o núcleo 66Ga, há duas medidas de vida média não compatíveis para o estado 1464 keV: T1/2=57,3 (14) ns e 39 (2) ns.

Figura 1: Esquemas parciais dos núcleos 62Ga [10], 64Ga[11], 66Ga[12], 68Ga[13] e 70Ga[14]. As energias das transições e dos estados são dadas em keV. Os estados em negrito são os isoméricos conhecidos destes núcleos.

Neste projeto pretende-se procurar novos estados isoméricos no isótopo duplamente ímpar 64Ga, já que a sistemática dos outros isótopos indica a existência de um estado isomérico com energia maior do que 800 keV. Pretende-se também medir o estado de energia 1464 keV do núcleo 66Ga, para determinar a meia vida deste estado.

Os isótopos serão produzidos através de reações de fusão-evaporação (vide Tabela 1) utilizando o acelerador Pelletron. A medida das meias vidas dos estados isoméricos será feita utilizando o SIStema para Medidas de Estados Isoméricos (SISMEI) desenvolvido por Toufen [15]. O SISMEI, cuja vista superior é mostrada na Figura 2, é composto por 10 detectores de partícula do tipo ―Phoswich‖ acomodadas ao redor de uma câmara em forma de dodecaedro (SACI – Sistema Ancilar de CIntiladores [16]) e dois detectores de raios

: um detector de GeHP e um de NaI(Tl). O detector de GeHP é utilizado devido a sua boa resolução em energia(~2 keV em 1,3 MeV), essencial para distinguir picos de raios γ com energias próximas. Já o detector de NaI(Tl) tem uma resolução em tempo superior (~7 ns), o que é importante para se realizar medidas de vidas médias mais curtas. A resolução temporal dos detectores de GeHP é da ordem de dezenas de ns.

Este sistema utiliza uma técnica alternativa para a medida de vidas médias de estados nucleares na faixa de 10 ns a 10 μs, sem a utilização de feixe pulsado. Este técnica baseia-se principalmente na coincidência atrasada entre partículas carregadas (prótons e alfas) evaporadas pelo núcleo composto, formado na reação de fusão-evaporação, e os raios γ emitidos pelo núcleo residual.

No SISMEI, o núcleo residual formado na reação nuclear, após a evaporação de partículas (~10-19s), recua em vácuo, por uma distância suficiente para permitir a blindagem dos detectores de raios gama da intensa radiação proveniente do alvo, até atingir um anteparo (stopper). Com isso, os decaimentos de estados isoméricos com vida-média da ordem do tempo de vôo do núcleo, ou superior, podem ser observados por detectores de raios gama nas proximidades do anteparo, em coincidência atrasada com as partículas carregadas observadas nos detectores do SACI. O sinal do início da contagem de tempo (start) é dado pelos detectores de partículas carregadas do SACI e o sinal do fim da contagem de tempo (stop) é fornecido pelos detectores de raios γ de NaI(Tl) e/ou GeHP, posicionados na extremidade final do cone.

reação Energia do feixe (MeV) Seção de choque (mb)

58

Ni(12C, αpn) 64Ga 56 ~ 98

58

Ni(11B, 2pn) 66Ga 40 ~192

Tabela 1: Reações de fusão-evaporação que serão utilizadas para produção dos isótopos duplamente ímpares de Ga, juntamente com a energia de feixe necessária e as seções de choque de produção de cada núcleo estimadas através do programa PACE [17].

Figura 2: SISMEI visto por cima [15]. Pode se observar: uma peça cônica (1), cuja extremidade menor fica acoplada ao SACI, um detector cintilador de raios γ de NaI(Tl) (2), um detector semicondutor de raios γ de GeHP com supressor Compton (3), duas peças de chumbo com 5 cm e 7 cm de espessura que blindam os detectores de GeHP e NaI(Tl), respectivamente (4) e (5) e o Sistema Ancilar de Cintiladores (SACI) (6). O alvo é posicionado no centro do SACI.

6 u ma pe ça cô nic a de du ral u mí ni o cuj a ext re mi da de 3 u ma pe ça cô nic a de du ral u mí ni o cuj 5 u ma pe ça cô nic a de du ral u mí ni o cuj a 4 u ma pe ça cô nic a de du ral u mí ni o cuj a ext re mi da de 2 u ma pe ça cô nic a de du ral u mí ni 1 u ma pe ça cô nic a de du ral u mí ni

Solicitação de Dias de Máquina

Para a medida de vidas médias do isótopos duplamente ímpar do Ga solicita-se:

 3 dias para testes da eletrônica de aquisição e do arranjo experimental com um intervalo de 1 mês para os outros dias de experiência. Neste teste será utilizada a reação

46

Ti(11B,1p2n)54Fe, Efeixe = 30 – 40 MeV. Esta experiência já foi realizada anteriormente utilizando o SISMEI [15] e representa um bom teste para o sistema.

 4 dias para medida de estados isoméricos do núcleo 64

Ga. Para a medida do núcleo 64Ga, com uma corrente de 10 nA e alvo de 1 mg/cm2, estima-se uma taxa de contagens de 180 contagens/hora.

 3 dias para medida de estados isoméricos do núcleo 66

Ga. Para a medida do núcleo 64Ga, com uma corrente de 10 nA e alvo de 1 mg/cm2, estima-se uma taxa de contagens de 400 contagens/hora.

Total de dias solicitados: 10 dias.

Referências

[1] IONESCU-BUJOR, M. et al. Physics Letters B, v. 495, p. 289-284, 2000.

[2] TANIGAKI, M. et al. The European Physical Journal A, v. 6, p. 119-120, 1999. [3] VINCENT, S.M. et al. Physics Letters B, v. 437, p. 264–272, 1998.

[4] HANSEN, L.H., et al, Physical Review C, v.10, p.1111-1121,1974.

[5] ROODBERGEN, S. et al.,. Zeitschrift für Physik A, v. 275, p.45 -50, 1975. [6] LEITZ, W. et al, Nuclear Physics A, v. 258, p. 103-108, 1976.

[7] FILEVICH, A. et al. Nuclear Physics A, v. 295, p. 513-524, 1978.

[8] KOUDA, T. et al., Annual Report 1996 -Cyclotron and Radio-isotope Center, Tohoku University, p.19, 1997.

[9] HUTCHEON, D. A. et al. Nuclear Physics A, v. 245, p. 306 - 316, 1975.

[10] RUDOLPH, D. et al, Physical Review C, v. 69, p. 034309-1 — 034309-11, 2004.

[11] SCHMAL N. et al. Shell Proceedings of the International Symposium on In-Beam Nuclear Spectroscopy, 1984. v.1, p.121 – 128, 1984.

[12] MORAND C. et al. Nuclear Physics A, v. 308, p. 103-124, 1978.

[13] SINGH, A. K. et al. European Physical Journal A, v.9, p. 197–200, 2000. [14] MORAND C. et al. Journal de Physique, v. 38, 105 -112, 1977.

[15] TOUFEN, D. L. Sistema para Medidas de Estados Isoméricos. 2008. (Mestrado em Ciências) - Instituto de Física da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.

[16] ALCÁNTARA-NÚÑEZ, J.A. et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, v. 497, p. 429-439, 2003.