ESPECTROMETRO AUTOMÁTICO PARA CORRELAÇÃO ANGULAR
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PUBLICAÇÃO IEA N.°
Outubro — VM\
INSTITI7TO I)E ENKÍlíilA AT6MICA
Caixa Posta) 11049 (Pinheiros)
CIDADE UNIVERSITÁRIA "ARMANDO DE 8ALLE8 OLIVEIRA"
SAO PAULO — BRASIL
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ESPECTROMETRO AUTOMÁTICO PARA CORRELAÇÃO ANGULAR 7-7
R. N Saxena, Nilton T S. Monteiro e A. Bairrio Nuevc Jr
Coordenadoria tíe Física Nuclur
Instituto de Energia Atômica
Sio Paulo Brasil
Publicação I ? A N ° 359
Outubro 1974
Instituto de E n e r y Atômica
Coneetho Superior
Eng? Roberto N. Jaf«t Presidente
Prof.Dr.Emttn Matter • Vict-Pretidente
Prof Or.Jo»* Augusto Martins
Prof.Or Milton Campos
Eng? Helc»o Modesto da Coita
Supf HI tendente
Rômuk) Ribeiro Pierom
ÊSPECTPÔMETRO AUTOMÁTICO PARA CORRELAÇÃO ANGULAR 7-7
íi N Sarona. Nitton T S Monteiro a A Bairrio Nuavo Jr.
RESUMO
F U N umi dwcrtçfo <i* airvide do eipecuòmatro 7 7 p*ri m*d>d*s de corwiaçio anguier direciona!.
inciwnào um» rntu •utomatic/, • K dttcto-ts utiluaxlot Dncravt m. umbem, o* titttma »t«uònico« uMdot
rm m«didM d» corrtlaçio o'i'trt<r,a< t mttçfai N» ptrtt I h« -jma p«qu«na mtroduçio MOnca.s daccnçâo
1 • ff-t« • n gana 11 N i parta 111 tio apraiantadas madtda» da corrtiaçôts direciona»
rvo l>0Hi • >o *A» São 'amüftm aprnentMtei rrwdidn d« m#i« v d a de mvtit nuclww
I PRtNOhOGOERAS
II
Ir
Ütiliza-M o «tpactrômatro para mtx^das da distribuição angular de radiação emitida por
nuclfóaos «m estados evcitadot A tecnic* utilizada (correlação angular direciona»)1-2 ocupa
lugar de d«taque nfo 10 oa Física Nuda* Exptrimanta'como também na Física do Estado
Só Ink), devido a quantidade de informaçfo qu« iodem ser obtidas; o tipo da informação vai
deptnder da radíaçfo observada. 0,0,? ou elétron; ^ « propriedades rnadidas pela experiência e
dos campo* extra nucleares agindo sobre o núcleo Paia a determinação de spins dos níveis e das
multipolfrtdades da; transições torna-se importam a minimizacio das pertubacões
extra nucleares a valores negligencia"weis Conhecendo se cs spins e as multipolarídades poda-M
estudar as interações nucleares com os campos externos, isto k, a interação do campo magnético
com o momento dipolar magnético e a interação do mon .*nto quadrupolar elétrico com o
gradiente rio c*mpo ttétrico Finalmente oonhecendo-w os momentos nucleares, os campos
extra nucleares (hiperf inot* podam ser determinados, a os diferentes mecanismos de interação
causados pala estrutura Física Química da amostra podem ser estudados Na determinação da
paridade dos níveis é necessário saber se a direção do vetor elétrico da radiação emitida, isto é, a
polarização «m adiçfo á direção de emissão
12 Corralaçlo Angular Perturbada a Não Perturbada
Um estudo da probabilidade de emissão de partículas, ou fotor», por núcleos radioativos
demormra que esta depende do angulo entre o spin nuclear e a direção de emissão. Em
circunstâncias normais espera-se que o padrão seja isotrópico, devido a "randcmização" dos
spins f V a obter se um padrão anisotròpico da radiação é necessária uma orientação dot spins,
como por ex«mpk>, colocar a amostra am baixa temperatura a medir se a distribuiçib angular
am relação a direção da um campo magnético, ou gradiente d<» campo elétrico, aplicado ao
material. Uma oitra maneira consista am fixar-se a direção do primeiro y da uma desintegração
am cascata da dois raios y a medir-se a distribuição angular do segundo y am ralação a direção
do primeiro Ifíg 1). A distribuição terá um padrão quase sempre anisotrópíco porque, ao
fixar se a direção de yt estaremos selecionando núcleos com spins orientados numa
determinada direção, a não mais ao acaso.
A observação da direção das duai radiações (correlação angular jirec»onel), oermite a
determinação dos spim t mult'polar idades, • am adição, i * observarmos também a polarização
((mear ou c-fcui»') das radiações (correlação angular polartada) poòe*Tt »ar determinadas as
par idades
0 estado imermedtano do núcleo deve permanecer alinhado até que a segunda radiaçfo
seta emitida, de modo que, se durante a vtda média r do estado intermediário nio houver
mudanças das populações dos subnívets magnéticos a correlação é chamada correlação angular
nio perturbada . Essas populações podem sr alteradas por campos magnético» ou elétricos
(internos de origem atômica, molecular ou cristalina ou então, aplicados externamente) atuando
sobra os momentos nucleares Neste cato chamemos a axreiaçlo de "oorreiaçfo angular
perturbada'.
13
Função Correlação Angular
No caso mais simples, em que não há perturbado alguma (correlação directorial nio
perturbada), obtém se para a dutrtbuicèo angular a segu nte expressão (Fig 1)
A L K Pk(cos0)
(11)
chamada função correlação angular directorial, onde,
K
m.x. <
m<n
(2l.2t|.2Lj»,
Pk(cosf}) - polinómiosde Legendre
Por sua vez os A k k podem ser escntoi
Akk - A k ( 7 l ) A k ( 7 3 )
(1.2)
onde os
l f k ( L L I I ) + 2 6 F J L L T I ) + Ô 2 F k (L'LTI>) —
~
*
1 + 62
dependem dos spins dos nt'veis e da* murtipolar idades das radiações envolvides
Ak<7)
Em geral apenas dois coeficitej tão necessários para descrever a função correlação angular
a, além disso, costuma se normalizar em relação a A o o < isto é:
= 1 +
AJJPJÍCOSÍ)
+ A 44 P 4 (co«f5)
(1.3)
Entretanto, se houver perturbação3>* durante a meia vida do estado intermediário, é
necettário introduzir na expressão (1.1) um fator que inclua essa perturbação
Além disso, dispondo de um circuito que nos indique o tempo At decorrido entra a
primeira radiação {yx) * a segunda ( Y 2 ) podemos medir a dependência temporal da correlação
direcione!. Nesse ceio é necetaárto que o tempo da resolução r R do sistema teia menor que a
vide média r do estado intermedia; to Acontecendo o contrário ( r f l > r) mede-iea correlação
direcionaI integral 0 pr .mero caso e chamado de correlação angular diferencial
Uma grandeza importante nas medidas de correlação e a amsctropia dada pel* seguinte
expressão
WI]W)_
W(90 )
W(90 )
que caracteriza o comportamento amsotropico a 160 em relação a 90
I I ARRANJOS EXPERIMENTAIS
II 1 Introdução
Fazendo uso da meu* automática Idescnta em II 2) e de dois detetores (um fixo «outro
móvel) escolhido* de acoplo com os objetivos da experiência, pode se combi-jr o sistema
eletrônico em dois con untos, um integral e outro diferencial Nas medidas integais o detetor
fixo é usualmente um 3e (LO dt alta resofuçlo em energia, enquato o movei é im cristal de
NaMTO acoplado a uma va'vula fotom^itiplicadora descrita no item 113 1 Em medidas
diferençai* » resolução em tempo esta comprometida com a vida média do nível excitado em
investtgaçto l r R < r i , o que e satisfeito com cristais de Nal(TI) ou com cintiladores plásticos
(estes último* possibilitam melhor resolução em tempo) Passaremos a descrever, *m primeiro
lugar, o espectrómetro
11.2 - Espectrômetro d* Correlação Angular
As coincide icias que vamos medir são funções do angulo entre os detetores, o qual é
modificado dependendo do objetivo da experiência ^or motivos eletrônicos e mecânicos
normalmente a experiência se torna muito trabalhosa já que precisamos faztr a mudança desses
ângulos, contar em ceda ângulo, anotar as contagens dos sealers" e registrar o espactro obtido
na correspondente memória do multicanal Estas inconveniências são contornadas usando-se
uma mesa automática, que Ui tais operações programadas eletronicamente, 'ornando a
experiência completamente automática, do ponto de vista de coleta de dados
A meia de correlação angular (fig 1) é controlada por um sistema lógico digital
implementado com arranjos integrados, montados parte na própria mesa e parte na unidade de
controle. A mesa t de forme circular {veja (1) na *ig 1), de aço, onde estio «parade; dois
detetores. Um deles é fixo [2 J e o outro se move determinando ângulos por meio do pequenas
chaves de parede [3], localizadas em posições previamente determinadas, as queh ac'otam
microchaves situedas no sistema [4J, cujo movimento é conjunto an do detetor Nt.it«sistema,
além das microchaves citadas, existem outras que, dependendo da posteio em que se encontre o
conjunto, por meto de um código existente nas chaves de parada faz com que a int or macio
colhida nos detetores seja encaminhada a uma dei memórias em operação do mulrcanal. A
contagem entfo é feita num tempo que foi escolhido e definido na unidade de controle [5]
Quando este tempo se finda, a unidade de controle envia um sinal ao "scaler-gate" [6] que tem
a funçfo de comandar a parada dos outros "sealers", as quais armazenam as contagens dos dois
detetores ede coincidências Estas contagens *k> transmitidas a um teletipo, onde podem ser
impressas e/ou lidas em forma de fita de papel perfurado
* Construída no Intiitutode Rica d» UFRGS Porto Ategrt.
II 3.1 Ststwna Eletrornco para Corr*iaçio Integral
Este s'stema e*etron*co (f tg 2) possui dot» cane«i pan ane'ise em energia O smeldeseíde
linear dos dos detettve* e pre empM»cado (ORTEC Modeto 113). para que possa ser formado
e emplacado pelo Selectable Shaping Amplifier' (ORTEC-Modeto 440) O pulso bipolar,
após passar p«to Analog Peak Stabilizer {Canberra) usado somente para pulsos do NaKTII.
vat para um Timing S'ngle Channel Anetyzer ' íORTEC-Modeto 420). cuia funçio é selccioner
a energte de interesse do espectrodetetado noNal(TI) Opu»so lógico do TSCA «cornbasede
tempo no "crossover do pulso bipolar) alimenta a Fast Coincidence Unit" (ORTEC Modeto
414A). 0 p»imeiro canal este.acoplado a um detetor Ge(L<) f<xo. enquanto que o segundo a
um cr'stalde NaHTI) 3 x3" móvel sobre a mesa automática
Os dois s<nan que p>oduz"io o eventual regtstro no multtcanal são retirados ne unidade
de coincidência e cio ampMícador do primeiro canal (espectro total, com atraso) O espectro
totat produzirá um registro no ornei correspondente do multicanal se o ' gate" for aberto pelo
sinal da un«dede de co*ncidéncia. Os registros das contagens simples de cada j selecionado pelos
anal>sadores monocanais, bem como das coincidências, tão feitos por três 'sealers"
Todas as contagens aome sfo feitas automaticamente pela mesa do espectro metro, e o
espectro registrado no mutticanal represemaas coincidências (WI0)). em funçio do ângulo entre
os detetores, ou seta. a d>stnbu>çâo angular da radiação emitida
II •* 2 Sistema Eletrônico para Corraiaçfo Angular Diferencial
No sistema eletrônico de correlação angular diferencial (fig, 3), cada um dos detetores
tem duas saídas de sinal, uma delas e hnear, saindo de um d«nodo. a outra, chamada rápida,
saindo diretamente do anodo A saída linear á analisada am energia similarmente ao caso
anterior, apenas com a diferença de que a unidade de coincidências não precisa ser rápida,
usamos para <sso o modulo L<near Gate and Slow Coincidence" (ORTEC Modelo 409).
Por outro lado, os sinais saindodos anodos das duas fotomultiplicadora* (através das quais
e feita a análise um tempo) sfo amplificados sendo,depois d»«o, injetados em discriminadores
diferenciais ráptdos (EGG Model TD 101/N) para dif^iminaçio wn energia Como estamos
interessados em saber a diferença em tempo desses dois pulsos, eles são analisados por maio de
um Conversor de Tempo em Amplitude (TAC), que transforma as diferenças de tempo entre as
emissôesdasduas transições da cascata em um novo pulso cuja amplitude é proporcional a esta
diferença de tempo. Este pulso é analisado em um multtcanal de 4096 canais 6 quei permit) sua
entrada se o "gafe" comandado pela unidade de coincidências lentas for aberto. Note se qoi . . J
circuito integral essa entrada era o espectro d^eto do Ge(Li), no presente caso, á o pulso
proporcional a diferença de tempo entre ot dou sinais vindos do TAC.
O sistema pode entlo ser usado para a medida de meias vidas de níveis nucleares bem
como para o estudo de <nte»ações hiperfinas do nível intermediário durante sua meia vida.
III. TESTES EXPERIMENTAIS
Cnm o objetivo de ilustrar a técnica descrita foram fartas medidas de correlaçlo angular
nao perturbada no 6 0 N i e no 7 ' As, bem como foi determinada a meia vida, T 1 / 2 da níveis
excitados de
Ta e do
B- Os dos a^anjos utilizados são acoplados a um analtzador
Nuciea' Chicago co.n 4096 cana y o qua) pode ser d>v>d>do em quatro submemorias,
' Mando med>da em quarto angutosd1* rentes Nas medidas de ra'relação angular integral
a coincdencm -apda pe*m re tempos de lesoiuçâo ewt 30 e 1 '0 ns (com ef ciência de 90%)
Pra o " N i e Ai uH-zouse 'esoiuçiode 70 nseg
UM
Corraiaçio Angular Direciona* néo Perturbada
No primevo exempto (* N>> temos um nuc><deo par par, o que >mpi<ca estado
fundamentai 0' s tmpn»ictndo o problema A w e i a ç à o angutar da cascata 4" IE212* (E2)0* no
N' (tiq.4) 'O1 med'da vanas vezes ante»-o»mente e sáo portanto, bem conhecidos os
coei-cientes A,
Trata sede uans'coes pu'as E2 eo calculo teonoodo A. k e
A4
0 1020
A mad da fo> fe'ta utilizando se o decaimento
= 0 009
r
T,
,
'Co
'Ni, obtido pela
"tad«çá~ode cob»Ho natu*ai ( C o ; 0 , ) pO' neutrons no reator lEAri 1 de São Pau'o Z áxido de
cobalt o f c dissolvdo em HNO, d^udo, e uma solução di'uida contendo 10 /J C I fo usada para
a medida. A cascara 1'73 1332 keV do' "Ni (f<g 4) fo< medida em sete ângulos diferentes (90
a 270 h com acumulação de aproximadamente 20 000 coincidências verdades cs em cada
angulo. Apôs as correções de angulo sólido5 6 obnvemos os seguintes resultados experimentais:
A . . = 0,098 ± 0 004 e A 4 4 =0.0142 t 0.005
A f*gura 4 mostfa os resultados, onde a curva so^da e o
expe>imenta<s para a funçáo W(r9)
lest square f<t" dos
pontos
Duas cascatas do
A^. (fig 5) tem s>do também extensivamente medidas Valores
precisos dos coe<'Cientes A k k . foram obtidos por Becker e Steffen7 usando um espectrômetro
Ge(U) Ge(L0 A medida fo» feita utilizando se o decaimento
Se -7-].i2..ill??..4^L'sA$, obtido
pela 1'radiaçío de seiemo metálico, por neutronc no reator IEAR 1 de Sáo Paulo Este po de
sele no metAiico. foi usado sem qualquer tratamento As cascatas 135 264 keV e 121 279 keV
do
As, similarmente ao
Ni. foram medidas em sete ângulos diferentes com uma
acumu'acio de coincidências verdadeiras, em cada ângulo, em torno de 10 t 2.5 x 10*, para os
fotopicos de 135 keV e 121 keV, respectivamente Os valores encontrados para os A k k , assim
como o» de Becker e Cteffen, encontram se na tabela 1. A fig 6 mostra as curvas ajustadas para
o polinóm.o W(0)
Tabelai
A4.
121
280 keV
0,407 t 0 05
0404 ±0,004
0,024 ± 0.008
0,0091 0,008
presente trabalho
ref 7
136
264 keV
0023 i 0006
0,0301 0.003
0,009 ± 0.007
0 004 ± 0.006
presente trabalho
ref 7
6
' I I 2 Madfasas da Maia Vida
Foi madida a mata vida do nival 4 8 2 kaV do ' " T « através da saquéncia 133 4 8 2 kaV
=
T
4 3 fid
l§l
(fig 6) usando o listama difarancial A tonta radioativa d»
H f - - - - j — : — » ' * ' T a foi
P
obtida pata írradiaçlo da HfN am pó Apôs a Irradiação no raator IEAR 1 da Sac Paulo, a
amostra foi dissolvida arr HF, • uma fonta com Offca da 2OjiCi foi utilizada para a madida A
madida foi faita usando *Jtumu It ipl «adora RCA 8S7B a 8860 A fig 6 moatra o ratultado da
madida onda o prompt" foi obtido com uma fonta da l í N a na» anargias CÊ caacata
133482 kaV. 0 valor obtido foi da T , / 2 - 0 0 , 8 1 0.3)naag. o qua concorda bam coma raf 8
Com a finaiidadt da tastar o limitada casotuçao do sittama, medimos uma maia vida na
ragilo do sub nanosagund© A maia vida do nival a 276 kaV no " B r foi madida através da
saquéncia 290 276 kaV|f 19.7) usando o sistama difaraneial A fonta radioativa da *'Sa
- 1 - ^ — - _ - — - • • ' Br foi obtida por írradiaçlo da saianlo naturat com nautrons Foram usados
P
como detatorat, crirais plásticos dopados a 6% com Pb. a montados am fotomultiplicadoras
rápidas RCA 8676 a 8860 A calibraçfo am tampo do 1 AC foi faita introduzindo no canal da
'stop" linhas com atrasos conhactdoa A fig. 7 mostra o ranjltado da madida onda o "prompt"
foi obtido com uma fonta da ; J Na nas anargisada cascata 290-276 kaV 0 valor obtido da
T 1 / 2 - ( 2 3 6 ± 15) x I O ' 1 2 sag, para o mvtl a 278 kaV no ' ' Br aparaot am ambos os lado* da
curva da coincidências porqua nlo foi possíval saparar no cristal plástico as tnaryja» das duas
transiçoas conhactdss na madtda
E/Z,
I.TT
come
(a)
oora
o.
MCA
(b)
unidade de
sistemo eletromco
cortrole
controle de
controle do mesa
go
•mpresjorc
«cobri
(c)
Fi9.
a)
b)
0
da nivate nuelaarai com ot parlmatro» m»i» impoftinte».
l k para a madida da eerratoeao angular
CM naaa automática.
PRINTOUT
CONTROL
W<<9)
105
100
180
n»uHado da wadlda da m$) pan a
1173-1332 k»V no * ° Ni
11
3/2~
264Kev
I 00
3/2"
75
0 96
As
096
I 0
!2lKev(EI)
5/2"
09
28OKev
08
3/2'
75
As
07
06
05
90
120
150
180
9 (graus)
Ft* o
•> Rmlttdo da madida da WW) para
b) Raaifhado da madida da me) para a
136-286 k#V no ' A»,
12
c
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2
SVI0N30I0NIO0
13
I00
I2O
140
160
.80
NUMERO DO CANAL
T 1 / 2 do nív* 2701»V no " Br
200
220
14
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao En<j0 Jos? Lorenjo Medero p«la confecção e montagem da parte
eieiron<ca da mesa de co' r elacio angular « ao Prof Fernando C Zevmlak pelas valiotas
sugestões Agradecemos tamtx.t a bolsista Luca Cabral Jahnel. pelo auxilio na construção dos
gráficos e cálculos
ABSTRACT
An au'omated > > «rgt, •" co- -eia^on »pecfomeref » detc^bed " detail E'tct'On.c arrangementi uitd
n nregra jnd d tfe^en' a> mee^u'emenTj nave a>to be*i devcbvd In pa«f i rh«rt n • ihort
the t\pe>
meriTa- » -
o* > cascades n "
8
f«ve been desc
bed
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" A i arvd o* 'h« ' tet.me rn«B»urem»fif o< ( i c i t x ) i t t i o i <n '
!
T» «nd
n p«'f M I
RESUME;
Une desc< p' on Oe'»
<a>'e j n s
ee tlg i p e c t r o m é f e 7 7 poor d»s m « u r e i d« co'fe'af'On angu'ai'e direct'Onaiit M I
aue ce"e des \\iremn
que er d «
ei»cifoniques diferenciei ei m e g r a ' u*•>•%*
derecreu-s uti j 'S*t n t
»u«
ptewntée
Dan*
Une d t t c i p T i o n de <• tatott
a p r e m e r * p#rt.» ; i y 1 une i n t r o d u c t i o n
que dans a teconde .: y a ia detc pron dei arrangement e*p«fim«nt»\jx et finaiemenr dam <ê
dern,e«e par'e noo* ncuan» tei mesure* de cof-tm ons d-ecf.oneiie non p« rufbeet JU N> tt du
A» La
de ia dem, > e de n veau exato du
Ta ar du
B< som p'e**nt»e darn cetta p*rt>«
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