ESPECTROMETRO AUTOMÁTICO PARA CORRELAÇÃO ANGULAR ft .v. SÁXÍ:S.\ Sii/ros T .< MO::TKH;(/ *• .\ I:MI:VH> M'KVO PUBLICAÇÃO IEA N.° Outubro — VM\ INSTITI7TO I)E ENKÍlíilA AT6MICA Caixa Posta) 11049 (Pinheiros) CIDADE UNIVERSITÁRIA "ARMANDO DE 8ALLE8 OLIVEIRA" SAO PAULO — BRASIL m 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 i o GO O ii CSI .. 2 O o o o o o ir ZL ' I t - i i O o CVJ 2 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 j « N and p »uj» 0 « j » c o i CO " 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>« REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 ROSE H J & BINK. D M Angular dtstnbutfon of gemmd rays m terms of phase defined reduced matrix elements Rev Mod Phyi 39(2) 306 47, 1967 2 FRAUENFELOER, H & STEFFEN, R M Angular correlations in SIEG3AHN. K Alpha, beta and gamma ray spectroteopy Amsterdam, North Holland, 1965. v 2 . cap 19A, p.997 1198 3 ABRAGAM A & POUND. 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