12C+18O reaksiyonunun analizi ve 18O ve 22Ne çekirdek yapılarının incelenmesi

T.C.

ĐSTANBUL ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ

ĐSTANBUL 12

C +

O REAKSĐYONUNUN ANALĐZĐ VE

O VE

Ne

ÇEKĐRDEK YAPILARININ ĐNCELENMESĐ

Sibel YILDIZ

Fizik Anabilim Dalı Nükleer Fizik Programı

Danışman

Prof. Dr. Nizamettin ERDURAN

Haziran - 2005

Tüm kalbimle çok sevdiğim

canım anneme…

I

ÖNSÖZ

Öncelikle Astronomi ve Fizik Fakültesi Başkanı Profesör John Nelson’a beni Birmingham Üniversitesi’ne davet ettiği ve burada yüksek lisans projemi hazırlamama olanak sağladığı için kendisine teşekkür ederim. Birmingham Üniversitesi Nükleer Fizik Bölümü’ne geldiğim gün, beni Dr. Martin Freer ile tanıştırdığı için kendisine ayrıca minnettarım.

Şüphesiz ki teşekkürlerin en büyüğünü, fizik adına kendisinden çok şey öğrendiğim, Dr. Martin Freer’e ediyorum. Bu kadar iyi bir fizikçiyi tanıdığım ve kendisiyle çalışma fırsatı bulduğum için kendimi çok şanslı hissediyorum. Kendisi benim için gerçekten çok değerli ve kendisiyle çalışmaktan gurur duydum. Đlk başta tez projemde danışman hocalığımı yapmayı kabul ettiği için, çok yoğun anlarında bile bana zaman ayırdığı ve sorularıma tereddüt etmeksizin cevap verdiği için, her zaman beni desteklediği ve kötü bir data analizinden sonra bile, benim “olmayacak galiba” dediğim zamanlarda, analizin ilginç fizik sonuçlarını bana gösterip, her defasında beni cesaretlendirdiği ve bu tezin oluşmasında çok büyük bir sabır gösterdiği için teşekkürleri kendisine bir borç bilirim.

Yüksek lisansa başladığım zamandan itibaren bana olan güvenini esirgemeyen, her zaman beni destekleyen değerli danışman hocam Profesör Nizamettin Erduran’a teşekkür etmek istiyorum. Kendisinin sağlamış olduğu güven ortamı içinde rahat bir çalışma imkanı buldum. Yardımlarından dolayı kendilerine minnettarım. Ayrıca Đstanbul Üniversitesi Nükleer Fizik bölümü hocalarının göstermiş oldukları destekten dolayı, her birine ayrı ayrı teşekkür ederim.

Muhabbetlerini her zaman özleyeceğim iki kişiye; Dr. Nobby M. Clarke (motosiklet anılarını dinlemekten hiç sıkılmadık) ve Birmingham Üniversitesi Nükleer Fizik anabilim dalı başkanı Dr. Garry Tungate’e tez projemi hazırladığım süre boyunca bana olan desteklerinden dolayı teşekkür ederim.

Martin’in olmadığı (veya saklandığı) zamanlarda, sabırlı bir şekilde beni dinlediği ve sorularıma cevap verdiği için Dr. Neil Curtis’e, yardımlarından dolayı Dr.

Nick Ashwood ve Dr. Lee Barnby, bilgisayar ve teknik konularla ile ilgili bilgi birikimlerini benimle paylaştıkları için Victor Ziman ve Paul Jagpal’a ve de çok uzaklarda olmasına rağmen, online grafik ve dizayn desteğinden dolayı sevgili arkadaşım, Hasan Er’e ve de Nükleer Fizik grubunun iyi bir şekilde yürümesini sağlayan, Fizik ve Astronomi Fakültesi sekreteri Tina’ya teşekkürleri bir borç bilirim.

Benim için çok değerli Charrissa Grubu çalışma arkadaşlarım; Paul, gerçek bir yardım sever, spelling dahil ne sorum olursa olsun, cevap vermek için her daim hazır, (yaşamak için mi ölüyorsun yoksa ölmek için mi yaşıyorsun, sorusunun cevabını hala düşünmekteyim). Dave, bazen kafamı karıştırsa da, birçok fizik sorumun cevabını onda buldum, (nükleer fizik grubu üyeleri toplanıp, projemi bitirişimi kutlamak için staff house’a gittiğimizde, yaptığın komik espiriler hepimizi gerçekten çok güldürmüştü).

Leon, genel anlamda birçok konuda benden yardımını hiç esirgemedi, (eminim ki çok yakında, Fransızca’yı çok iyi bir şekilde konuşacaksın).

II

yerinde olsaydım gelecek için endişelenmeyi bırakıp, sadece PhD tezinin keyfini çıkarmaya bakardım, bunu hak ettin). Anthony, yapmaya söz verdiğin break dansını hala sabırsızca beklemekteyiz ve sabrımız tükeniyor. Saher, (benden başka E320 deki tek bayan) ve Carl uzaklara gitmeden önce, bana çok yardım ettiler. Ali, Thomas, Joe ve Mark, hepinize yardımlarınızdan dolayı ayrı ayrı çok teşekkür ederim...

Eminim ki eğer sizler olmasaydınız, bu tez çalışma süreci bu kadar eğlenceli ve keyifli olmazdı…

Son, ama en önemli olarak, Ailem; beni bu kadar iyi yetiştirdikleri, tüm yaşamım ve kariyerim boyunca sonsuz güvenlerini benden esirgemedikleri için canım Annem ve Babam’a, bana olan sevgisini her zaman gösteren ve beni her daim destekleyen canım abim, Tolga’ya ve belki de hayatımdaki en önemli kişi, çok özel bir ilişkiye sahip olduğum her şeyimi paylaştığım, birlikte olmasak bile, (inanması zor ama gerçek olan) aramızdaki güçlü telepati ile birbirimizi anlayabildiğimiz, çok sevdiğim ikiz kardeşim, Selin’e teşekkürü bir borç bilirim…Eğer siz olmasaydınız, başaramazdım…

Sibel YILDIZ

III

Đ ÇĐNDEKĐLER

ÖNSÖZ ...I ĐÇĐNDEKĐLER ... II ŞEKĐL LĐSTESĐ ... V TABLO LĐSTESĐ ...IX ÖZET ... X SUMMARY...XI

1. GĐRĐŞ ... 1

1.1 ÇEKĐRDEK ĐÇĐNDEKĐ KÜMELEŞMELER.……...………..1

2. GENEL KISIMLAR... …….6

2.1 REZONANS PARÇACIK SPEKTROSKOPĐSĐ..…………...…………...6

2.2 YENĐDEN YAPILANDIRILMIŞ REAKSĐYON KĐNEMATĐĞĐ………7

2.3 AÇISAL KORELASYON VE SPĐN BELĐRLENMESĐ…...….……..…12

3. MALZEME VE YÖNTEM... 15

3.1 DÜZENEK……...………...……….16

3.1.1 Đyon Enjeksiyon Sistemi………17

3.1.2 Hızlandırıcı………..……..18

3.1.3 Hüzme, Saçılma Odası ve Hedef……..………...…..20

3.2 HĐBRĐT DEDEKTÖR TELESKOPLARI………...……….……22

3.2.1 Gaz Đyonizasyon Odası………..25

3.2.2 Silikon Dedektörler………..……..26

3.2.3 Kuadrant Dedektörler………28

3.2.4 CsI (Tl) Sintilasyon Dedektörler………...……..……..30

3.3 VERĐ TOPLAMA SĐSTEMĐ……….…….………..…..30

3.3.1 Analog Elektronik Birimleri……….….32

3.3.2 Mantıksal Elektronik Birimleri……..………...…….33

3.3.3 Data Dışarı Okunması………..………...……..33

IV

3.4.2 Kazanç Eşlemeleri ve Strip Dedektör Enerji Kalibrasyonu……..…38

3.4.3 Pozisyon Kalibrasyonu………..……42

3.4.4 Kuadrant Kalibrasyonu………..…47

3.4.5 Gaz Dedektör Enerji Kalibrasyonu………...…….…51

3.4.6 Sezyum Đyodür Dedektör Enerji Kalibrasyonu………...…52

3.5 OLAYLARIN YENĐDEN YAPILANDIRILMASI…………...………54

3.5.1 Parçacık Kimliğinin Belirlenmesi……….……54

3.5.2 Q-Değerinin Hesaplanması………57

3.5.3 Geri Tepen Parçacığın Enerjisinin Hesaplanması……….……58

3.5.4 Toplam ve Uyarılma Enerjilerinin Hesaplanması……….……59

4. BULGULAR... 61

4.1 ¹⁸O ÇEKĐRDEĞĐNĐN ¹⁴C + ⁴HE BOZUNUMU…..………61

4.1.1 Toplam Enerji Spektrumu……….……61

4.1.2 Uyarılmış Enerji Spektrumu………..64

4.1.3 Açısal Korelasyon………..…66

4.2 ²²NE ÇEKĐRDEĞĐNĐN ¹⁸O + ⁴HE BOZUNUMU………70

4.2.1 Toplam Enerji Spektrumu………...…..70

4.2.2 Uyarılmış Enerji Spektrumu………..73

4.2.3 Açısal Korelasyon ……..………...…75

5. TARTIŞMA VE SONUÇ………..………80

5.1 ¹⁸O ÇEKĐRDEĞĐNĐN ¹⁴C + ⁴HE BOZUNUMU ……….……80

5.2 ²²NE ÇEKĐRDEĞĐNĐN ¹⁸O + ⁴HE BOZUNUMU ……….…..82

KAYNAKLAR ... 87

ÖZGEÇMĐŞ ... 91

V

Ş EKĐL LĐSTESĐ

1.1 A=28 kadar olan A=4N çekirdekleri için Ikeda Diyagramı [8]. Siyah

yuvarlaklar alfa kümeleşmelerini gösterir……….. 3

1.2 Marsh ve Rae [10] tarafından hesaplanan denge durumundaki alfa konfigürasyonları……… 4

2.1 RPS yöntemi kullanılarak yapılan bir reaksiyon için şematik diyagram………… 7

2.2 ¹²C (¹⁸O → ¹⁴C + ⁴He) ¹²C reaksiyonunu gösteren açısal korelasyon için koordinat sistemi………. 8

2.3 ¹²C (¹⁸O → ¹⁴C + ⁴He) ¹²C reaksiyonundan gelen çıkış parçacıkları için E_tot spektrumu………... 10

2.4 Belirlenen θ* ve ψ açılarının şematik bir gösterimi………... 13

3.1 Vivitronun genel gösterimi………....…... 16

3.2 Vivitronun şematik diyagramı…….………..…. 17

3.3 Vivitron hızlandırıcının şematik görünümü……….... 19

3.4 Saçılma odası diyagramı………...….………..…………... 20

3.5 Gaz-silikon-sintilasyon hibrit dedektör teleskobun şematik bir gösterimi....……. 23

3.6 Parçacık belirlenmesinin şematik bir diyagramı…...……….. 24

3.7 Silikon strip dedektörden bir strip dışarı okuyucunun şematik diyagramı. Bir kuadrant dedektörü için verilen elektronik devrenin benzeridir, fakat gazlar için bir tane çıkış sinyali vardır [24]……….. 26

3.8 PSSSD için bias ve sinyal çıkartım devresinin şematik bir gösterimi……… 27

3.9 Parçacık belirleme için dedektör konfigürasyonu……….……... 29

3.10 Tipik bir Vivitron deneyi için Veri Toplama Sisteminin şematik bir gösterimi [24]……….. 31

3.11 Veri Toplama Sisteminin akış diyagramı………... 32

VI

3.13 (a) Her bir strip sonları ile bağlantılı olan genlik-kanal girdisi (b) kanal numaraları arasındaki lineerlik ve puls genişliği……… 36 3.14 (a) Farklı puls genlikleri için yanıtlar ve (b) genlik-kanal bağımlılığının gösteren

çizimler………... 37 3.15 a) Her bir stripe ait sinyal gelişiminin elektronik gösterimi ve b) pozisyon

kalibrasyonu……… 38 3.16 Koordinatları gösteren PSSSD’nin şematik bir gösterimi…...………... 43

3.17 Açıları gösteren PSSSD’nin şematik bir gösterimi…………..……….. 44

3.18 Hedeften stripe doğru açıları gösteren PSSSD’nin şematik bir gösterimi……….. 45

3.19 Açıları gösteren stripin şematik bir gösterimi……… 46 3.20 Strip dedektör kalibrasyonu aracılığıyla kuadrant dedektörlerin kalibrasyonu….. 48

3.21 Değişik deney şartlarında kullanılan dedektörlerin şematik gösterimi…………... 49

3.22 Kuadrant kalibrasyonu kullanılarak elde edilen enerjiye (E) karşı açının (θ) iki boyutlu çizimi………. 50 3.23 Bir gaz dedektör için, a) enerjilerin şematik gösterimi b) enerji spektrumunun

şematik çizimi………. 51

3.24 a) Deney düzeneğinde dedektörlerin ve b) CsI karşı stripin şematik bir gösterimi………. 52 3.25 CsI içinde kaybolan enerjiye karşı strip içinde kaybolan enerjinin bir çizimi…… 53

3.26 Gaz iyonizasyon odası içinde kaybedilen enerjiye, (∆Egaz), karşı PSSSD içinde ölçülen enerji, (E), çiziminden şekillenen parçacık kimlik belirleme (PI)

spektrumu………... 55

3.27 Kuadrant dedektör içinde kaybedilen enerjiye, (∆Ekuadrant), karşı PSSSD içinde ölçülen enerji, (E), plotundan şekillenen parçacık kimlik belirleme (PI)

spektrumu………... 56

3.28 Rezonans parçacıkların uyarılma enerjisine karşı çıkış parçacıklarının toplam enerjisinin şematik gösterimi……….. 60 4.1 ¹²C(¹⁸O,¹⁴C α )¹²C reaksiyonu için elde edilen toplam enerji spektrumu……... 62

VII

4.3 ¹²C(¹⁸O,¹⁴C α )¹²C reaksiyonundan elde edilen Qggg piki için ¹⁸O uyarılmış enerji spektrumu……….………..… 64 4.4 Qggg ,Qgg1, Qgg2 ve Qg olayları için ¹⁸O in uyarılmış enerji spektrumu…………... 65 4.5 Açısal korelasyon için uyarılmış enerji spektrumu üzerinde oluşturulan kapılar... 66 4.6 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.5) 10.2 MeV ve 10.6 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 67 4.7 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.5) 11.4 MeV ve 11.8 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 67 4.8 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.5) 11.8 MeV ve 12.2 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 68 4.9 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.5) 12.5 MeV ve 13.0 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 68 4.10 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.5) 13.0 MeV ve 13.4 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 69 4.11 ¹²C(¹⁸O,¹⁸O^* α)⁸Be reaksiyonundan elde edilen toplam enerji spektrumu………. 70 4.12 ¹²C(¹⁸O,¹⁸O^* α)⁸Be reaksiyonundan elde edilen toplam enerji spektrumunun

genişletilmiş hali………. 71 4.13 ¹²C(¹⁸O,¹⁸O^* α)⁸Be reaksiyonundan elde edilen, Q_ggg piki için ²²Ne uyarılmış

enerji spektrumu………. 73 4.14 Qggg olayları için ²²Ne çekirdeğinin uyarılmış enerji spektrumunun genişletilmiş

hali……….. 74 4.15 Qggg ,Q_gg ve Q_g olayları için ²²Ne nin uyarılmış enerji spektrumu……….. 75 4.16 Açısal korelasyon için uyarılmış enerji spektrumu üzerinde oluşturulan kapılar... 76

4.17 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.16) 13.6 MeV ve 14.2 MeV arasındaki data için açısal korelasyon spektrumu……… 77 4.18 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.16) 14.7 MeV ve 15.0 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 77 4.19 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.16) 15.3 MeV ve 15.9 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 78

VIII

78 4.21 Uyarılmış enerji grafiğinde (Şekil 4.16) 17.4 MeV ve 18.0 MeV arasındaki data

için açısal korelasyon spektrumu……… 79 5.1 ¹⁴C + α ya bozunan ¹⁸O için, Curtis [33] tarafından gözlemlenen uyarılma enerji

spektrumu………... 81 5.2 Curtis [33] tarafından gözlenen, ψ /θ^* açısal korelasyonlar için θ^* = 0 ekseni

üzerindeki projeksiyonlar………... 84 5.3 15.3 ve 15.9 MeV uyarılmış enerji değerleri arasındaki datanın ψ -θ^* açısal

korelasyonu için projeksiyon……….. 85 5.4 14.7 ve 15.0 MeV uyarılmış enerji değerleri arasındaki datanın ψ -θ^* açısal

korelasyonu için projeksiyon……….. 87 5.5 ²²Ne korelasyon analizinde 18.9 MeV, 19.4 MeV, 19.8 MeV ve 21.96 MeV

enerji seviyelerinin mümkün spinleri……….

88

IX

TABLO LĐSTESĐ

3.1 Dedektörlerin tipleri, hedeften uzaklıkları ve hüzme eksenine göre açıları……... 21 3.2 Hedef merdiveni üzerinde kullanılan hedef listesi ve bunların pozisyonları…….. 22 3.3 Hedef merdiveni üzerindeki hedeflerin pozisyonları………..………….... 35 4.1 ¹²C(¹⁸O,¹⁴C α )¹²C reaksiyonu için elde edilen dört ayrı konfigürasyona ait

piklerin uyarılmış enerjileri……… 63 4.2 ¹²C(¹⁸O,¹⁸O^* α)⁸Be reaksiyonu için elde edilen üç ayrı konfigürasyona ait

piklerin uyarılmış enerjileri……… 72 5.1 Bu çalışma içinde ¹²C(¹⁸O,¹⁴C α )¹²C reaksiyonu için gözlemlenen ve diğer

elastik olmayan bozunma çalışmaları içinde gözlemlenmiş seviyeler…………... 82

X

ÖZET

12

C +

O REAKSĐYONUNUN ANALĐZĐ VE

O VE

Ne ÇEKĐRDEK YAPILARININ ĐNCELENMESĐ

Bu tez çalışmasının esas amacı geniş kümeleşme bozunumuna sahip nötronca zengin çekirdeklerin incelenmesidir. Bu çalışma, Fransa’nın, Strasbourg kentinde bulunan Vivitron Hızlandırıcı tesisinde gerçekleştirilen bir seri deneylerden alınan datayı içermektedir. Bu deney, ¹⁸O hüzmesinin ¹²C hedefinin bombardımanı sonucu oluşan ¹⁸O çekirdeğinin ¹⁴C+α bozunma kanalını ve ²²Ne çekirdeğinin ¹⁸O+α bozunma kanalını inceleyerek, bu çekirdeklerin uyarılmış durumlarını belirlemek için gerçekleştirilmiştir.

Koinsidans bozunumların ve çevrim-içi (online) analizlerin yukarıdaki kanalların ikisinin de var olduğunu gösterdiğini tespit etmek için bir dizi yüklü parçacık dedektörleri kullanılmıştır. Çekirdeğin parçalanması (Break-up) sonucu oluşan parçacıklar, iki hibrit dedektörde (bir gaz dedektörü, bir strip dedektör ve bir CsI dedektörü) ve iki kuadrant dedektörde (kuadrant dedektör, strip dedektör ve CsI dedektörü) saptanmıştır.

Bu deneylerin arkasındaki fiziksel motivasyon, geniş kümeleşme bozunumuna sahip nötronca zengin çekirdeklerin incelenmesidir. Bu bağlamda, örneğin, küme korları arasındaki kovalent davranış içinde değiş tokuş edilen iki nötron ile ²²Ne bir ¹⁶O+α küme yapısı (²⁰Ne) cinsinden ifade edilebilir. Bu durum moleküler sistemleri bağlı halde tutan elektron değiş-tokuşuna benzemektedir. Nükleer ölçekte böylesi yapılar için bir delil, berilyum izotopları, örneğin ⁹Be çekirdeği, içinde α parçacık korları arasında değiş tokuş edilen nötronlar bulunması gösterilebilir.

Bu çalışma, kayıt edilmiş datanın analizini, dedeksiyon sisteminin kalibrasyonunu ve ¹⁸O ve ²²Ne çekirdeklerinin uyarılmış seviye spektrumlarının bulunmasını içermektedir. Bu çalışmayla, nükleer çarpışmaların kinematiğinin yeniden yapılandırılması amaçlanmıştır.

Bu çalışmada, ¹²C(¹⁸O,¹⁴C α)¹²C reaksiyonu ve ¹²C(¹⁸O,¹⁸O α)⁸Be reaksiyonu 71.4 MeV enerjide incelenmiştir. ¹²C(¹⁸O,¹⁴C α)¹²C reaksiyonu için ¹⁸O çekirdeği içindeki uyarılmış seviyelerdeki bozunma aracılığıyla, ¹⁴C ve α bozunma parçacıklarının açısal korelasyonlarının yeniden yapılandırılması, bozunma seviyelerinin spinlerinin incelenmesine olanak sağlamıştır. Elde ettiğimiz sonuçlar, önceki çalışmalarla kıyaslandığında, ¹⁸O çekirdeği için belirlenmiş spinler ve gözlemlenen bozunma seviyeleri birbirleriyle gayet uyumludur.

12C(¹⁸O,¹⁸O α)⁸Be reaksiyonu için ise, yeni uyarılma enerji seviyeleri ilk defa bu çalışmada belirlenmiştir. ²²Ne çekirdeğinin uyarılmış seviyeleri, ¹⁸O + α parçalanma kanalının incelenmesi ile belirlenmiş ve daha önceki çalışmalarla gayet uyumlu olduğu görülmüştür. Bunlara ek olarak ²²Ne çekirdeği için daha önce gözlenmemiş, yüksek enerjide yeni uyarılmış seviyelerde bulunmuştur ve seviyelerin spinleride başarılı bir şekilde belirlenmiştir.

XI

SUMMARY

12

C +

O REACTION ANALYSIS AND INVESTIGATION ON STRUCTURE OF

O AND

Ne NUCLEI

The aim of this thesis is the study of neutron-rich nuclei, which have a large cluster decomposition. This thesis contains analysis of data from the experiment performed at the Vivitron accelerator facility, Strasbourg, France. The experiment involved the use of an ¹⁸O beam incident on a ¹²C target with the hope of populating excited states in ¹⁸O, which decay into ¹⁴C+α, and excited states in ²²Ne decaying into ¹⁸O+α. An array of charged particle detectors were used to detect the coincident decays and on-line analysis indicated the presence of both the above channels. The break-up fragments are being detected in two hybrids detectors (comprising a gas detector, a strip detector and a CsI detector) and quadrant detectors (comprising a quadrant detector, strip detector and CsI detector).

The physics motivation behind these experiments is the study of neutron-rich nuclei, which have a large cluster decomposition. In this sense, for example, ²²Ne can be described in terms of a ¹⁶O+α cluster structure (²⁰Ne) with two neutrons being exchanged in covalent manner between the cluster cores. This is analogous to the exchanged of electrons in atomic molecules, the mechanism by which molecular systems become bound. Evidence for such structure on the nuclear scale has been found in Beryllium isotopes, e.g. ⁹Be, where the neutrons are exchanged between α-particle cores. The extension involved in the present project would be to heavier cluster cores.

The project involved analysing the recorded data, calibration of the detection system and extracting the spectra of the excited state ¹⁸O and ²²Ne nuclei. Underlying this is a need to understand how charged particle detections system work, the functioning of a nuclear accelerator and the reconstruction of the kinematics of nuclear collisions.

As a result of this project, the ¹²C ( ¹⁸O, ¹⁴C α) ¹²C break-up reaction was studied at 71.4 MeV. The reconstruction of the angular correlations of the ¹⁴C and α break-up particles, from the decay of excited states in ¹⁸O, has allowed the spins of the decaying states to be studied. Comparing this experiment with previous works, the break-up states and also the spins observed agree well each other.

For ¹²C ( ¹⁸O, ¹⁸O α) ⁸Be reaction, we were able to see excitation energy levels and the spins in good agreement with previous works for states in ²²Ne, populated via

18O + α break-up, as well as new excitation energy levels and their spins.

BÖLÜM 1

GĐRĐŞ

Bu bölümde, geçmişten günümüze çekirdek içindeki kümeleşme fikri hakkında bilgi verilmiştir.

1.1 ÇEKĐRDEK ĐÇĐNDEKĐ KÜMELEŞMELER

Alfa bozunmasının gözlemlenmesinin sonucu olarak, çekirdekler içindeki nükleonların kümeleşmeler (clustering) oluşturabileceği fikri nükleer fiziğin başlangıç yıllarına kadar gider. O yıllardan günümüze kadar çekirdeğin, genel olarak proton ve nötronlardan oluşan büyük bir küre şeklinde olduğu varsayılmasıyla birlikte, proton ve nötronların yoğunlaşması sonucu büyük kümeler oluşabileceği de düşünülmüştür.

1900’lü yılların başında, bazı radyoaktif izotoplardan alfa parçacıklarının (2 proton ve 2 nötrondan oluşan bir He çekirdeği) yayılımının gözlenmesine dayanılarak, yayılımından önce büyük ihtimalle ana çekirdeğin içinde bir kümeleşmenin var olabileceği önerildi [1]. Ayrıca, α-parçacığının bağlanma enerjisinin, bu tür kümeleşmeleri şekillendirmek için yeterli büyüklükte olduğu bilinmekteydi.

1932 yılında, Chadwick tarafından nötronun keşfi [2,3] ile alfa parçacık modeli popülerliğini yitirdi. Bu keşif çekirdeğe bakış açısını değiştirdi ve çekirdeğin nükleonlar topluluğu şeklinde olduğu görüşüne liderlik etti [4].

Yıllar boyunca birçok model geliştirildi. Bunlardan biri bağımsız-parçacık modeliydi [5,6,7]. Bu modele göre nükleer parçacıklar, diğer tüm parçacıklar tarafından oluşturulan bir ortalama alan içinde bağımsızca hareket edermiş gibi davranır. Bu Kabuk modeli yaklaşımıydı. Kabuk modelinin değişik şekilleri çekirdeğin kütlesini, şeklini, magnetik momentini ve uyarılma spektrumlarını önceden tahmin edebilir.

Fakat bu modelin kümeleşmeler ile şekillenen çekirdeğin kollektif özelliklerini açıklayamaz olması nedeniyle bu fikir bir şekilde arka tarafa itildi.

1960’li yıllarda bir çok teorikçi grup çekirdeğin içinde alfa parçacıklarının kümeleşme durumlarının nasıl olabileceği konusunda çalışmaya başladı. Japon fizikçi Ikeda [8], kümeleşmenin görüldüğü yerlerde uyarılmış enerji seviyelerinin kimliklerini belirledi. “Ikeda diyagramı” olarak adlandırılan hafif çekirdeklerin bir oranı içinde göründüğü önceden tahmin edilen kümeleşme konfigürasyon tipleri, Şekil 1.1 de gösterilmiştir. Bu diyagram, belirli enerjilerde hangi tür kümeleşme şekillerinin olduğunu gösterir. Değerler ise MeV cinsinden çeşitli bozunum kanalları için parçalanma eşiklerini (break-up threshold) gösterir.

Ikeda, her bir kümeleşme yapısının, kendi enerji bölgesi içinde fark edilebilecek olduğuna inanıyordu. Bu enerji bölgesi, parçacıklarının uygun ayrılma enerjilerinin sadece biraz yukarısında ve kümeleşme yapıları (konfigürasyonları) ile ilgili alt bileşenlerine bozunmak için eşik enerjisine yakın görülmelidir.

Ikeda’nın önerisine göre, çekirdeğin uyarılma enerjisi yükseldiği zaman, çekirdeğin iç yapısı değişebilir ve çekirdeğin enerjisi yükseldiği zaman, nükleonlar birbirine yaklaşır, özellikle de (sırasıyla) N=Z ve N=çift çekirdeklerinde bu açıkça gözlemlenir.

Bu çekirdekler, alfa bozunumu yapmadan önce α-parçacıkları şeklinde yoğunlaşacaklardır.

Şekil 1.1: A=28 kadar olan A=4N çekirdekleri için Ikeda Diyagramı [8]. Siyah yuvarlaklar alfa kümeleşmelerini gösterir.

Şekil 1.1 de dikey doğrultularda, her bir basamaktaki enerji farklılıkları, A=4N çekirdeklerinden yararlanılarak, bir α-parçacığının ayrılma enerjisi olması için ele alınır. Ikeda diyagramı A=28’e kadar olan A=4 çekirdekleri içindir. Şekil 1.1 de görüldüğü gibi, ⁸Be haricindeki tüm temel seviyeler küresel bir şekle sahiptir. ⁸Be çekirdeği dengesizdir ve de iki alfa parçacık kümeleşme yapısına sahiptir. Yükselen enerji ile birlikte her bir çekirdeğin yapısı, bir alfa zinciri şekillenene kadar değişir.

Kümeleşme yapılarının, ilgili kümeleşme parçalarına bozunmak için eşik enerjisine yakın göründükleri önceden tahmin edilebilir. Eğer kümeleşme sisteminin potansiyel enerjisi, ortalama potansiyel engeli altında kalırsa, kümeleşme yapıları ana çekirdek içinde yarı bağlı (quasi bound) seviyesinde muhafaza edilir.

Verilen bu çerçeve içinde sistemin uyarılma enerjisi yükseldiği zaman, bir seri yapısal değişiklikler meydana gelebileceği önceden tahmin edilebilir. Çünkü, her bir kümeleşme konfigürasyonu, uyarılma enerjisi, her bir kümeleşme oluşum eşik enerjisini aştığı zaman aktif hale geçer.

Brink [9] hafif alfa konjüge (conjugate) çekirdeklerin, kristal yapılar gibi alfa yapılarınında özel sıralanmaları ile neredeyse aynı görünebileceğini önerdi.

Şekil 1.2: Marsh ve Rae [10] tarafından hesaplanan denge durumundaki alfa konfigürasyonları.

1970’ li yıllar içinde, belirli çekirdeklerin bir yörünge boyunca dönen α-parçacığı [11,12] aracılığıyla bir kor olarak açıklanabileceği önerildi.

Örneğin, bir ¹⁶O çekirdeği, bir ¹²C çekirdeği ve onun etrafındaki bir yörüngede dönen bir α-parçacığı, sistemi gibi davranır. Daha sonrasında yapılan deneysel çalışmalar ise, bir ²⁴Mg çekirdeğinin moleküler seviyelerde nasıl uyarılmış olabileceğini ve bu moleküler seviyelerde, ²⁴Mg çekirdeğinin, birbirinin etrafında dönen iki tane ¹²C çekirdeği gibi davrandığını gösterdi. ⁸Be çekirdeğinin, Morinaga [13] tarafından önerildiği gibi bir α- α yapısına sahip ve ¹²C içinde 7.6 MeV de 0₂⁺ seviyesi, α-α-α zincir yapısına sahip bir yapıda olduğu çok iyi biliniyordu. Dengeli alfa konfigürasyonları Şekil 1.2 de görülmektedir. ¹²C temel seviyesi, bir eşkenar üçgenin köşelerine yerleştirilmiş üç α-parçacığına göre, bir kümeleşme konfigürasyonu ile birleşmiştir. Aynı şekilde bir ¹⁶O temel seviyesi, bir dörtgen konfigürasyon içine yerleştirilmiş dört α-parçacığı tarafından açıklanır. ¹⁶O içindeki 6.05MeV (02+

) ve 9.60MeV (1₂^-) seviyelerde rotasyonel bandlar, aynı düzlemli ¹²C + α [14,15] ile birleştirilmiştir ve yine 4-α yapısı gözlemlenmiştir [16,17]. Benzer şekilde ²⁰Ne içinde, deneysel ölçümler bir ¹⁶O- α yapısının [14,15] ve bir ¹²C- α- α yapısının [18]

olduğu fikrini desteklemiştir.

BÖLÜM 2

GENEL KISIMLAR

Bu bölümde, çekirdek içindeki kümeleşmeler için yapılmış deneylerde kullanılan yöntemler, reaksiyon kinematiği ve bunun yeniden yapılandırılması, açısal korelasyon ve spin değerlerinin bulunması genel olarak açıklanmıştır.

2.1 REZONANS PARÇACIK SPEKTROSKOPĐSĐ (RPS)

Đlk olarak Robson [19] tarafından önerilen daha sonrada Rae [20] tarafından geliştirilen Rezonans Parçacığı Spektroskopisi (RPS) tekniği [20], bir break-up nükleer reaksiyonunun tam olarak kinematik yapılandırması ile, parçacık enerjilerini hesaplamak ve ters kinematik kullanılarak nükleer seviyelerin mümkün spinlerini bulmak için kullanılır. RPS metodu genellikle, daha hafif bir hedeften ağır bir iyonun saçılmasındaki deneyler içinde kullanılır. Break-up veya fisyon esnasında çıkan fragmantların momentumlarının hesaplanması aracılığıyla, RPS, reaksiyon içindeki diğer bütün elementlerin momentumlarını bulunmasında ve reaksiyon kinematiğinin yeniden yapılandırılmasında kullanılır. Şekil 2.1 de RPS metodu tarafından yapılan tipik bir reaksiyon için şematik bir diyagram görülebilir.

Şekil 2.1: RPS yöntemi kullanılarak yapılan bir reaksiyon için şematik diyagram.

2.2 YENĐDEN YAPILANDIRILMIŞ REAKSĐYON KĐNEMATĐĞĐ

RPS metodu kullanımı ile yapılan reaksiyonların genel formu,

A ( B, C* → C₁ + C₂ ) D 2.1

şeklindedir. Burada A ; hedef, B ; hüzme, C* ; daha sonra C₁ ve C₂ fragmantlarına bozunan, uyarılmış rezonans parçacığı, D ; geri tepen parçacıktır.

Şekil 2.2: ¹²C (¹⁸O → ¹⁴C+ ⁴He) ¹²C reaksiyonunu gösteren açısal korelasyon için koordinat sistemi.

Şekil 2.2 de uyarılmış rezonans parçacığı ve break-up fragmantları için hız vektörleri ve açılar tanımlanmıştır. Burada, θ^* ; rezonans çekirdeğinin kütle merkezi sistemindeki saçılma açısı, ψ ; hüzme ve break-up fragmantlarının hız vektörleri arasındaki açı, θ12 ; break-up fragmantları C1 (¹⁴C) ve C2 (α)arasındaki açıdır.

Pbeam ; hüzmenin , Precoil ; geri tepen parçacığın, P1 ve P2 ise iki break-up fragmantlarının momentumları olmak üzere,

Pbeam = P1 + P2 + Precoil 2.2

3-cisim son durumu varsayılarak, momentum korunumundan, Eşitlik 2.2 elde edilir.

Bu eşitlik kullanılarak geri tepen parçacığın momentumu, ölçülmüş olan enerjilerin ve açıların yardımıyla belirlenebilir. Eğer, hüzmenin yönü, kütlesi ve enerjisi biliniyorsa, relativistik olmayan yaklaşımla, geri tepen parçacık enerjisi, Erecoil, aşağıdaki şekilde bulunabilir.

Erecoil =

recoil recoil

m P 2

2

2.3

Eğer, Pbeam biliniyor, aynı zamanda iki tane break-up ürünlerine ait enerjiler ve açılar da biliniyorsa, buradan geri tepen parçacığın momentumu, P_recoil, Eşitlik 2.2 den hesaplanabilir. Böylece de geri tepen parçacığın enerjisi, E_recoil, Eşitlik 2.3 den elde edilebilir. Bunların sonucu olarak da, tüm çıkış kanalı parçacıkları aşağıda görülen Eşitlik 2.4 den hesaplanabilir.

E_tot = E₁+ E₂ + E_recoil = E_beam + Q 2.4

Bu eşitlikte E_tot ; toplam enerji, E₁ ve E₂ ; break-up parçacıklarının enerjileri, Q ; reaksiyonun Q -değeridir. Toplam enerji spektrumu, genellikle Etot spektrumu olarak adlandırılır. Örnek bir Etot spektrumu, Şekil 2.3 de görülebilir.

Şekil 2.3: ¹²C (¹⁸O → ¹⁴C+ ⁴He) ¹²C reaksiyonundan gelen çıkış parçacıkları için E_tot spektrumu.

3-cisim reaksiyon Q-değeri, sonuç durumundaki parçacıkların toplam kinetik enerjisi ile hüzme enerjisi arasındaki fark olarak belirlenir ve aşağıdaki gibi ifade edilir.

Q= (E1 + E2 + Erecoil ) – Ebeam 2.5

Sonuç durum parçacıkları, kendilerinin temel seviyelerinde veya uyarılmış seviyelerinde bulunabilirler. Eğer bunlardan bir tanesi, uyarılmış seviyede değil ise, Etot , daha düşük olacaktır. Çünkü, uyarılmış seviye enerjileri tarafından kinetik enerji düşürülecektir ve bu da çizim üzerinde görülen birden fazla pikin oluşmasını sağlayacaktır.

Şekil 2.3 de Qggg ile gösterilen pik, üç final parçacığının temel seviyede olduğu yerdeki olaylara tekabül etmektedir. Yani, tüm çıkış kanallarındaki parçacıklar, kendilerinin temel seviyelerindeyken, reaksiyondan ayrılırlar. Q_gg ile gösterilen pik, iki final parçacığının temel seviyede, üçüncü parçacığında uyarılmış seviyede olduğu yerdeki olaylara denk gelmektedir. Yani, iki parçacık, kendilerinin temel seviyelerinde iken reaksiyonu terk eder, üçüncü parçacık ise kendisinin uyarılmış seviyesindeyken reaksiyondan ayrılır. Aynı şekilde, Q_g piki de bir parçacığın, temel seviyede olduğu, diğer iki parçacığında uyarılmış seviyede olduğu yerdeki olaylara tekabül etmektedir. Sadece bir parçacık, temel seviyesinde iken reaksiyondan ayrılır.

Asimetrik break-up kanalları için, genellikle birden daha fazla Q_gg veya Q_g pikleri olabilir. Sonuç durum çekirdeklerinde farklı uyarılmış enerji seviyeleri vardır.

Q_ggg pik pozisyonun doğruluğunun sağlanması, enerji korunumu kullanılarak yapılabilir. Eğer tüm çıkış kanallarına ait parçacıklar, kendilerinin temel seviyelerinde ise, enerji eşitliği,

EQggg =Ebeam + Q 2.6

şeklinde gösterilebilir. Öyleyse, Qggg pik pozisyonu, hüzme enerjisinden Q MeV kadar farklı olmalıdır. Bununla birlikte, düşük enerji bölgesinde, bir süreklilik (continuum) gözlenir. Çünkü bu reaksiyonlar, dört veya daha fazla cisim sonuç durumlarına gidebilir ve bu durumlarda bir veya birden fazla parçacık, ilk uyarılma seviyeden daha yüksek bir seviyede bulunabilir. Rezonans çekirdeğin uyarılmış seviyesi (Ex), break- up parçacıklarının kütle enerjinin göreceli merkezi (Erel) ile iki cisim break-up Q- değeri, Q_two , farkından bulunabilir. Q-değeri, C₁ + C₂ fragmantlarına bozunan rezonans çekirdeğin, C^* , bozunumunda serbest bırakılan enerji olarak tanımlanır.Bu durumda bir veya her iki fragmant da, kendi içinde uyarılmıştır (örneğin, Şekil 2.3 deki Q_gg Q_g pikleri altına düşen olaylar için).

E_x = E_rel – Q_two 2.7

E_rel hesaplamaları, break-up fragmantları arasındaki açı olan θ₁₂ açısına bağlıdır. Bu açı, aşağıdaki formül aracılığıyla hesaplanabilir.

P1 . P2 = | P1 | | P2 | cos (θ12) 2.8

Şekil 2.2 deki vektör üçgenine kosinüs kuralı uygulanırsa,

V_rel ² = V₁² + V₂² – 2 | V₁ | | V₂ | cos (θ₁₂) 2.9

Kinetik enerjiler bu formülde yerine konulursa,

E₁ = 2

1 m₁ V₁² ve E₂ = 2

1 m₂ V₂² 2.10

Eğer break-up fragmantlarının enerjilerini ve kütlelerini, m₁, m₂, Eşitlik 2.9 da yerine koyarsak, break-up fragmantlarının göreli enerjisi aşağıdaki formülden elde edilebilir.

E_rel = 2

1 µ V_rel² 2.11

µ, sistemin indirgenmiş kütlesi ve eşitlik,

µ =

2 1

2 1

m m

m m

+ 2.12

olarak verilir. Buradan göreli enerji ifadesi aşağıda gösterildiği gibi ifade edilebilir.

E_rel =

2 1

1 m

m + [ m₁E₂ +m₂E₁ −2 m₁m₂E₁E₂ cos (θ₁₂)] 2.13

2.3 AÇISAL KORELASYON VE SPĐN BELĐRLENMESĐ

Datanın kinematik olarak yeniden yapılandırılması işlemi tamamlandıktan sonra, seviyelerin açısal momentumu belirlenebilir. Bunu yapmak için, bir açısal korelasyon tekniği kullanılır [21].

Hüzme ekseni ile göreceli hız vektörü (Vrel) arasındaki açının (ψ), ¹⁸O çekirdeğinin kütle merkez sistemindeki yayılma açısına (θ^*) karşı iki boyutlu bir çizimi Şekil 2.2 de görülmektedir. Rezonans çekirdeğinin ve geri tepen parçacığın açısal dağılımı, rezonans çekirdeğin yayılım açısı olan, θ* açısına bağlıdır. Bu açı, Şekil 2.4 de görülebilir. Bu açı, θ* ise resonant parçacığın ve recoil parçacığın açısal dalga fonksiyonuna bağlıdır. Break-up fragmantlarının açısal dağılımı, hüzme ekseni ve break-up fragmantlarının göreceli hız vektörleri arasındaki açı, ψ , aracılığıyla bulunabilir.

Şekil 2.4: Belirlenen θ* ve ψ açılarının şematik bir gösterimi.

12C ve ¹⁸O çekirdeklerinin, temel seviyede spinlerinin sıfır olduğu bilinmektedir.

Böylece, ¹²C (¹⁸O → ¹⁴C + ⁴He) ¹²C reaksiyonu içindeki ¹⁸O, θ* = 0 için m = 0 magnetik alt durum içinde uyarılmış olmaya zorlanacak ve açısal korelasyon,

^W(0,ψ) α PJ^(cosψ⁾² 2.14

ifadesi ile verilecektir. Bu formülde J ; resonant çekirdeğin (¹⁸O^{* ‘}in uyarılmış seviyesi) spinidir [22]. ¹⁸O çekirdeği, θ^* = 0 den uzak saçılma açılarında, diğer magnetik alt yapılara yerleşecak ve bir özel seviyeden yayılan ¹⁴C ve α fragmantları, bir Legendre Polynomial ile açıklanacaktır.

^W(θ^*,ψ) α P_J^(cos(ψ +∆ψ⁾⁾² 2.15

θ*

ψ = − ∆

∆ J

J l_i

ve li , çıkış kanalının sıyırım (grazing) açısal momentumudur. Ana çekirdeğin spini, spini sıfır olan iki parçacığa bozunma durumunda, iki break-up parçacıklarına ait yörüngesel açısal momentum tarafından taşınırlar ve bundan dolayı

∆π = (-1)^J dir.

Korelasyon analizi, verinin, ^W(θ^*,ψ)^, ∆θ^*/∆ψ tarafından belirlenen bir açıda θ* = 0 eksenine yansıtılması ile gerçekleştirilir. Sonuçtaki projeksiyonun periyodikliği daha sonra seviye spinini gösteren J sıralı Legendre polinomları ile karşılaştırılır. Spin değişikliğine de duyarlı olan projeksiyon açısı ve periyodiklik, yapılacak bir spin belirlemesi ile tutarlı olmalıdır.

BÖLÜM 3

MALZEME VE YÖNTEM

Bu bölümde, Birmingham Üniversitesi Nükleer Fizik Grubununda içinde bulunduğu CHARISSA (CHARged particle Instrumentation for a Solid State Array) tarafından, Ocak-2002 tarihinde, Fransa’nın Strasbourg kentinde, Vivitron Hızlandırıcı düzeneği ile gerçekleştirdikleri deney hakkında bilgi verilmiştir. Her ne kadar deney datasının toplanması sırasında deneye katılmamış olsamda, konulara ait ön bilgilerin verilmesi çalışmamızın bütünlüğü açısından gerekli görülmektedir.

Bu çalışmada sözü edilen deneye ait tüm data tarafımdan değerlendirilmiştir. Bu deneyde, magnetik teyplere kayıt edilmiş ham datanın ayıklanması, düzenlenmesi, sınıflandırılması ve ön ve sonuç analizleri tarafımdan gerçekleştirilmiş ve bu bölüm içinde Data Analiz başlığı altında sunulmuştur.

DENEYSEL DETAYLAR

Bu deney, Strasbourg daki Vivitron Hızlandırıcı düzeneğinde, Charissa Grubu tarafından önerilmiş ve gerçekleştirilmiştir. 4 tane dedektör teleskopu kullanılmıştır ; 2 tane hibrit dedektör teleskop (bir gaz dedektör, bir strip dedektör ve bir CsI dedektör içeren) ve 2 tane kuadrant dedektör teleskop (bir kuadrant dedektör, bir strip dedektör ve bir CsI dedektör içeren).

3.1 DÜZENEK

Bu deneyde kullanılan Vivitron hızlandırıcının üç boyutlu diyagramı, Şekil 3.1 de görülmektedir.

Şekil 3.1: Vivitronun genel gösterimi.

Bu deney, 120 µg/cm² kalınlığa sahip bir ¹²C hedef üzerine gönderilen 71.398 MeV enerjiye sahipbir ¹⁸O hüzme kullanımı ile gerçekleştirilmiştir.

Bu ölçümler, break-up reaksiyonlarının çalışmasını içerir ve önceki bölümde Eşitlik 2.1 de tartışıldığı gibi aşağıdaki biçimde gösterilebilir.

12

C (¹⁸O, X→ X1 + X2 ) Y 3.1

X; rezonans uyarılmış parçacık, X₁ veX₂ ; çekirdeklerin bozunmasından oluşan break- up parçacıkları ve Y; gözlemlenmemiş geri tepen parçacıktır.

Deney, uyarılmış seviyelerde ¹⁸O ve ²²Ne çekirdeklerini, sırasıyla α + ¹⁴C ve α + ¹⁸O olarak bozunacak şekilde oluşturmak amacıyla gerçekleştirilmiştir. Yüklü parçacık dedektörlerinin düzeni koinsidans (coincident) bozunumları dedekte etmek ve yukarıdaki kanalların her ikisi içinde var olan çevrim-içi (online) analizleri incelemek için kullanılmıştır.

Deneyde kullanılan hızlandırıcı, bir püskürtücü iyon kaynağına sahip olan bir Tandem Van De Graff tipi hızlandırıcıdır. Vivitron hızlandırıcısının şematik bir diyagramı Şekil 3.2 de görülebilir. Vivitron, üç bolümde incelenebilir, iyon enjeksiyon sistemi, tandem hızlandırıcının kendisi ve iyon analiz sistemi.

3.1.1 Đyon Enjeksiyon Sistemi

Şekil 3.2: Vivitronun şematik diyagramı.

Vivitron hızlandırıcı için enjeksiyon sistemi, bir sezyum püskürtücü kaynağa ve bir saptırıcı magnete sahiptir. Đlk olarak bir sezyum kaynağı , pozitif Cs iyonlarını dışarı yollamak için ısıtılır. Daha sonrada bu Cs iyonları, yaklaşık olarak 5 kV luk bir potansiyel ile ¹⁸O kaynak materyalleri için yerleştirilmiş bir katota doğru hızlandırılır.

Kaynakdan çıkan iyonlar, dışarı püskürtülür ve tüm negatif iyonlar katottan uzağa yaklaşık 100 kV luk bir potansiyel ile saptırıcı magnete doğru hızlandırılır. Saptırıcı magnet, aşağıdaki formülün kullanımı ile ¹⁸O iyonlarını seçmek için donatılmıştır.

Bq

r = mv 3.2

Bu formülde, r ; magnetten geçen parçacıkların yolunun yarıçapı, m hüzmenin parçacığının kütlesi, υ ; hüzmenin hızı, q ; hüzmenin yükü ve B ; magnetik alan gücüdür. Sonra, bu ¹⁸O iyonları, yaklaşık 100 keV ilk enerji ile hızlandırıcı içerisine enjekte edilir ve sonrada, saptırma magneti ile aynı tarzda çalışan, analiz magnetini içeren iyon seçim sistemi içerisine gönderilir. Hüzme iyonlarının istenen yük seviyeleri Eşitlik 3.2 kullanılarak seçilir.

3.1.2 Hızlandırıcı

Vivitron Hızlandırıcı, pozitif bir yüksek voltaj terminaline sahiptir (max V ≅19 MV).

Hızlandırıcının sonları temel potansiyeldedir. Hüzme iyonları, hızlandırıcıya girdikleri zaman, yüksek voltaj terminaline doğru hızlandırılırlar. Hüzme iyonları terminale vardıkları zaman, karbon foilden yapılan bir elektron soyucu boyunca geçirilirler. Bu foil, negatif hüzme iyonlarının, elektronlarını sıyırarak alır. Şekil 3.3 de Vivitronun şematik diyagramı görülebilir.

Şekil 3.3: Vivitron hızlandırıcının şematik görünümü.

Tüm hızlandırıcı, SF₆ gazı ile dolu bir basınç kabı içindedir. Bu gaz, havadan daha yüksek bir yırtılma (breakdown) voltajına sahip kararlı bir gazdır. Böylece hızlandırıcı, kıvılcımlanma ve yük boşalımına karşı korunur. Terminaldeki yüksek voltaj, devamlı hareket eden bir yükleme kayışı ile elde edilir. Hızlandırıcının uçlarından bir tanesinde, pozitif yükler, kayış üstüne püskürtülür. Yükleme kayışı, pozitif yükü, terminale götürür ve diğer uçta göreceli olarak negatif yüklenir.

3.1.3 Hüzme, Saçılma Odası ve Hedef

Şekil 3.4 de, saçılma odası diyagramı görülebilir.

Şekil 3.4: Saçılma odası diyagramı.

Bu deneyde, 4 tane dedektör teleskopu kullanılmıştır. Bunlardan 2 tanesi hibrit dedektör teleskobu (bir gaz dedektör, bir strip dedektör ve bir CsI dedektör içeren) ve 2 tanesi de kuadrant dedektör teleskobudur (bir kuadrant dedektör, bir strip dedektör ve bir CsI dedektör içeren).

Bu dedektörlerin, tipleri, hedeften uzaklığı ve hüzme eksenine göre açıları, Tablo 3.1 de görülmektedir.

Tablo 3.1: Dedektörlerin tipleri, hedeften uzaklıkları ve hüzme eksenine göre açıları.

Deneyde kullanılan hedeflerin listesi ve hedef merdiveni üzerindeki pozisyonları, Tablo 3.2 de gösterilmektedir. Hedef merdiveni, saçılma odası altından elektrikli olarak sürülür. Hedef merdiveni üzerindeki, bir hedef boşluk vardır. Bununla, hüzmenin, hedef çerçevesine vurup vurmadığı kontrol edilir.

Tablo 3.2: Hedef merdiveni üzerinde kullanılan hedef listesi ve bunların pozisyonları.

3.2 HĐBRĐT DEDEKTÖR TELESKOPLARI

Bir hibrit dedektör teleskobu, Şekil 3.5 de gösterilmektedir.

Şekil 3.5: Gaz-silikon-sintilasyon hibrit dedektör teleskobun şematik bir gösterimi.

Gaz dedektörleri, 50-150 torr iso-butone ile doldurulmuş gaz iyonizasyon odalarıdır.

Parçacık kimliklerinin belirlenmesi için bir ∆E dedektör gibi davranır. Teleskopa giren tüm parçacıklar, gaz içinde bir miktar (∆E) enerji kaybederler ve sonrada pozisyon hassas silikon strip dedektörler (PSSSD) içinde bir miktar (E) enerji kaybederler. Eğer E ; enerji, m ; kütle, Z ; yük ise enerji kaybı oranı için Bethe-Bloch formülü aşağıdaki şekilde olduğu gibi gösterilebilir.

dx dE α

E mZ²

3.3

Eğer E’ye karşı dEgrafiği çizilirse, tüm olaylar mZ² terimi tarafından belirlenen line boyunca uzanırlar, bakınız Şekil 3.6 çizimi. Bu, teleskopa giren parçacıkların kimliklerinin belirlenmesi anlamına gelmektedir.

Şekil 3.6: Parçacık belirlenmesinin şematik bir diyagramı.

Gelen parçacıklar, 3.5µm kalınlığındaki mylar pencereyi geçer ve hibrit teleskopun birinci bölümü olan gaz iyonizasyon odasına giderler. Parçacıklar enerjilerinin bir bölümünü (∆E), gaz iyonizasyon odası içinde kaybederler, bunun sonucu olarakda anotta bir sinyal üretilir. Gaz hacmi içine yerleştirilmiş bir pozisyona hassas silikon dedektör (PSSSD), iyonizasyon olaylarının pozisyonlarını ve kalan enerjiyi ölçer.

Farklı elementlere ait iyonlar, silikon dedektör içinde kaybedilen enerji ve gaz dedektör içinde kaybedilen enerjinin karşılaştırılması ile birbirinden ayrılabilir.

Her bir element, Esilikon – Egaz grafiği üzerinde, kendilerine ait özgün bölgelerde toplanırlar. Bir CsI (Tl) sintilasyon kristali, PSSSD nin tam arkasına yerleştirilmiştir ve PSSSD nin silikon yongadan (wafer) geçen enerjitik hafif parçacıkların dedeksiyonunu mümkün kılan, bir fotodiyod readout ile bağlantılıdır.

Đyonların pozisyonlarının belirlenmesini sağlayan bu gaz hibrit dedektörlerini Charissa Grubu geliştirmiştir [23]. Bu dedektörler, bir pozisyon-hassas silikon durdurma dedektörü önünde, bir gaz iyonizasyon odasından oluşurlar.

3.2.1 Gaz Đyonizasyon Odası

Gaz iyonizasyon odaları, butone gazının sürekli akışı ile bir anot grid den oluşan, 50 mm kalınlığındaki aktif bir gaz volume içerir veyaklaşık olarak 60.8 torr sabit dahili basıncı muhafaza eder. Gaz akışı ve basınç, bir elektronik valf ve feedback sistemi aracılığıyla gözlemlenir.

Bir pozisyona hassas silikon strip dedektör (PSSSD) için bias ve sinyal çıkartım devresi şematik olarak Şekil 3.7 de görülebilir. Gaz iyonizasyon odası, bir kapasitör gibi davranır ve ön amplifikatör direnci ile bağlandığı zaman, R, bir zaman sabit RC ile bir dolanıma formlanır.

Anottaki sinyallerin genişlikleri, iyonizasyon tarafından üretilen yük ile orantılıdır ve bundan dolayıda gelen iyonlar tarafından kaybolan enerji ile orantılıdır.

Bias Supply R

R R

L RH

Load Load

Rear Contact Front Resistive Layer

Pre-amplifier

Pre-amplifier Silicon Semi-Conductor

Incident Particles

2 1

Şekil 3.7: Silikon strip dedektörden bir strip dışarı okuyucunun şematik diyagramı.

Bir kuadrant dedektörü için verilen elektronik devrenin benzeridir, fakat gazlar için bir tane çıkış sinyali vardır [24].

Gaz-silikon hibrit dedektörler [25,26] üstünde yapılan bir önceki deneyde, sinyal yüksekliği ile depolanan enerji arasında mükemmel bir lineerlik bulunmuş ve gaz hacmi içerisinde kaybedilen enerji önceden tahmin edilebilmiştir.

3.2.2 Silikon Dedektörler

Silikon dedektörler, bir p-tipi ve bir n-tipi katman arasında bir junction’dan biçimlenen yarı-iletken aygıtlardır. Bu dedektörler, hedefe en yakın tarafta yer alan n-tipi silikon tabakadan oluşmaktadır. Bunlar iyon dikim (implantation) yöntemi ile üretilirler. Bu dedektörlerin yüzeyi, 16 strip’e ayrılmıştır. Her bir strip 3mm aktif bir genişliğe sahiptir ve aralarında 0.133 mm boşluklar vardır.

Bu dedektörlere bir yüklü tanecik girdiği zaman, p-n junction bölgesindeki elektrik alan, üretilen boşlukları ve elektronları birbirinden ayırır, burada oluşan voltaj değişimi dolayısıyla bir puls üretilir. Pulsların genliği, dedektör içindeki parçacıklar tarafından kaybedilen enerji ile orantılıdır. Şekil 3.8 de yüksek ve alçak strip sonlarında 1 kΩ (R_L) dirençlerin olduğu görülebilir. Bunlar, yükün, her iki strip sonundanda toplanmasını sağlar.

Front Resistive Layer - 3 k Rear Contact

100 k 100 k

10 nF 10 nF

1 k

100 k 1 k

Pre-Amp Pre-Amp

(+150 V Bias Supply)

Ω Ω Ω Ω

Ω Ω

High Low

100 kΩ

Effective Resistance - 10 MΩ

Şekil 3.8: PSSSD için bias ve sinyal çıkartım devresinin şematik bir gösterimi.

Direnimli (resistive) strip, 100 kΩ ile toprakla da bağlantılıdır.Böylece kaçak akımlar dağıtılabilir. PSSSD’lerin, enerji çözünürlüğünün, E_beam = 84 MeV enerjide ¹²C iyonları için, ¹⁹⁷Au hedefi kullanılması durumunda 200 keV (FWHM) olacağı Curtis ve diğ. [23] tarafından gösterilmiştir.

Parçacık enerjisi, stripin yüksek (H) ve alçak (L) sonundaki puls genliklerinin toplamı ile orantılıdır.

Parçacık pozisyonları, yüksek ve alçak sinyal arasındaki farkın oranı aracılığıyla belirlenebilir ve aşağıdaki gibi gösterilir.

Pozisyon α

L H

L H

+

− 3.5

Bu ifade, ±1 sınırları içinde bir değer alabilir. Parçacık pozisyonlarının belirlenmesi, strip dedektörlerdeki en önemli avantajlardan biridir.

Yüklü parçacıkların büyük bir çoğunluğu, içinde bir miktar enerjinin (∆E) depolandığı, kuadrant dedektörleri geçer ve kalan enerjinin (E) depolandığı strip dedektörler de dururlar. ∆E:E oranı, parçacıkların tipine bağlıdır. Böylece bu sinyalleri karsılaştırmakla, parçacık yükünü ve muhtemel kütleyi bulmak mümkündür.

Strip dedektörlerden bulunabilen pozisyon bilgisi kullanımı ile yayılma açısı bile belirlenebilir.

3.2.3 Kuadrant Dedektörler

Kuadrant dedektörler, strip dedektörlere çok benzerdir. Onlarda 50 x 50 mm² lik bir yüzey alanına sahiptir fakat yaklaşık 70-80 µm kalınlığa sahip 25 x 25 mm² lik dört bölgeye ayrılmıştır. Kuadrant dedektörlerinin ince olmaları ve hafif iyonların oldukça girici özellikleri nedeniyle, parçacıkların enerjileri hakkında kesin bir bilgi elde edilmesi mümkün değildir. Bununla birlikte, kuadrant dedektörler, PSSSD dedektörleri ile birlikte kullanıldıklarında, parçacıkların kimliklerinin belirleme teleskopları olarak düşünülebilir. Bir parçacık belirleme teleskopu için şematik diyagram, Şekil 3.9 da görülmektedir.

Şekil 3.9: Parçacık belirleme için dedektör konfigürasyonu.

Enerji sinyalleri, kuadrant dedektörlerin her birinden alınabilir fakat her bir kuadrantın ön kısmında sadece bir tane bağlantı vardır. Bu yüzden pozisyon bilgisinde kesinlik aranamaz (sadece strip dedektörlerin arkasında). Bunların çıkışında bir akım puls oluşur ve bu akım pulsu üretilen iyonizasyon miktarı ile orantılıdır. Dedektör içinde parçacıklar tarafından kaybolan enerji, bu puls’larin ölçülmesi ve parçacıkların hangi kuadrantı geçtiklerinin kayıt edilmesi aracılığıyla bulunabilir ; parçacık pozisyonları hakkında kabaca bir fikir elde edilebilir.

3.2.4 CsI (TI) Sintilasyon Dedektörler

PSSSD’lerin arkasında yer alan sintilasyon dedektörleri katı sezyum iyodür (CsI) kristal parçasından yapılmıştır. Bunlar parçacık enerjisi hakkında bilgi verirler, ancak parçacık pozisyonu hakkında bilgi vermezler. Ama bu bilgi zaten silikon dedektörlerden elde edilebilir. Her bir kristal 50 x 50 mm² bir ön yüz bölümüne ve 52 MeV enerjiye sahip protonları veya 205 MeV enerjiye sahip α-parçacıklarını durdurabilen 10 mm bir derinliğe sahiptir. Kristallerin görünür yüzeyleri ışık toplamaya yardım etmek ve dışardan ışık sokmamak için 6 µm kalınlığındaki alüminyum ile kaplı mylar ile sarılmıştır.

CsI dedektörüne ulasan parçacıklar için, eğer ölçülen enerji E ve strip dedektör içerisinde kaybolan enerji ∆E ise parçacıkların ∆E:E plottan kimlikleri belirlenebilir.

3.3 VERĐ TOPLAMA SĐSTEMĐ

Veri Toplama (DA) sisteminin amacı, dedektörlerin çıkışından gelen yük sinyallerini almak ve sonra onları depolanabilir ve daha sonrasında analiz edilebilir dijital verilere dönüştürmektir. DA, üç ana kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, analog elektronik içinde mevcut olan sinyal şekillendirmesidir. Đkinci kısım, dedektörlerin koinsidans olarak ateşlenmesi durumunda tetikleme sinyalleri üretililen tetikleyicidir. Üçüncü kısım ise, analogdan dijitale çeviricidir. Bu sonuncu süreçler, mantıksal elektronik içinde ve VME / CAMAC kasaları içinde yer alır. DA sistemi için tipik bir kablo bağlantısının şematik olarak gösterimi Şekil 3.10 da görülebilir.

Şekil 3.10: Tipik bir Vivitron deneyi için Veri Toplama Sisteminin şematik bir gösterimi [24].

Dedektör sinyallerinin biçimlendirilmesi, yükseltilmesi, dijitize edilmesi ve sonunda magnetik teyplere depolanması süreçlerine ait bir akış şeması Şekil 3.11 de görülebilir.

Şekil 3.11: Veri Toplama Sisteminin akış diyagramı.

3.3.1 Analog Elektronik Birimler

Stripin her iki ucundaki çıkışlar yüke duyarlı ön preamplifikatörlerden alınmıştır.

Vivitron deneyindeki Silikon Strip Dedektör bağlantılarının diyagramı Şekil 3.12’de görülebilir. Kullanılan her bir dedektörün 32 çıkışı vardır. Đhtiyaç duyulan toplam veri kanalı sayısı iki kanallı 2 gaz dedektörü de dahil 98 adettir.

Şekil 3.12: Vivitron deneyi içindeki silikon strip dedektör bağlantısını gösteren bir şematik diyagram.

3.3.2 Mantıksal Elektronik Birimler

Mantıksal elektronik, veri toplama sistemini tetikleyen, istenilen ve geçerli tetikleme sinyallerini değerlendirir

3.3.3 Data Dışarı Okunması

Bir başlangıç pulsu ADC’lere vardığında, veriler sayısallaştırılmaya başlanır. Bu, parçacığın tüm enerjisini vereceği pik voltajını toplamak için oldukça önemlidir. Her biri 0 ile 10 V arası dinamik aralıkla 3840 kanal sağlar ( kayan ölçek devresi için 256 kanal ayrılmıştır). ADC’nin dönüştürme zamanı 32 µs, bu ADC başına 8 kanal ve 4 µs’dir. Başlangıç puls, veri akışına 16 bit kelime (FFFF) koyan F2BV’ye de gönderilmiştir. ADC’ler 3 ve 10 kelime arasında F2VB’ye yazılır. Her bir kelime 16 bit uzunluktadır. Veri ADC’den F2VB’ye yazıldığında, VME borularındaki bir işlemci birimi veriyi F2VB’den SUN iş istasyonuna iletir.

Sonrada bir bilgisayar işlemcisi tarafından, veri DLT teybe yazdırılır. Sort-spy adlı bir program ise SUN işlemci içerisinde iletilmiş veriyi izler ve bunu SUNSORT adlı birprograma iletir [27]. Buda çevrim-içi veri analizinin yapılabilmesine olanak tanır.

1 kΩ 1 kΩ 1 kΩ

Front Resistive Layer - 3 k Rear Contact

100 k 100 k

10 nF 10 nF

100 k Pre-Amp

(+150 V Bias Supply)

Ω Ω Ω

Ω

High Common

Front Resistive Layer - 3 k Rear Contact

100 k 100 k

10 nF 10 nF

1 k

100 k Pre-Amp

(+150 V Bias Supply)

Ω Ω Ω Ω

100 kΩ Ω 100 kΩ

Pre-Amp

Low

Effective Resistance - 10 M

Effective Resistance - 10 MΩ Ω

DATA ANALĐZĐ

Data, daha sonra off-line analizlerin yapılabilmesi için DLT magnetik teybe kayıt edilmiştir. Bu çalışmada, deney datasının off-line analizi, bir SUN workstation kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Olay-olay toplanan data, CHARISSA Grubu tarafından geliştirilen SUNSORT [27] software paketi aracılığıyla DLT teyplerden okutulmuştur. SUNSORT, data’nın teypten çözümlenmesine ve istendiği gibi filtre edilmesine izin verir. Bu işlemler için Fortran77 dilinde yazdığımız bir program kullanılmıştır.

Data analizi için çalışmalar iki bölümde toplanabilir. Bunlar a) Enerji ve Pozisyon için Kalibrasyon ve Düzeltmeleri ve b) Olayların Yeniden Yapılandırılmasıdır. Yapmış olduğumuz analizlerin ayrıntıları sırasıyla aşağıda açıklanmıştır.

3.4 KALĐBRASYONLAR VE DÜZELTMELER

Kalibrasyonların gerçekleştirilmesinde, ¹⁹⁷Au (140 µg/cm²) hedef ve ¹⁸O hüzme datası kullanılmıştır. Burada kullanılmış olan hedef merdiveni Şekil 3.3 de gösterilmiştir. Bu data kullanılarak tüm dedektörlerin kazanç eşleşmeleri ve uzaysal konum kalibrasyonları yapılmıştır.

s

Tablo 3.3: Hedef merdiveni üzerindeki hedeflerin pozisyonları.

Deney kısaca 3 farklı bölüme ayrılabilir. 1. olarak data alınımına başlamadan deney düzeneği hazırlanır, tüm dedektörler istenilen açı ve uzaklıklara ayarlanır, ve sonrasında ofsetler bulunur. 2. olarak 140 µg/cm² kalınlığındaki ¹⁹⁷Au hedefi kullanımı ile elastik saçılma deneyleri farklı çalışma koşullarında kullanılır ve kalibrasyonlar yapılır. Daha sonra, 3. olarakda asıl deney olan 71.398 MeV enerjiye sahip ¹⁸O hüzmesi, 120 µg/cm² kalınlığındaki ¹²C hedefe bombardıman edilir ve asıl reaksiyon sonuçları alınır.