Những hiệu chỉnh cho detector SBT và HODF của phổ kế từ SAMURAI

Bài viết Những hiệu chỉnh cho detector SBT và HODF của phổ kế từ SAMURAI trình bày về sơ đồ bố trí thí nghiệm và hai hiệu chỉnh cần thiết để tối ưu nhận diện hạt bao gồm hiệu chỉnh độ nghiêng và hiệu chỉnh đồng bộ tín hiệu của hệ detector ở SAMURAI để thu được kết quả nhận diện tốt nhất trong chiến dịch thí nghiệm SEASTAR 3.

Những hiệu chỉnh cho detector SBT HODF phổ kế từ SAMURAI B D LINH1, L X CHUNG1, N T KHAI2, N D TON1, SEASTAR3 collaborator Institute for Nuclear Science and Technology, 179 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Ha Noi VARANS, 14th floor, 113 Tran Duy Hung, Cau Giay, Ha Noi buiduylinh@vinatom.gov.vn Tóm tắt: SAMURAI hệ phổ kế từ Viện nghiên cứu Hóa Lý RIKEN dùng cho thí nghiệm cần xác định đầy đủ tham số động học hạt nhân sản phẩm phổ bất biến khối lượng Ưu điểm hệ phổ kế từ khả thu nhận góc xung lượng lớn, ghi đo trùng phùng nhiều hạt Chiến dịch thí nghiệm lần thứ dự án (SEASTAR) “Nghiên cứu tiến hóa lớp vỏ tìm kiếm hệ thống trạng thái lượng 2+1” thực phổ kế từ SBT (Plastic scintillator for Beam Trigger) cho phép đo thời gian bay cắt ngưỡng, HODF (Hodoscope for fragments) đo thời gian bay độ lượng mảnh sử dụng hệ phổ kế từ SAMURAI Do phụ thuộc thời gian vào trình cắt ngưỡng đỉnh phụ thuộc vị trí vào đáp ứng ánh sáng ra, việc hiệu chỉnh độ nghiêng hiệu chỉnh đồng tín hiệu hệ detector cần thiết để nhận diện hạt tốt SAMURAI Báo cáo trình bày hai hiệu chỉnh quan trọng từ số liệu thí nghiệm SEASTAR lần thứ Từ khóa: SEASTAR, nhận diện hạt, BigRIPS, SAMURAI, SBT, HODF I MỞ ĐẦU Cấu trúc hạt nhân gần vùng bền đặc trưng lớp vỏ lượng giống nguyên tử với số “magic” hạt nhân Khi hạt nhân có số hạt proton neutron 2, 8, 20, 28, 50, … chúng bền vững Các hạt nhân giàu proton neutron nằm xa vùng bền gọi hạt nhân lạ, chúng giành quan tâm nhiều từ nhà khoa học, máy gia tốc đại tạo chùm đồng vị phóng xạ có cường độ lớn lượng cao Trong hạt nhân lạ, nhà vật lý “quan sát” thấy tượng hạt nhân halo hay hạt nhân có lớp da neutron [1, 2], hạt nhân có “sự xâm nhập trạng thái” (intruder states) [3, 4] số “magic” Đặc biệt với hạt nhân xa vùng bền gần đường giới hạn proton neutron (tại lượng liên kết với nucleon xấp xỉ 0), nghiên cứu gần chứng minh biến số “magic” Bên cạnh đó, phát số “magic” vùng công bố Các chứng thuyết phục như: biến số “magic” N =28 hạt nhân 42Si [6], xuất số “magic” N =14 22O [7], N = 32, 34 đồng vị 52,54Ca [8, 9] xuất rõ ràng lớp vỏ đóng N=32 đồng vị bên hạt nhân “magic” Z=20 [10, 11] Dự án “Shell Evolution and Systematic Search for Energies at RIBF” (viết tắt SEASTAR) có mục đích nghiên cứu trạng thái kích thích thơng qua việc đo đạc lượng gamma phát xạ hạt nhân giàu neutron từ 47Cl đến 110Zr [12] Kết từ việc phân tích động học, phổ lượng kích thích hạt nhân sản phẩm cung cấp thông tin cấu trúc vỏ hạt nhân nằm xa vùng bền [13-16] Chiến dịch thí nghiệm SEASTAR lần thứ (SEASTAR 3) nghiên cứu lớp vỏ pf nhân xung quanh 54Ca nhằm nghiên cứu vấn đề định xứ neutron lớp vỏ N=34 hạt nhân nhỏ 54Ca; tương quan đồng vị Ca nặng 54Ca; biên giới hạn vùng đảo ngược N = 40 hạt nhân có Z thấp; tượng đảo ngược 47,49Cl 53K Thí nghiệm sử dụng hệ phổ kế từ SAMURAI để đo đạc nhận diện hạt nhân sau phản ứng thứ cấp SAMURAI [17] (Superconducting Analyzer for MUlti particles from RAdio Isotope beams) phổ kế từ linh hoạt đánh giá cao thí nghiệm sử dụng chùm hạt phóng xạ với ưu điểm khả thu nhận góc xung lượng lớn, ghi đo trùng phùng nhiều hạt Nó thiết kế cho thí nghiệm sử dụng phương pháp bất biến khối lượng thức đưa vào hạt động từ tháng năm 2012 Hệ phổ kế từ bao gồm nam châm siêu dẫn có khoang chân khơng lớn, xung quanh nam châm siêu dẫn hệ detector đo hạt mang điện neutron Hệ phổ kế từ SAMURAI sử dụng phương pháp nhận diện TOF-Bρ-ΔE hệ phổ kế từ BigRIPS [18] Các kết nhận diện hạt sở cho phép lựa chọn kênh phản ứng cần quan tâm giảm thiểu phông phổ gamma Trong báo cáo này, nhóm tác giả trình bày sơ đồ bố trí thí nghiệm hai hiệu chỉnh cần thiết để tối ưu nhận diện hạt bao gồm hiệu chỉnh độ nghiêng hiệu chỉnh đồng tín hiệu hệ detector SAMURAI để thu kết nhận diện tốt chiến dịch thí nghiệm SEASTAR II SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM VÀ CÁC HIỆU CHỈNH Sơ đồ bố trí thí nghiệm SEASTAR Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm SEASTAR phổ kế từ SAMURAI, chi tiết trình bày viết SEASTAR chiến dịch thí nghiệm tập trung đo hạt nhân 47,49Cl, 50,52Ar, 51,53K, 55,56 Ca 60,62Ti Do đó, thiết lập tham số BigRIPS dựa theo “setting 53K” để hội tụ đồng vị 53K vào trung tâm Hệ thống gia tốc RIBF [18] gia tốc chùm sơ cấp 70Zn đến lượng 345 MeV/u với cường độ 250 pnA bắn vào bia sơ cấp 9Be đặt vị trí lối vào hệ thống phân tách chùm hạt BigRIPS Phản ứng phân mảnh chùm hạt tới bia 9Be tạo sản phẩm hỗn hợp đồng vị giàu neutron Hệ phổ kế BigRIPS nhận diện mảnh vỡ hỗn hợp phương pháp TOF-Bρ-ΔE [18] dẫn chúng tới bia phản ứng thứ cấp đặt sau vị trí F13 (hình 1) hệ phổ kế từ SAMURAI Vị trí F13 có đặt detector nhấp nháy SBT [17] để cắt ngưỡng cho phép đo thời gian hạt SAMURAI Tại vị trí này, hạt nhân tới từ BigRIPS có lượng cỡ 200 – 270 MeV/nucleon theo dõi vị trí detector BDC1 & BDC2 [17], trước xảy phản ứng loại bỏ (knock-out) vài nucleon với bia proton dày 150 mm chế tạo dạng hydro lỏng thiết bị MINOS [19] tạo hỗn hợp gồm nhiều hạt nhân sản phẩm Thiết bị MINOS có khả theo dõi vị trí hạt proton từ phản ứng xảy bia H2 lỏng để xác định vị trí phản ứng Các tia gamma tức thời phát từ hạt nhân sản phẩm sau phản ứng đo hệ detector nhấp nháy DALI2 [20, 21] bố trí xung quanh MINOS Hệ detector đo tia gamma bao gồm 226 tinh thể NaI có hiệu suất ghi > 20% với tia gamma có lượng MeV góc ghi đo xấp xỉ 4π Các hạt nhân sản phẩm sau phản ứng knock-out phân tách di chuyển buồng chân không nam châm siêu dẫn (SAMURAI Magnet) Các hạt neutron khơng tích điện có đường bay thẳng đo hệ NEBULA [17] NeuLAND [22] Các hạt có điện tích bị bẻ cong (hình 1), quỹ đạo chúng đo hệ detector FDC1 FDC2 [17], độ lượng thời gian bay đo detector HODOF [17] Các hiệu chỉnh phổ kế từ SAMURAI Hình Tương quan Z tỉ số A/Q để nhận diện hạt phổ kế từ SAMURAI trước hiệu chỉnh Như trình bày trên, hạt nhân sản phẩm phản ứng bia MINOS nhận diện hệ phổ kế từ SAMURAI dựa phương pháp TOF-Bρ-ΔE Trong đó, Bρ xác định quỹ đạo bay xây dựng từ vị trí đo detector FDC1 FDC2 kết hợp với ma trận từ trường biết nam châm siêu dẫn TOF ΔE thu từ phép đo detector HODOF Các detector nhấp nháy SBT có chức mở cổng thời gian đo TOF detector HODOF, đó, phép đo SBT ảnh hưởng nhiều đến kết nhận diện hạt sản phẩm sau phản ứng bia thứ cấp Hình tương quan Z A/Q dùng để nhận diện hạt phân tích trước thực hiệu chỉnh Ta thấy đồng vị khơng phân tách rõ ràng, ví dụ, hạt nhân 51K vùng khoanh đen hình không phân biệt rõ với hạt nhân 50K 52K Hình PMT “R” “L” detector SBT – hình a; PMT “U” “D” detector HODOF – hình b Detector HODOF bao gồm 24 detector nhấp nháy ghép theo phương thẳng đứng, có gắn ống nhân quang điện (PMT) đầu Các PMT gắn phía ký hiệu phân tích “U” cịn gắn phía “D” (hình 3) Các detector SBT ngồi tên “Plastic scintillator for Beam Trigger”, cịn có tên “Scintillator before Target” dùng để khởi tạo cho phép đo thời gian HODOF SBT hai detector nhấp nháy (SBT1 SBT2) dạng mỏng đặt theo phương ngang Mỗi gắn PMT đầu HODOF Nhìn theo hướng chùm tia tới, PMT gắn phía trái ký hiệu “L” gắn phía phải ký hiệu “R” (hình 3) a Hiệu chỉnh độ nghiêng Sự phụ thuộc kết đo thời gian vào trình cắt ngưỡng đỉnh PMT phụ thuộc vào đáp ứng ánh sáng PMT tinh thể nhấp nháy detector SBT HODOF nguyên nhân làm cho độ phân giải thời gian đo chúng bị thay đổi Các báo cáo Kobayashi tài liệu tham khảo [23] khẳng định hiệu ứng Phương pháp thường dùng để loại bỏ hiệu ứng hiệu chỉnh độ nghiêng tương quan thời gian SBT HODOF với điện tích thu nhận PMT Dưới đây, báo cáo trình bày phương pháp hiệu chỉnh áp dụng vào số liệu thí nghiệm SEASTAR Các hiệu chỉnh thực với kiện (event-by-event) Kết đo thời gian SBT dùng cho nhận diện hạt sau phản ứng bia MINOS giá trị mốc thời gian trung bình (F13_Time) Hình biểu diễn kết trước hiệu chỉnh sau hiệu chỉnh: hình a) a‟) tương quan F13_1_Time - F13_2_Time với F13Pla_1_Q; hình b) b‟) tương quan F13_1_Time - F13_2_Time với F13Pla_2_Q; hình c) c‟) phổ F13_1_Time F13_2_Time hạt nhân chuẩn 50Ar Trong đó, F13_1_Time = (F13Pla_1_TL + F13Pla_1_TR)/2, F13_2_Time = (F13Pla_2_TL + F13Pla_2_TR)/2, F13Pla_1_Q = , F13Pla_1_Q = √ thời √ gian đo điện tích góp đầu detector SBT1 SBT2; F13Pla_1_TL, F13Pla_1_TR, F13Pla_2_TL, F13Pla_2_TR, F13Pla_1_QL, F13Pla_1_QR, F13Pla_2_QL, F13Pla_2_QR thời gian đo điện tích thu nhận phía bên trái, bên phải detector SBT1 SBT2 Trước hiệu chỉnh vùng tương quan bị nghiêng phía, nên chiếu xuống trục Y (trục hiệu thời gian SBT1 SBT2) thu phổ Gauss có độ lệch tiêu chuẩn sigma lớn khoảng 131 (hình 4-c) Nguyên nhân gây chênh lệch F13_1_Time F13_2_Time độ nghiêng Do đó, cơng thức xây dựng để hiệu chỉnh thời gian SBT1 SBT2 sau: F13_1_Time = (F13Pla_1_TL + ⁄√ ⁄√ + 1.095 – F13Pla_2_TR)/2 ⁄√ + 1.230 – + 1.179 F13_2_Time = (F13Pla_2_TL + ⁄√ F13Pla_1_TR)/2 + 2.118 Sau hiệu chỉnh, vùng tương quan nằm song song với trục X nên chiếu lên trục Y độ lệch tiêu chuẩn sigma phổ Gauss giảm xuống 74 (hình 4-c‟) So sánh hai hình 4-c) hình 4-c‟), ta thấy độ lệch tiêu chuẩn sigma hiệu thời gian SBT1 SBT2 giảm từ 131 ps xuống 74 ps, tức độ phân giải thời gian detector cải thiện cách đáng kể Detector HODOF thực tương tự cách sử dụng tương quan hiệu thời gian detector HODOF (Hodo_Time) thời gian trung bình hai detector SBT (F13_Time) với điện tích ghi nhận phía (Hodo_QU) phía (Hodo_QD) detector HODOF Hình ví dụ, hình a b tương quan trước hiệu chỉnh, hình a‟ b‟ tương quan sau hiệu chỉnh thứ 10 Hình Tương quan thời gian với điện tích thu nhận hai detector SBT trước hiệu chỉnh (a, b, c) sau hiệu chỉnh (a’, b’, c’) Hình Tương quan trước sau hiệu chỉnh thứ 10 HODOF_Time – F13 với Hodo_QU – hình a a’, Hodo_QD – hình b b b Hiệu chỉnh đồng tín hiệu Trong thí nghiệm SEASTAR, thời gian diễn thí nghiệm ngày liên tục chia thành 230 lần ghi nhận số liệu Trong trình làm việc, nhiệt độ thiết bị điện tử detector thay đổi dẫn đến kết ghi nhận số liệu bị thay đổi Ngoài ra, số nguyên nhân khác làm cho ngưỡng đặt ban đầu detector thiết bị khơng cịn giống lần chạy Ví dụ, hình 6-a) cho thấy thay đổi điện tích ghi nhận bên trái SBT1 lần ghi nhận số liệu thứ 44 bị thay đổi, hình 6-b) biểu diễn thay đổi điện tích ghi nhận bên phải SBT2 bị thay đổi với lần chạy, điều dẫn đến kết nhận diện chưa tối ưu hình Do đó, đồng tín hiệu ghi nhận detector lần ghi nhận số liệu cho tất lần ghi nhận số liệu cần thiết Hình Kết quả: đồng tín hiệu điện tích bên trái detector SBT1 theo lần chạy (lần thứ 44) từ hình a a’; đồng tín hiệu điện tích bên phải detector SBT2 theo tất lần chạy từ hình b b’ hình c, d, e, f tham số đường thẳng đồng Chi tiết thảo luận báo cáo Phương pháp để đồng tín hiệu sau: + Đối với lần ghi nhận số liệu: sử dụng vùng đồng vị có thống kê tốt 51K, 53Ca, 56 Sc, 60Ti, 62V BigRIPS để xây dựng tương quan F13_1_QL (trục Y) với kiện (Number of events – trục X), hình – a tương quan với đồng vị 51K Đối với tương quan, giả sử giá trị Y bin thứ Y1, bin thứ i Yi lập tỉ số Yi/Y1 Ta có điểm bin thứ i Sau ta khớp hàm đường thẳng y = p1*x + p2 qua điểm thu hệ số p1 (hình c) p2 (hình d) đường thẳng Xây dựng hai tệp tin định dạng root có chứa p1 p2 để chương trình phân tích đọc vào thực hiệu chỉnh đồng Hình – a‟ kết đồng tín hiệu đo cho lần đo thứ 44 điện tích phía bên trái SBT1 + Đối với tất lần ghi nhận số liệu: làm tương tự lần ghi nhận số liệu Trên hình – b, ta có trục X lần ghi nhận số liệu từ 36 đến 230 (Number of events), trục Y điện tích phía bên phải SBT2 (F13_2_QR) với đồng vị 51K Lấy bin lần ghi nhận số liệu 36 làm chuẩn, xây dựng tỉ số Yi/Y36 Hình – e, – f biểu diễn hệ số p1 p2 đường thẳng Xây dựng tệp có chứa chứa p1 p2 sử dụng để hiệu chỉnh Chúng ta sử dụng lần ghi nhận số liệu 36 để so sánh lần ghi nhận số liệu chuẩn tham số cho q trình phân tích sau Hình – b‟ kết đồng tín hiệu cho tất lần đo điện tích phía bên phải SBT2 Hình ví dụ biểu diễn kết đồng tín hiệu ghi nhận detector SBT: lượng điện tích thu nhận phía bên trái SBT1 lần ghi nhận số liệu thứ 44 trước hiệu chỉnh – hình a sau hiệu chỉnh đồng tín hiệu hình a‟; lượng điện tích thu nhận phía bên phải SBT2 từ lần ghi nhận số liệu thứ 36 đến lần ghi nhận số liệu thứ 230 trước hiệu chỉnh – hình b sau hiệu chỉnh đồng tín hiệu – hình b‟ Sau đồng bộ, tín hiệu đồng theo đường thẳng lần ghi nhận số liệu tất lần ghi nhận số liệu Đối với detector HODOF, việc đồng cần thực Ví dụ, hình – a tương quan hiệu thời gian thứ 10 detector HODOF (Hodo10_Time) F13_time với tất lần ghi nhận số liệu (Number of runs) trước hiệu chỉnh, hình – a‟là tương quan Hodo10_Time – F13_Time với Number of runs sau hiệu chỉnh đồng Hình – b kết sau đồng điện tích thứ 15 HODOF với tất lần chạy Hình Kết biểu diễn tương quan hiệu thời gian detector HODOF24 detector SBT với tất lần ghi nhận số liệu theo HODOF sau đồng Kết nhận diện sau hiệu chỉnh độ nghiêng đồng tín hiệu biểu diễn hình Kết nhận diện cải thiện rõ ràng, ví dụ, vùng hạt nhân 51K vùng khoanh đen (khoanh đen) phân tách với với hạt nhân 50K 52K bên cạnh Hình Tương quan Z tỉ số A/Q để nhận diện hạt phổ kế từ SAMURAI sau thực hiệu chỉnh III KẾT LUẬN Báo cáo giới thiệu tổng quát mục tiêu nghiên cứu thí nghiệm SEASTAR hạt nhân lạ giàu neutron Chi tiết bố trí thí nghiệm SEASTAR sử dụng phổ kế từ có độ xác cao SAMURAI chi tiết phương pháp kết hiệu chỉnh độ nghiêng hiệu chỉnh đồng detector SBT HODOF nhóm tác giả trình bày Kết so sánh nhận diện hạt thí nghiệm trước sau hiệu chỉnh cho thấy mức độ ảnh hưởng đến khả nhận diện hạt hai hiệu chỉnh Các vùng đồng vị tương quan nhận diện Z A/Q sử dụng phương pháp TOF-Bρ-ΔE sau hiệu chỉnh tách biệt rõ ràng, sở để thực phân tích số liệu Tài liệu tham khảo [1] I Tanihata, “Neutron halo nuclei”, J Phys G 22, (1996), 157, and references therein [2] L X Chung et al., “Elastic proton scattering at intermediate energies as a probe of the 6,8 He nuclear matter densities”, Physical Review C 92, 034608 (2015) [3] S D Pain et al., “Structure of 12Be: Intruder d-Wave Strength at N=8”, Phys Rev Lett 96 (2006) 032502 [4] Le Xuan Chung et al., “The dominance of the ν(0d5/2)2 configuration in the N = shell in 12Be from the breakup reaction on a proton target at intermediate energy”, Physics Letters B 774, 559-563 (2017) [5] O Sorlin et al., “Nuclear magic number: New features far from stability”, Progress in Particle and Nuclear Physics 61, Issue 2, 602-673 (2008) [6] Bastin, B et al., “Collapse of the N = 28 shell closure in 42Si”, Phys Rev Lett 99, 022503 (2007) [7] E Becheva et al., “The N=14 shell closure in 22O viewed through a neutron sensitive probe”, Phys Rev Lett 96, 012501 (2006) [8] F Wienholtz et al., Masses of exotic calcium isotopes pin down nuclear forces, Nature 498, 346 (2013) [9] D Steppenbeck et al., “Evidence for a new nuclear „magic number‟ from the level structure of 54Ca”, Nature 502, 207–210 (2013) [10] D Steppenbeck et al., “Low-Lying Structure of 50Ar and the N = 32 Subshell Closure”, Phys Rev Lett 114, 252501 (2015) [11] M Rosenbusch et al., “Probing the N = 32 Shell Closure below the Magic Proton Number Z = 20: Mass Measurements of the Exotic Isotopes 52 53K”, Phys Rev Lett 114, 202501 (2015) [12] P Doornenbal and A Obertelli, “Shell Evolution and Systematic Search for +1 Energies”, Proposal for Nuclear Physics Experiment at RI Beam Factory RIBF NP-PAC13 (2013) [13] C Santamaria, L X Chung et al., “Extension of the N=40 Island of Inversion towards N=50: Spectroscopy of Cr66, Fe70,72”, Physical Review Letters 115, 192501 (2015) [14] P Nancy et al., L X Chung, B D Linh., “Are There Signatures of Harmonic Oscillator Shells Far from Stability? First Spectroscopy of 110Zr”, Physical Review Letters, 118, 032501 (2017) [15] F Flavigny et al., L.X Chung, B.D Linh, “Shape Evolution in Neutron-rich Krypton Isotopes beyond N = 60: First spectroscopy of 98,100Kr”, Physical Review Letters 118, 242501 (2017) [16] X.Y Liu et al., L.X Chung, B.D Linh, “Spectroscopy of 65,2567Mn: Strong Coupling in the N = 40 “Island of Inversion”, Physics Letters B 784, 392–396 (2018) [17] T Kobayashi et al., “SAMURAI spectrumeter for RI beam experiments”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 317, 294–304 (2013) [18] B D Linh et al., “Particle identification for Z = 25 – 28 exotic nuclei from SEASTAR experimental data”, Nuclear Science and Technology, Vol.7, No 2, pp 01-07 (2017) [19] A Obertelli et al., "MINOS: A vertex tracker coupled to a thick liquid-hydrogen target for in-beam spectroscopy of exotic nuclei", Eur Jour Phys A 50, (2014) [20] P Doornenbal, "In-beam gamma-ray spectroscopy at the RIBF", Prog Theor Exp Phys., 03C004 (2012) [21] S Takeuchi, “DALI2: A NaI(Tl) detector array for measurements of γ rays from fast nuclei”, Nucl Instrum and Methods in Phys Res Sect A, 763-596 (2014) [22] https://www.gsi.de/neuland/ [23] http://lambda.phys.tohoku.ac.jp/~kobayash/samuraiD/memo/index.html ... đo hệ detector FDC1 FDC2 [17], độ lượng thời gian bay đo detector HODOF [17] Các hiệu chỉnh phổ kế từ SAMURAI Hình Tương quan Z tỉ số A/Q để nhận diện hạt phổ kế từ SAMURAI trước hiệu chỉnh Như... phổ kế từ có độ xác cao SAMURAI chi tiết phương pháp kết hiệu chỉnh độ nghiêng hiệu chỉnh đồng detector SBT HODOF nhóm tác giả trình bày Kết so sánh nhận diện hạt thí nghiệm trước sau hiệu chỉnh. .. phải SBT2 Hình ví dụ biểu diễn kết đồng tín hiệu ghi nhận detector SBT: lượng điện tích thu nhận phía bên trái SBT1 lần ghi nhận số liệu thứ 44 trước hiệu chỉnh – hình a sau hiệu chỉnh đồng tín hiệu