MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne

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1 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne
13.4. Einführung, Beschleuniger 20.4. Schwerionenreaktionen, Synthese superschwerer Kerne (SHE) 27.4. Kernspaltung und Produktion neutronenreicher Kerne 4.5. Fragmentation zur Erzeugung exotischer Kerne 11.5. Halo-Kerne, gebundener Betazerfall, 2-Protonenzerfall 18.5. Wechselwirkung mit Materie, Detektoren 25.5. Schalenmodell 1.6. Restwechselwirkung, Seniority 8.6. Tutorium-1 15.6. Tutorium-2 22.6. Vibrator, Rotator, Symmetrien 29.6. Schalenstruktur fernab der Stabilität 6.7. Tutorium-3 Klausur

2 The Chart of Nuclides - the „Playground“ for Nuclear Physics
representation of isotopes in the Z-N plane isotope: atom (nucleus) of an element with different number of neutrons island of stability ? stabilisation via shell effects Pb (lead) and Bi (bismuth) Z = 100 U (uranium) and Th (thorium) black: stable isotope red: +-unstable isotope blue: --unstable isotope yellow: -instable isotope green: spontaneous fission

3 Super Heavy Elements (SHE)
Übersicht Synthese: Neutronenbestrahlung ( ) Heiße Fusion ( ) Kalte Fusion (ab 1974) Nachweis von superschweren Elementen mit dem Geschwindigkeitsfilter SHIP Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld Implantationsdetektor und Alpha-Zerfall Coulomb-Barriere Q-Wert der Fusionsreaktion Wirkungsquerschnitt der Reaktion Alpha-Zerfall

4 Neutronenbestrahlung (~1940)
Schwere Elemente werden mit Neutronen beschossen 23 min 2.355 d Strategie erfolgreich bis Element 100 (Fermium) Fermium besitzt kein Isotop mit β_ -Zerfall! kurze Lebensdauer aufgrund α-Zerfall und Spaltung

5 Heiße Fusion (~1952) Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen “Hot Fusion” "Heiße" Fusion 20-40X + Actinide E*CN ≈ 45MeV 4n-5n Kanal "n-reiche" Isotope Strategie erfolgreich bis Element 106 (Seaborgium)

6 Heiße Fusion (~1952) “Hot Fusion”
Coulomb Barriere VC zwischen Projektil und Targetkern muß überwunden werden. = MeV ( 26Mg + 248Cm) r Reaktion: a + A → C* → B + b Δm = ma + mA –mCN Δm = ( – ) * MeV/c2 = MeV/c2 Anregungsenergie des Compoundkerns E* = Ekin + Δm·c2 = MeV – 82.2 MeV = 44.0 MeV etwa 4 Neutronen werden abgedampft, um Spontanspaltung zu verhindern Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

7 Kalte Fusion (~1974) Ein schwerer und mittelschwerer Kern werden verschmolzen Einschussenergie: Kernen müssen gerade eben die Coulomb-Barriere überwinden "Kalte" Fusion 50-70X + Pb, Bi E*CN ≈ 10MeV 1n Kanal "n-arme" Isotope „Soviel Energie wie nötig, aber so wenig Energie wie möglich.“

8 Kalte Fusion (~1974) Coulomb Barriere VC zwischen Projektil und Targetkern muß überwunden werden. = MeV ( 58Fe + 208Pb) r Reaktion: a + A → C* → B + b Δm = ma + mA –mCN Δm = ( – ) * MeV/c2 = MeV/c2 Anregungsenergie des Compoundkerns E* = Ekin + Δm·c2 = MeV – MeV = 18.2 MeV etwa 1-2 Neutronen werden abgedampft, um Spontanspaltung zu verhindern Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

9 Der 2-Stufenprozess: Fusion - Abdampfung
even-even compound nucleus final nucleus plus neutron Elab [MeV]  [mbarn] 50Ti + 208Pb  258Rf* (HIVAP Rechnungen) n fission Fusion 5-7 Größenordnungen Spaltung Beide Zerfallsprozesse sind durch die Niveaudichte bestimmt, entweder von der im Restkern oder am Sattelpunkt. Niveaudichte: 3n 1n 2n Verdampfungsrestkerne (VR)

10 Synthesis of Heavy Elements
70Zn 277112 n 208Pb Fusion _1_ 1012

11 Production cross section
The production cross section: fusion cross section and survival probability Nucleus: 1 barn = cm2 = m2 fusion cross section: < 1 barn Production cross section 277112:  1 pbarn = barn 1:1012 Charlotte Buff‘s house: Area x 130 m2 1.3x102 m2 Wetzlar: Area km2 1.3x107 m2/2 Earth: -Area 1.3x108 km2 1.3x1014 m2 1:107 1:105 1:1012

12 Ereignisrate für SHE-Produktion
2·1012/s Projektile → 208Pb Target (0.5mg/cm2) 208g ≡ 6.02·1023 Atome 0.5mg ≡ 1.45·1018 Atome Luminosität: Np·Nt=2.9·1030[s-1cm-2] SHIP Transmission: ε=40% Wirkungsquerschnitt: σ =1[pb] =10-36[cm2] Ereignisrate: Np·Nt·ε·σ = 1·10-6[s-1] = 0.1[d-1] Np Np(x)

13 Selektion von Kernmassen

14 TransActinide Separator and Chemistry Apparatur
Neuer gasgefüllter Separator für SHE Aktiniden Targets (U, Pu, Am, …) Höchsten UNILAC Strahl Intensitäten Hohe Transmission ~60% Kleine Abbildung ~40% 5 cm x 12 cm 3 cm Der gasgefüllte Separator trennt die mit dem Beschleuniger erzeugten Atome sehr selektiv von anderen Reaktionsprodukten ab.

15 Physikalische Aspekte eines gas-gefüllten Separators
Vakuum Gas (He: 0.5 – 2 mbar) Fusionskerne verlassen das Target in verschiedenen Ladungszuständen. In einem gas-gefüllten Separator stellt sich schnell ein mittlerer Ladungszustand ein (B·ρ unabhängig von v), so dass die Transmission wesentlich verbessert wird. Bohr Geschwindigkeit v0=c/137

16 Vakuum oder gasgefüllter Separator
Schwerionen verlassen das Target mit Ladungsverteilung Vakuumsystem akzeptiert nur wenige Ladungszustände exzellente Auflösung Streuung der Ionen mit dem Gas (Geschwindigkeit der Ionen und Elektronen etwa gleich groß) magnetische Steifigkeit Bρ ist unabhängig von der Geschwindigkeit, da auch der mittlere Ladungszustand von der Geschwindigkeit abhängt große Akzeptanz ABER: geringe Auflösung, Untergrundsunterdrückung

17 TASISPEC – TASCA Small Image Spectrometer
DSSSD: 0.5mm, 32x32 strips 4 SSSD: 1.0mm, 4x32 strips Efficiency: ~80% (alpha) ~ keV energy threshold Ge-cube: 4 Clover, 1 Cluster: 23 Ge crystals Efficiency: ~40% at 250 keV Multi-coincidence options

18 The JUROGAM array + RITU + GREAT spectrometer

19

20 Rotationsspektren in 254No
Rotationsenergie: Gamma – Energie: J 3 S. Eeckhaudt et al., Eur. Phys. J. A 26, 227 (2005)

21 UNILAC Experimental Area

22 Nachweis von verschiedenen Kernen
Grundsätzliche Ausnutzung der unterschiedlichen Ablenkungen von verschieden schnellen/ schweren geladenen Atomen im e.m. Feld. Einfachste und älteste Methoden: Parabelmethode (E und B parallel) Wien-Filter (E und B senkrecht) Ablenkung nach „unten“: Ablenkung zur „Seite“ :

23 Separator for Heavy Ion Products (SHIP)
Reaktionsprodukte verlassen das Target langsamer E- und B-Feld stehen senkrecht electric deflectors: ±330 kV dipole magnets: 0.7 T max

24 SHIP - Geschwindigkeitsfilter
Wahl von E und B bestimmt die durchzulassende Geschwindigkeit Abgelenkter Strahl wird auf gekühlter Kupferplatte gestoppt

25 SHIP – Stop Detektor γ α (ΔE signal)
SHE wird in einem Pixel nachgewiesen ortsempfindlicher Silizium-Sperrschichtzähler bestimmt Ort und Energie von SHE und α, β, ... Fläche: 27*87mm2, Dicke: 0.3mm, 16 Streifen Energieauflösung ΔE=18-20 Eα> 6MeV (Kühlung 260K) Positionsauflösung Δx=0.3mm (FWHM) Warten auf Emission eines α-Teilchens (oder β-Teilchens) Korrelationsmethode: Implantation und Zerfallsereignis im selben Pixel

26 ER – α Correlation method - Example: 58Fe + 209Bi → 266Mt + 1n
CN Si (STOP) detector date: August 29th 1982 time: 16:10 h 2 (escape) 11.10 MeV 5 ms 266Mt 1 ER sf 1.14 MeV (escape) 22 ms 258Db 258Db 188 MeV 12.9 s 300 m

27 Revelation of escape α´s - „Backward Box“ Si detector array
Si (STOP) detector 2 (escape) 1 ER "backward box" for detecting escape 's  effiency increase: from ~50% to ›80-85% sf 300 m

28 Synthesis and identification of heavy elements with SHIP
8 cm 70Zn 277112 n 208Pb ER 277112 273110 269Hs 265Sg 261Rf 257No 11.45 MeV 280 s 11.08 MeV 110  s 9.23 MeV 19.7 s 4.60 MeV (escape) 7.4 s 8.52 MeV 4.7 s 253Fm 8.34 MeV 15.0 s Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h 277112 31 cm known kinematical separation (in flight) using electric deflectors and dipole magnets  velocity filter Identification by - correlations down to known isotopes

29 Periodic Table of the Elements
Cn ≡ Copernicium natural, stable natural, unstable artificial, unstable discovered at GSI, unstable not yet confirmed

30 Ekin(α) Wie groß ist die α-Energie für das System unter Berücksichtigung der Rückstoßenergie? Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/ Ekin(TK) BE(214Po) = MeV BE(210Pb) = MeV BE(4He) = MeV Qα = 7.83 MeV Impulssatz: Energiesatz: