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MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne 13.4.Einführung, Beschleuniger 20.4.Schwerionenreaktionen, Synthese.

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1 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 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 Tutorium Vibrator, Rotator, Symmetrien 29.6.Schalenstruktur fernab der Stabilität 6.7.Tutorium Klausur

2 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 The Chart of Nuclides - the Playground for Nuclear Physics Z = 100 island of stability ? chart of nuclides: -representation of isotopes in the Z-N plane -isotope: atom (nucleus) of an element with different number of neutrons black: stable isotope red: + -unstable isotope blue: - -unstable isotope yellow: -instable isotope green: spontaneous fission Pb (lead) and Bi (bismuth) U (uranium) and Th (thorium) stabilisation via shell effects

3 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 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 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Neutronenbestrahlung (~1940) Schwere Elemente werden mit Neutronen beschossen Strategie erfolgreich bis Element 100 (Fermium) Fermium besitzt kein Isotop mit β _ -Zerfall! kurze Lebensdauer aufgrund α-Zerfall und Spaltung 23 min d

5 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Heiße Fusion (~1952) Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen Strategie erfolgreich bis Element 106 (Seaborgium) "Heiße" Fusion X + Actinide E* CN 45MeV 4n-5n Kanal "n-reiche" Isotope Hot Fusion

6 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Heiße Fusion (~1952) Hot Fusion r Coulomb Barriere V C zwischen Projektil und Targetkern muß überwunden werden. = MeV ( 26 Mg Cm) Reaktion: a + A C * B + b Δm = m a + m A –m CN Δm = ( – ) * MeV/c 2 = MeV/c 2 Anregungsenergie des Compoundkerns E * = E kin + Δm·c 2 = 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 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Kalte Fusion (~1974) Ein schwerer und mittelschwerer Kern werden verschmolzen Einschussenergie: Kernen müssen gerade eben die Coulomb-Barriere überwinden "Kalte" Fusion X + Pb, Bi E* CN 10MeV 1n Kanal "n-arme" Isotope Soviel Energie wie nötig, aber so wenig Energie wie möglich.

8 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Kalte Fusion (~1974) r Coulomb Barriere V C zwischen Projektil und Targetkern muß überwunden werden. = MeV ( 58 Fe Pb) Reaktion: a + A C * B + b Δm = m a + m A –m CN Δm = ( – ) * MeV/c 2 = MeV/c 2 Anregungsenergie des Compoundkerns E * = E kin + Δm·c 2 = MeV – MeV = 18.2 MeV etwa 1-2 Neutronen werden abgedampft, um Spontanspaltung zu verhindern Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

9 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Der 2-Stufenprozess: Fusion - Abdampfung E lab [MeV] [mbarn] 50 Ti Pb 258 Rf* (HIVAP Rechnungen) Fusion Spaltung 3n 1n2n Verdampfungsrestkerne (VR) 5-7 Größenordnungen Beide Zerfallsprozesse sind durch die Niveaudichte bestimmt, entweder von der im Restkern oder am Sattelpunkt. Niveaudichte: even-even compound nucleus final nucleus plus neutron fission n

10 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Synthesis of Heavy Elements 70 Zn 208 Pb n Fusion _1_ 10 12

11 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 The production cross section: fusion cross section and survival probability Earth: -Area 1.3x10 8 km 2 1.3x10 14 m 2 Wetzlar: Area km 2 1.3x10 7 m 2 /2 Charlotte Buffs house: Area x 130 m 2 1.3x10 2 m 2 Nucleus: 1 barn = cm 2 = m 2 fusion cross section: < 1 barn Production cross section : 1 pbarn = barn 1: :10 7 1:10 5

12 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Ereignisrate für SHE-Produktion 2·10 12 /s Projektile 208 Pb Target (0.5mg/cm 2 ) 208g 6.02·10 23 Atome 0.5mg 1.45·10 18 Atome Luminosität: N p ·N t =2.9·10 30 [s -1 cm -2 ] SHIP Transmission: ε=40% Wirkungsquerschnitt: σ =1[pb] = [cm 2 ] Ereignisrate: N p ·N t ·ε·σ = 1·10 -6 [s -1 ] = 0.1[d -1 ] NpNp N p (x)

13 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Selektion von Kernmassen

14 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 TransActinide Separator and Chemistry Apparatur Neuer gasgefüllter Separator für SHE Aktiniden Targets (U, Pu, Am, …) Höchsten UNILAC Strahl Intensitäten Hohe Transmission ~60% 5 cm x 12 cm Kleine Abbildung ~40% 3 cm Der gasgefüllte Separator trennt die mit dem Beschleuniger erzeugten Atome sehr selektiv von anderen Reaktionsprodukten ab.

15 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Physikalische Aspekte eines gas-gefüllten Separators VakuumGas (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 v 0 =c/137

16 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 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 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 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 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 The JUROGAM array + RITU + GREAT spectrometer

19 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012

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

21 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 UNILAC Experimental Area

22 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 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 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 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 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 SHIP - Geschwindigkeitsfilter Wahl von E und B bestimmt die durchzulassende Geschwindigkeit Abgelenkter Strahl wird auf gekühlter Kupferplatte gestoppt

25 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 SHIP – Stop Detektor SHE wird in einem Pixel nachgewiesen Warten auf Emission eines α-Teilchens (oder β-Teilchens) Korrelationsmethode: Implantation und Zerfallsereignis im selben Pixel γ α (ΔE signal) ortsempfindlicher Silizium-Sperrschichtzähler bestimmt Ort und Energie von SHE und α, β,... Fläche: 27 * 87mm 2, Dicke: 0.3mm, 16 Streifen Energieauflösung ΔE=18-20 E α > 6MeV ( Kühlung 260K) Positionsauflösung Δx=0.3mm (FWHM)

26 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 ER – α Correlation method - Example: 58 Fe Bi 266 Mt + 1n 266 MtCN 266 Mt 258 Db MeV 5 ms 1.14 MeV (escape) 22 ms 188 MeV 12.9 s date:August 29 th 1982 time:16:10 h ER 1 2 (escape) sf Si (STOP) detector 300 m

27 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Revelation of escape α´s - Backward Box Si detector array ER 1 sf Si (STOP) detector 300 m 2 (escape) "backward box" for detecting escape 's effiency increase: from ~50% to 80-85%

28 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Synthesis and identification of heavy elements with SHIP known ER Hs 265 Sg 261 Rf 257 No MeV 280 s MeV 110 s 9.23 MeV 19.7 s 4.60 MeV (escape) 7.4 s 8.52 MeV 4.7 s 253 Fm 8.34 MeV 15.0 s Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h Zn 208 Pb n kinematical separation (in flight) using electric deflectors and dipole magnets velocity filter Identification by - correlations down to known isotopes 12 m 8 cm 31 cm

29 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Periodic Table of the Elements natural, stable artificial, unstable natural, unstable discovered at GSI, unstable not yet confirmed Cn Copernicium

30 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wie groß ist die α-Energie für das System unter Berücksichtigung der Rückstoßenergie? Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/ BE( 214 Po) = MeV BE( 210 Pb) = MeV BE( 4 He) = 28.3 MeV Q α = 7.83 MeV Impulssatz: Energiesatz: E kin (α) E kin (TK)


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