Universität zu Köln

Imig, Astrid (2005). Polarisationstransfer in der D(d_(pol),p_(pol))3H-Reaktion - Implikationen für Astrophysik und Reaktionsmechanismus. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Polarisationstransferkoeffizient K_y^(y') der Fusionsreaktion D(d_(pol),p_(pol))3H bei einer mittleren Reaktionsenergie von E_d=58 keV bestimmt. Experimentell bestimmte Zwei-Spin-Observable ermöglichen eine Verbesserung der Reaktionsmatrixanalyse und Fortschritte im Verständnis des Reaktionsmechanismus. Die D+D-Reaktionen sind Schlüsselreaktionen in der Big Bang-Nukleosynthese, der Entstehung der leichten Elemente im frühen Universum. Aufgrund der Abhängigkeit der Fusionsreaktionen vom Kernspin kann die Spinpolarisation der fusionierenden Kerne in geplanten Fusionsreaktoren von großem Vorteil sein, um z.B. die Reaktionsraten zu erhöhen. Für die Messung des Vektor-Vektor-Transferkoeffizienten wurden zwei hocheffiziente Polarimeter entwickelt. Die Effizienz konnte im Vergleich zu den zuvor verwendeten um eine Größenordnung verbessert werden. Kompakt konzipiert erlauben die neuen Polarimeter einen Einsatz auch in räumlich sehr begrenzten Aufbauten. Zusätzlich besteht für die Winkeleinstellungen der Targets und Detektoren eine große Flexibilität. Um die Polarisation der gestreuten Protonen im Doppelstreu-Experiment zu messen, war eine Kalibration der beiden Polarimeter erforderlich. Als Analysatorreaktion wurde für den Energiebereich zwischen E_p=3.20 MeV und E_p=3.31 MeV die elastische Streuung 28Si(p_(pol),p)28Si verwendet. Die effektiven Analysierstärken wurden mit einem polarisierten Protonenstrahl bestimmt, der jeweils direkt in das Polarimeter eingeschossen wurde. Auswirkungen der Kristallstrukturen machten sich unter Strahlbeschuß durch Channeling-Effekte bemerkbar, die Modifikationen erforderten. Für das Niederenergie-Experiment wurde zwischen der Quelle polarisierter Ionen LASCO und dem Kölner Tandem-Van de Graaff-Beschleuniger ein neuer Meßplatz installiert. Die Bestimmung der Deuteronenpolarisation konnte wegen des Vorteils der auch bei niedrigen Energien nicht verschwindenden Analysierstärke in den D+D-Reaktionen direkt in der Streukammer durchgeführt werden. Bedingt durch den zu niedrigen Energien hin stark abfallenden Wirkungsquerschnitt sowie den in der Natur von Doppelstreuungen begründeten niedrigen Zählraten liefen in die unter einem Streuwinkel 45 Grad aufgestellten Polarimeter nur wenige Protonen ein. Durch ein separates Analysator-System ist es in Köln erstmals gelungen, ein Experiment parallel zu denen anderer Gruppen, die eine der beiden weiteren Ionenquellen (Sputterquelle oder Duoplasmatron) mit dem Tandembeschleuniger nutzten, durchzuführen. Eine kontinuierliche Datenaufnahme über ein Jahr konnte so den Nachteil von niedrigen Zählraten ausgleichen. Der Vergleich des ermittelten Polarisationstransferkoeffizienten mit Faddeev-Yakubovsky-Rechnungen und einer Winkelverteilung, die auf einem Reaktionsmatrix-Fit an experimentelle Daten beruht, ist unbefriedigend. Es gibt eine deutliche Abweichung zum neu gemessenen Wert. In den alten Fit gingen jedoch bisher keine Zwei-Spin-Observablen ein, so daß in den Matrixelement-Kombinationen keine Imaginärteile berücksichtigt wurden. Neue Daten erlauben Aussagen darüber, wie zuverlässig die erhaltenen Matrixelemente bestimmt wurden. Durch das Einbeziehen des hier ermittelten Polarisationstransferkoeffizienten K_y^(y') wird so eine Verbesserung des Reaktionsmatrix-Fits erwartet.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language polarization transfer in the reaction D(d_(pol),p_(pol))3H - implications for astrophysics and reaction mechanism English
Translated abstract:	Abstract Language The main intention of this work was the investigation of the fusion reaction D(d_(pol),p_(pol))3H at a mean reaction energy of E_d=58 keV, measuring the polarization-transfer coefficient K_y^(y'). By means of experimental results of two-spin observables an improvement of a reaction-matrix analysis and a progress in the understanding of the reaction mechanism can be achieved. Fusion reactions involving two deuterons are key reactions in the big bang nucleosynthesis, the production of the light elements in the early universe. The dependence of nuclear fusion reactions on nuclear spin suggests that polarization of the reacting particles may be advantageous for planned fusion reactors in providing control of the reaction rates. For the measurement of the vector-vector-transfer coefficient, two new high-efficiency polarimeters were developed. The efficiency was improved by one order of magnitude in comparison to those used before. With a very compact design both can be mounted in a usual charged-particle scattering chamber for calibration and production runs. In addition, the angle settings of the analyzer target and the positions of the detectors show a high flexibility. To measure the polarization of the scattered protons in the double-scattering experiment, a calibration of the polarimeters was necessary. The elastic scattering reaction 28Si(p_(pol),p)28Si was used as analyzer reaction in an energy range between E_p=3.20 MeV and E_p=3.31 MeV. The effective analyzing powers of the polarimeters were determined, using a scattering chamber behind the tandem accelerator, necessary for providing protons in the energy range of the D(d_(pol),p_(pol))3H reaction protons in the second, the analyzing reaction. The polarized proton beam was injected directly into the polarimeters. Channeling effects caused by the silicon crystal orientation had to be taken into account. A new setup for a double-scattering experiment just behind the polarized-ion source at the Cologne FN tandem accelerator was installed. In contrast to other reactions, in the D+D-reactions the analyzing power A_y does not vanish at low energies. Thus, it is possible to determine the polarization of the incoming deuterons by means of the proton asymmetry of the first reaction, simultaneously to the polarization measurement of the outgoing protons using the new polarimeters. Because of the rapidly decreasing cross section with decreasing energy and low count rates due to the nature of every double-scattering experiment, a small number of protons were scattered into the polarimeters, placed at a scattering angle of 45 degrees. With a new analyzing system it was possible for the first time in Cologne to run the experiment using the polarized ion source in parallel to other measurements at the tandem accelerator. The continuous data acquisition over one year compensated the disadvantage of low count rates. The comparison of the experimental result to Faddeev-Yakubovsky calculations and an angular distribution, which is based on a reaction-matrix analysis of the world data base on D+D-reactions, is unsatisfactory. However, there are no two-spin observables included. This means, that there were no imaginary parts taken into account in the combinations of matrix elements. From new data one may judge if the matrix elements were determined reliably. By means of inclusion of the new measured polarization-transfer coefficient K_y^(y') an improvement of the reaction-matrix analysis is expected. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Imig, Astrid imig@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15615
Date:	2005
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Deuterium , Fusionsreaktion , Vier-Nukleonen-System , Doppelstreuung , Zwei-Spin-Observable German deuterium , fusion reaction , four-nucleon system , double scattering , two-spin observable English
Date of oral exam:	13 July 2005
Referee:	Name Academic Title Paetz gen. Schieck, Hans Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1561