Universität zu Köln

Birkenbach, Benedikt (2014). Gamma ray tracking with the AGATA demonstrator - A novel approach for in-beam spectroscopy. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Advanced GAmma Tracking Array (AGATA) employs the novel method of gamma-ray tracking (GRT), where all locations of energy depositions within the Ge crystal detector volume are used by computer algorithms to reconstruct the various simultaneous interactions of the measured radiation. The interaction positions are determined by Pulse Shape Analysis (PSA) algorithms that compare the measured and digitized signals with the information of a signal database comprising position dependent calculated sets of detector signals. The result of a detailed comparison between measured and calculated signals yields the position of each interaction point. The GRT algorithms rely on this precise position of the deposited energy as an input to reconstruct the initial gamma-rays from the full sequence of the different interactions in the detector. Within this thesis a computer program library was developed, providing software routines to calculate the position dependent detector signals of the highly segmented HPGe detectors. The currently used signal databases of all AGATA detectors were generated by this software package and computer library. Part of the computing is based on individual detector properties which were deduced from detailed characterisation measurements. Details of the library, the used routines and the needed characteristics of the detector system are described, this includes a precise measurement of the crystal axis orientation of the AGATA HPGe crystals. The second part of this thesis is dealing with the analysis of one of the first in-beam experiments performed with the AGATA demonstrator setup at the LNL in Italy. The experiment aimed for a spectroscopic investigation of neutron rich actinides from Thorium to Plutonium produced after multi-nucleon transfer reactions. For this purpose a 136Xe beam with an energy of 1GeV bombarded onto a 238U target. The fast beam like particles after the transfer reactions were identified by the magnetic spectrometer PRISMA. The gamma-rays were detected with the AGATA demonstrator consisting of five AGATA triple cluster detectors. An additional micro channel plate detector for particle detection was mounted inside the scattering chamber in order to request kinematic coincidences. The analysis procedures for the two complex sub-detectors AGATA and PRISMA were extended and adapted to the specific requirements of this new approach for actinide spectroscopy. First the complex analysis of the magnetic spectrometer PRISMA and solutions for unexpected detector behaviour like time drifts and aberration corrections are described. As a result the individual isotopes of elements from Barium to Tellurium were identified confirming the very high quality of the PRISMA spectrometer and its design parameters. The analysis of the gamma-ray spectra comprised a detailed PSA and GRT analysis of the AGATA demonstrator. This analysis included also data analysis developments for the AGATA collaboration. The data of the AGATA demonstrator, the PRISMA spectrometer and the ancillary detectors were merged to obtain background free Doppler corrected spectra for the beam- and target-like reaction products. The simultaneous Doppler correction for beam and target-like ions included an elaborate optimization procedure for unobservable experimental parameters. The gamma-ray spectra for the individual isotopes is consistent with the isotope identification of the PRISMA analysis. For the beam like particles gamma-ray spectra of the isotopes 128-139Xe are presented and discussed. For the target like nuclei gamma-ray spectra of the isotopes 236-240U are deduced. By gating on the remaining excitation energy after the multi-nucleon transfer reaction the neutron evaporation and fission of the excited actinide nuclei were suppressed. Coincidences between AGATA and PRISMA were exploited for the first time together with the particle coincidence between beam- and target-like nuclei. These triple coincidences allowed further background reduction. The results for the individual Xenon and Uranium isotopes demonstrate the successful operation of the AGATA demonstrator coupled to the PRSIMA spectrometer. The quality of the gamma-ray spectra show clearly that the novel pulse shape analysis and gamma-ray tracking methods fulfil expectations also for demanding in-beam gamma-ray spectroscopy experiments.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Das Advanced GAmma Tracking Array (AGATA) Spektrometer verwendet die neue Gamma-Ray Tracking (GRT) Methode. Diese rekonstruiert mithilfe von Computeralgorithmen und den Orten der Energiedepositionen die verschiedenen simultanen Interaktionen der gemessenen Gamma-Strahlung innerhalb der Germanium-Detektorkristalle. Die Interaktionsorte werden durch Impulsformanalyse-Algorithmen (PSA) bestimmt, welche die gemessenen und digitalisierten Signale mit den Informationen einer Signaldatenbank vergleichen. Diese Signaldatenbank besteht aus Sätzen von berechneten ortsabhängigen Detektorsignalen. Das Resultat eines detaillierten Vergleichs zwischen gemessenen und berechneten Signalen sind die Orte der jeweiligen Interaktionen. Die GRT-Algorithmen benötigen die präzisen Orte der Energiedepositionen um die ursprünglichen Gamma-Strahlen aus der vollen Sequenz unterschiedlicher Interaktionen im Detektor zu rekonstruieren. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurde eine Programmbibliothek entwickelt, welche Softwareroutinen zur Berechnung der ortsabhängigen Signale von hochsegmentierten HPGe-Detektoren bereitstellt. Die aktuell genutzten Signaldatenbanken aller AGATA-Detektoren wurden durch Programme unter Verwendung dieses Softwarepaketes generiert. Teile der Berechnung basieren auf den individuellen Eigenschaften der Detektoren, welche durch detaillierte Messungen bestimmt wurden. Details der Programmbibliothek, die verwendeten Routinen und die benötigten Eigenschaften des Detektorsystems werden beschrieben und beinhalten eine präzise Messung der Orientierung der Kristallachsen der AGATA HPGe-Kristalle. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Analyse eines der ersten In-Beam Experimente mit dem AGATA-Demonstrator am LNL in Italien. Das Ziel des Experimentes war die spektroskopische Untersuchung der neutronenreichen Actinoide von Thorium bis Plutonium nach Multi-Nucleon-Transfer-Reaktionen. Aus diesem Grund wurde ein 136Xe-Strahl mit einer Energie von 1GeV auf ein 238U-Target geschossen. Die schnellen strahlähnlichen Teilchen wurden nach der Transfer-Reaktion mit Hilfe des magnetischen Spektrometers PRISMA identifiziert. Die Gamma-Strahlen wurden von dem AGATA-Demonstrator bestehend aus 5 AGATA-Tripel-Cluster-Detektoren detektiert. Der innerhalb der Streukammer installierte zusätzlicher Micro-Channel-Plate-Detektor zur Teilchenmessung ermöglichte eine kinematische Koinzidenzmessung. Die Analyseprozeduren der beiden komplizierten Unterdetektoren AGATA und PRISMA wurden erweitert und an die spezifischen Anforderungen des neuen Ansatzes zur Spektroskopie der Actinoiden angepasst. Als Erstes wird die komplizierte Analyse des magnetischen Spektrometers PRISMA sowie Lösungen für unerwartetes Verhalten des Detektors, wie zeitabhängige Verschiebungen und Aberrationskorrekturen, beschrieben. Das Resultat ist die Identifikation verschiedener Isotope der Elemente Barium bis Tellur, welche die hohe Qualität des PRISMA-Spektrometers und seiner Designparameter verifiziert. Die Analyse der Gamma-Spektren setzt eine detaillierte PSA und GRT-Analyse des AGATA-Demonstrators voraus. Die Entwicklungen zur Datenanalyse wurden in die AGATA-Gemeinschaft eingebracht. Die Daten des AGATA-Demonstrators, des PRISMA-Spektrometers und der Zusatzdetektoren wurden kombiniert um untergrund-freie, Doppler-korrigierte Spektren für strahl- und targetähnliche Reaktionsprodukte zu erhalten. Die simultane Doppler-Korrektur für strahl- und targetähnliche Ionen beinhaltet eine aufwändige Optimierungsprozedur für nicht beobachtbare experimentelle Parameter. Die Gamma-Spektren der einzelnen Isotope und die Identifikation der Isotope der PRISMA-Analyse sind konsistent. Für die strahlähnlichen Teilchen werden Gamma-Spektren der Isotope 128-139Xe vorgestellt und diskutiert. Für die targetähnlichen Atomkerne wurden Gamma-Spektren der Isotope 236-240U ermittelt. Mit einer Bedingung für die verbleibende Anregungsenergie nach der Multi-Nucleon-Transfer-Reaktion wurde die Abdampfung von Neutronen oder die Spaltung der angeregten Actinoidenkerne unterdrückt. Die Koinzidenz zwischen AGATA und PRISMA wurde erstmals um eine Teilchenkoinzidenz der strahl- und targetähnlichen Kerne erweitert. Diese dreifache Koinzidenz erlaubt weitere Untergrund-Reduktion. Die Resultate der einzelnen Xenon und Uranisotope demonstrieren den erfolgreichen Betrieb des AGATA-Demonstrators im Verbund mit dem PRISMA-Spektrometer. Die Qualität der Gamma-Spektren zeigt deutlich, dass die neuen Methoden der PSA und des GRT die Erwartungen auch in anspruchsvollen In-Beam Spektroskopie-Experimenten erfüllen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Birkenbach, Benedikt bene@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-56487
Date:	2 July 2014
Language:	English
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 HPGe detectors, spectroscopy, Actinides, Gamma-ray tracking, pulse shape analysis, English
Date of oral exam:	11 April 2014
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr. Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5648