Universität zu Köln

Vogt, Andreas Günter Heinz (2017). Multinucleon-Transfer Reactions as a Gateway to Neutron-Rich Actinides and Nuclei near the N=82 and Z=50 Shell Closures. PhD thesis, Institut für Kernphysik, Universität zu Köln.

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Abstract

In the present work, reaction products in the 136Xe+238U multinucleon-transfer reaction at 1 GeV were investigated employing the high-resolution position-sensitive gamma-ray tracking array AGATA coupled to the large-solid-angle mass spectrometer PRISMA at the Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN, Italy). Beam-like reaction products were identified and selected by the PRISMA spectrometer. Recoils and fission fragments were tagged by DANTE micro-channel plate detectors installed within the scattering chamber. Fission and transfer events are discriminated by exploiting kinematic coincidences between the binary reaction products. Mass yields and relative cross-section distributions are extracted and compared with calculations based on the GRAZING model for multinucleon-transfer reactions. Furthermore, population yields for nuclei in the actinide region are obtained and compared to X-ray yields measured by AGATA. Perspectives and limitations for the production of the hard-to-reach neutron-rich isotopes are discussed. A Doppler correction for the target-like nuclei enables gamma-ray spectroscopy of the heavy reaction partner. Nuclear structure information of neutron-rich actinide nuclei are a benchmark for theoretical models providing predictions for the heaviest nuclei. An extension of the ground-state rotational band in 240U is achieved and evidence for an extended first negative-parity band in 240U is found. The results are compared to recent mean-field and density-functional theory calculations. Furthermore, multinucleon-transfer reactions are a gateway to nuclei in the vicinity of the Z=50 and N=82 shell closures. Nuclei in this region serve as a benchmark for nuclear shell-model calculations based on modern effective interactions, but are difficult to populate due to a lack of suitable beam-target combinations. Excited reaction products were measured after multinucleon transfer in 136Xe+238U at 1 GeV and 136Xe+208Pb at 930 MeV with the AGATA tracking array coupled to PRISMA at LNL (INFN, Italy) as well as in the 136Xe + 198Pt multinucleon-transfer reaction employing the high-efficiency gamma-ray spectrometer GAMMASPHERE in combination with the gas-detector array CHICO at LBNL. Moreover, Xe and Ba isotopes were populated in fusion-evaporation reactions using the HORUS gamma-ray array at the University of Cologne. The high-spin level schemes of 132Xe, 133Xe, 134Xe, 135Xe and 137Ba were considerably extended to higher energies. The 2058-keV state in 135Xe is identified as a 9.0(9)-ns isomer, closing a gap in the systematics along the N=81 isotones. Latest shell-model calculations reproduce the experimental findings. The experimentally-deduced reduced transition strengths of the isomer decays are compared to shell-model predictions. A detailed picture of the lower-mass N<82, Z>50 region of the Segrè chart is drawn. Another part of this thesis covers double-sided silicon strip detectors (DSSSD) which are employed for the detection of charged particles providing position and energy information. Intersecting areas of both p- and n-side strips form individual pixel segments resulting in a high detector granularity. However, due to limitations in fabrication and the response of the readout electronics, the performance of different channels may vary. Typically, charged particles do not illuminate homogeneously the detector surface during in-beam experiments. Consequently, radiation damages of the detector are distributed non-uniformly. Position-resolved charge-collection losses for front- and back-side segments were investigated for an in-beam experiment and by performing radioactive source measurements. A novel position-resolved calibration method for radiation-damaged DSSSDs, based on mutual consistency of p-side and n-side charges, was developed. It yields a significant enhancement of the energy resolution and the performance of radiation-damaged parts of the detector.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Multinukleontransferreaktionen sind ein vielversprechender Zugang zur Produktion schwer zugänglicher und exotischer Atomkerne. Der erste Teil der Arbeit umfasst eine Reaktionsstudie zur Schwerionenkollision zwischen 136Xe und 238U bei einer Strahlenergie von 1 GeV, durchgeführt mit dem hochauflösenden und positionssensitiven Gamma-Tracking-Array AGATA am Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN, Italien). Strahlähnliche Reaktionsprodukte wurden mit dem Massenspektrometer PRISMA identifiziert und selektiert. Targetähnliche Teilchen und Spaltfragmente wurden mittels DANTE-Mikrokanalplattendetektoren innerhalb der Strahlkammer detektiert. Kinematische Koinzidenzen zwischen den verschiedenen Reaktionsprodukten erlauben eine Diskriminierung zwischen Spaltung und erwünschtem Multinukleontransfer. Massenspektren und relative Wirkungsquerschnitte wurden aus den Daten extrahiert und mit Modellrechnungen des GRAZING-Codes verglichen. Die Ausbeute an überlebenden Aktinidenkernen wurde mit der von AGATA gemessenen Röntgenstrahlung, einem charakteristischen Fingerabdruck des jeweiligen Elements, verglichen. Die Diskussion der Ergebnisse zeigt Perspektiven und Limitierungen für die Produktion von schwer zugänglichen neutronenreichen Isotopen in der Aktinidenregion auf. Die Kernstruktur neutronenreicher Aktinide ist eine wichtige Richtgröße zur Bewertung theoretischer Modelle zur Beschreibung schwerster Transaktinide. Die Grundzustandsbande von 240U konnte zu höheren Energien erweitert werden. Weiterhin gelang der Nachweis einer negativen Paritätsbande. Die Ergebnisse werden mit jüngst publizierten Mean-Field- und Funktionaldichtetheorie-Rechnungen verglichen. Multinukleontransferrreaktionen eignen sich ebenfalls als Zugang zu Kernen in der Region der magischen Schalenabschlüsse bei Z=50 und N=82. Kerne nordwestlich von 132Sn sind wichtige Prüfmarken für moderne effektive Schalenmodellinteraktionen. Bedingt durch das Fehlen geeigneter Strahl-Target-Kombinationen ist die Produktion dieser Kerne jedoch oftmals sehr anspruchsvoll. Multinukleontransfer-Experimente an AGATA+PRISMA (136Xe+238U sowie 136Xe+208Pb), und an GAMMASPHERE+CHICO am LBNL (136Xe+198Pt) erlauben eine detaillierte Spektroskopie von diversen schwer zugänglichen Isotopen in dieser Region der Nuklidkarte. Ferner wurden Xenon- und Bariumisotope mittels Fusionsverdampfungsreaktionen am HORUS-Aufbau an der Universität zu Köln spektroskopiert. Die Hochspin-Termschemata von 132Xe, 133Xe, 134Xe, 135Xe und 137Ba wurden signifikant zu höheren Energien erweitert. Im Kern 135Xe wurde der Zustand bei 2058 keV als Isomer mit einer Halbwertszeit von 9.0(9) ns identifiziert. Dieses Ergebnis schließt eine letzte verbliebene Lücke in der Systematik der Isotonenkette mit Neutronenzahl N=81 und ergibt ein detaillierteres Bild der Isotopenregion. Die experimentell bestimmten reduzierten Übergangswahrscheinlichkeiten der isomeren Zustände werden mit Vorhersagen von Schalenmodellrechnungen konfrontiert. Ein weiterer Teil der Arbeit behandelt doppelseitig segmentierte Siliziumstreifen-Detektoren, welche in der Niederenergie-Kernphysik häufig zur Detektion geladener Teilchen eingesetzt werden. Diese Detektoren stellen nicht nur eine Energie-, sondern auch eine Ortsinformation mit hoher Detektorgranularität zur Verfügung. Überkreuzende Flächen von p- und n-dotierten Streifen formen hierbei einzelne Pixel. Bedingt durch Fabrikationsbeschränkungen und Limitierungen der Ausleseelektronik kann die Leistungsfähigkeit einzelner Kanäle drastisch variieren. Weiterhin illuminieren geladene Teilchen die Detektoroberfläche nicht gleichmäßig. Dies kann zu inhomogenen Strahlenschäden führen. Positionsabhängige Verluste bei der Ladungssammlung werden in einem In-Beam-Experiment sowie in einem dedizierten Testexperiment durch Bestrahlung mit einem radioaktiven Präparat untersucht. In diesem Zusammenhang wurde eine neuartige positionsabhängige Kalibrierungsmethode entwickelt, die auf der wechselseitigen Abhängigkeit der Ladungssammlung in der jeweils p- und n-dotierten Detektorseite beruht. Diese Kalibriermethode erzielt eine signifikante Verbesserung der Energieauflösung und Messbefähigung von strahlengeschädigten Teilen des Detektorsystems. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Vogt, Andreas Günter Heinz andreas.vogt@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-77956
Date:	3 May 2017
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 Nuclear physics, gamma-ray spectroscopy, AGATA, Advanced Gamma-ray Tracking Array, magnetic spectrometer, PRISMA, HORUS array, multinucleon transfer, cross sections, MNT, neutron-rich actinides, 240U, shell model, isomers, high-spin structure, 132Xe, 133Xe, 134Xe, 135Xe, 137Ba, DSSSD, DSSD, double-sided silicon strip detector, radiation damage, calibration, AFM English
Date of oral exam:	10 July 2017
Referee:	Name Academic Title Reiter, Peter Prof. Dr. Zilges, Andreas Prof. Dr. Herzberg, Rolf-Dietmar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7795