Universität zu Köln

Braunroth, Thomas Christian (2017). Lifetime Measurements in Neutron-rich Isotopes close to N=40 and Development of a Simulation Tool for RDDS Spectra. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The main topic of the present work is the experimental determination of level lifetimes in 58,60,62Cr by means of the recoil distance Doppler-shift technique. The corresponding experiment was performed at the National Superconducting Cyclotron Laboratory at Michigan State University (USA). Excited states in 58,60,62Cr were populated by one-proton knockout reactions from fast radioactive 59,61,63Mn beams. Level lifetimes were determined for the 2+ and 4+ states as well as - in case of 58,60Cr - for the 6+ states. The determined B(E2; 2+ -> 0+) values in 58,60,62Cr are in reasonable agreement with previous results from intermediate Coulomb-excitation experiments, although the present data suggests slightly enhanced collectivity. In 58Cr, the B(E2) values of the 4+ -> 2+ and 6+ -> 4+ transitions are comparable to the B(E2; 2+ -> 0+) value. From 58Cr to 60,62Cr, the B(E2; 4+ -> 2+) values evolve more rapidly compared to the B(E2; 2+ -> 0+) values which suggests rotor-like behaviour with pronounced quadrupole deformations ~0.3. Compared to the neighbouring iron isotones, the evolution of B(E2) values along the chromium isotopes toward N=40 indicates a comparable trend, although the collectivity in chromium appears to be mildly enhanced. The experimental results are discussed in the shell-model framework using the effective interaction LNPS. The comparison shows a pleasant agreement, although the experimental data suggests a slightly stronger enhancement of collectivity toward N=40. Calculations with the interacting boson model were performed for 56,58,60,62Cr. They are able to reproduce the experimental excitation energies and transition strengths with reasonable accuracy but do not indicate a significant degree of quadrupole deformation. Other isotopes that were produced in the experiment were investigated with respect to the identification of g-ray transitions and level lifetimes. Of particular interest are the neutron-rich 59,61Mn isotopes (Z=25), for which level lifetimes of the 7/2-, 9/2- and 11/2- states were determined (in 61Mn the assignment is only tentative). In addition, level lifetimes in 63Mn of the tentatively assigned (7/2-) and (9/2-) states were evaluated. The results are compared to shell-model calculations using the fp interaction KB3G as well as the state-of-the-art interaction LNPS-m. The present data indicates a structural change close to N=36. The experimental data for 61Mn suggests that the B(M1) value for the 7/2^- -> 5/2- is underestimated by the LNPS-m interaction when free g factors are used. In the second part of this thesis, a tool is presented which allows to generate g-ray spectra of lifetime studies based on the electromagnetic Doppler-shift using empirical parameters. The tool is highly flexible which enables the incorporation of various experimental bounding conditions. It is applied to investigate the influence of velocity distributions on the lifetime analysis and results indicate that systematic deviations are minimized if distance-dependent mean recoil velocities are taken into account.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Lebensdauermessungen an neutronreichen Isotopen nahe N=40 und Entwicklung einer Simulationsanwednung zur Generierung von RDDS Spektren German
Translated abstract:	Abstract Language Kernziel dieser Arbeit ist die experimentelle Bestimmung der Lebensdauer angeregter Kernzustände in 58,60,62Cr unter Verwendung der etablierten Recoil Distance Doppler-shift Methode, aus denen modellunabhängige Übergangswahrscheinlichkeiten gewonnen werden können. Das dazugehörige Experiment wurde am National Superconducting Cyclotron Laboratory an der Michigan State University (USA) durchgeführt. Hierbei wurde eine Mischung von radioaktiven Strahlen mit relativistischer Energien durch Fragmentation erzeugt. Diese Mischung wurde im Folgenden durch die Separationsmethode im Flug gefiltert, um den Anteil gewünschter neutronenreicher Mangan-Fragmente unter Berücksichtigung absoluter sowie relativer Häufigkeit zu maximieren. Hierbei wurden angeregte Kernzustände in 58,60,62Cr durch Protonen-Knockout an schnellen 59,61,63Mn-Isotopen bevölkert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Lebensdauern der Zustände 2+, 4+ sowie - im Falle von 58,60Cr - der 6+ Zustände bestimmt werden. In 58,60,62Cr sind die experimentellen reduzierten Übergangswahrscheinlichkeiten des 2+ -> 0+ Übergangs in Einklang mit bereits bekannten Übergangsstärken, die aus Experimenten unter Verwendung der Coulomb-Anregung gewonnen wurden, obschon die vorliegenden Were ein höheres Maß an Kollektivität vermuten lassen. Die 4+ und 6+ Zustände in 58Cr zeigen ein dem 2+ Zustand ähnliches kollektives Verhalten, während aus den Übergangsstärken bestimmte Verhältnisse in 60,62Cr eher auf Rotor-artiges Verhalten mit ausgeprägten Quadrupoldeformationen ß~0.3 hinweisen. Verglichen mit den benachbarten Eisen-Isotonen zeigen die Chrom-Isotope eine ähnliche kollektive Entwicklung hin zu N=40, obschon diese in Chrom leicht erhöht erscheint. Die Ergebnisse werden im Rahmen des Schalenmodells unter Verwendung der modernen Wechselwirkung LNPS in einem erweiterten Modellraum diskutiert. Dabei wird eine gute Übereinstimmung beobachtet, wobei die LNPS-Rechnungen den experimentell beobachteten Anstieg der Kollektivität hin zu N=40 tendenziell unterschätzen.Für neutronenreiche Chrom-Isotope wurden Rechnungen im IBM durchgeführt. Diese reproduzieren die experimentellen Daten mit zufriedenstellender Genauigkeit, bedingen allerdings kein hohes Maß an Quadrupoldeformation. Weitere im Rahmen dieses Experiments bevölkerte Isotope wurden untersucht. Hervorzuheben sind hierbei die neutronenreichen 59,61Mn Isotope, für die Lebensdauerinformationen der angeregten 7/2-, 9/2- und 11/2- Zustände (die Zuordnung in 61Mn ist bis dato nur vorläufig) extrahiert werden konnten. Ferner konnten in 63Mn die Lebensdauer zweier angeregter Zustände bestimmt werden, deren Zordnung zu 7/2- und 9/2- noch bestätigt werden muss. Die Diskussion dieser Ergebnisse im Rahmen des Schalenmodells geschieht durch Vergleich mit der KB3G Wechselwirkung sowie der weiterentwickelten LNPS-m Wechselwirkung. Dabei wird eine strukturelle Veränderung in unmittelbarere Nähe zu N=36 beobachtet. Dies ähnelt dem Verhalten der benachbarten Eisen-Isotope. Zum Abschluss wird eine Simulation vorgestellt, mit der - unter Berücksichtigung rein empirischer Parameter - Simulationen von Lebensdauermessungen im Pikosekunden-Bereich durchgeführt werden können. Das Programm zeichnet sich durch ein hohes Maß an Flexibilität aus, sodass unterschiedliche experimentelle Randbedingungen berücksichtigt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendung dieses Programms auf die Untersuchung von Geschwindigkeitsverteilungen mit relativen Breiten bis zu ~30% diskutiert. Die Ergebnisse erlauben den Rückschluss, dass die Annahme von abstandsabhängigen mittleren Rückstoßgeschwindigkeiten in der Lebensdaueranalyse systematische Abweichungen minimieren. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Braunroth, Thomas Christian thomas.braunroth@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-79561
Date:	15 December 2017
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 RDDS, Lebensdauermessung, exotische Kerne, Kernstruktur, Gammaspektroskopie German RDDS, lifetime measurement, exotic nuclei, nuclear structure, gamma-ray spectroscopy English
Date of oral exam:	10 October 2017
Referee:	Name Academic Title Dewald, Alfred Prof. Dr Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7956