Universität zu Köln

Rudigier, Matthias (2014). Nuclear structure studies of odd-odd and odd-A nuclei in the shape transition region around N = 60. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Lifetimes of nuclear excited states are a very important observable in nuclear physics. They deliver information on the structure of excited states, and, in combination with branching ratios and multipole mixing ratios, are necessary to deduce transition matrix elements. These are directly linked to the wave functions of the system and their prediction poses an important test for nuclear structure models. Isomers are a special kind of excited state. Their unusually long lifetime is an embodiment of their unique structure. A study of isomers and their decay often yields a better understanding of evolution of the microscopic structure within a mass region. The measurement of lifetimes in exotic nuclei poses a great experimental challenge. This challenge is met by the recent developments in application of inverse Coulomb excitation and Plunger measurements with radioactive ion beams. Another method which is applicable for the measurement of lifetimes down to 5 ps is the delayed coincidence method with very fast LaBr3(Ce) detectors. This technique was successfully applied in combination with a fission fragment separator for the first time in this work to measure lifetimes in very neutron-rich nuclei. Experiments on neutron-rich nuclei with neutron number N = 59 and N = 60, performed within the scope of this thesis, are discussed and the results are presented. A new microsecond isomer with a 76.5 keV E1 decay transition was unambiguously assigned to the N = 60 nucleus 97Rb. Data on a new decay branch of the K=9/2+[404] deformed isomer in 97Sr are presented. Lifetime measurements of rotational states in 99Y and states with previously unknown structure in 100Nb were performed successfully. Lifetime measurements in the beta background reproduced literature values. These experiments, employing the delayed coincidence technique, convincingly demonstrate the feasibility of precision gamma gamma fast timing measurements of excited states in exotic nuclei, which involve low peak-to-background ratio and an extended beam spot. The data of a large isomer spectroscopy campaign at Lohengrin at the Institute Laue-Langevin, Grenoble, are presented. These measurements yielded more precise microsecond isomer lifetimes in light fission fragments. Furthermore, it was possible to deduce isomer population ratios for many of the observed isomers. These results are important data for comparison with model predictions of mean spin population after fission, and essential information for understanding the very complex fission process. Finally, the experimental results are discussed and compared to nuclear model calculations. For 97Rb a spin assignment of (1/2, 3/2, 5/2)- can be made for the state with the 76.5 keV transition. Comparison to calculations, made by Simpson and Daugas, shows hints at a possible oblate character of the low-lying isomeric state. The new decay branch in 97Sr allows a spin assignment of 5/2+ to the state at 522 keV. Calculations within the IBFM indicate a simple one-quasi-particle structure of this state. The lifetime measurements in 99Y give further evidence for the regular rotational structure of the ground-state band in this nucleus. A calculation applying the quasi particle rotor model, assuming axially symmetric deformation, yields good agreement for the ground-state band. The lifetime measurements in the decay cascade of the microsecond isomer in 100Nb clearly indicate non-collective nature of these excitations.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Lebensdauer angeregter Kernzustände ist eine wichtige Observable in der Kernstrukturphysik. Sie liefert Informationen über die zugrundeliegende Struktur der angeregten Zustände und ist in Kombination mit Zerfallsverzweigungsverhältnissen und Multipolmischungsverhältnissen eine notwendige Information, um Übergangsmatrixelemente zu bestimmen. Letztere erlauben Rückschlüsse auf die Wellenfunktionen des Sytems und ihre Vorhersage ist ein essentieller Test für Kernstrukturmodelle. Isomere Zustände zeichnen sich durch eine außergewöhnlich lange Lebensdauer aus, die eine Folge ihrer Kernstruktur ist. Die Untersuchung von Isomeren und ihrem Zerfall liefert einen wichtigen Beitrag zu einem tieferen Verständnis der mikroskopischen Strukturen innerhalb einer Massenregion. Die Messung von Lebensdauern in exotischen Kernen stellt eine große experimentelle Herausforderung dar. Dieser wird durch aktuelle Entwicklungen in der Anwendung von inverser Coulomb-Anregung und Plunger-Messungen mit radioaktiven Strahlen begegnet. Eine weitere Methode, anwendbar für Lebensdauern bis hinab zu 5 ps, ist die Verzögerte Koinzidenz-Methode mit sehr schnellen LaBr3(Ce)-Detektoren. Diese Technik wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal angewendet um Lebensdauern in sehr neutronenreichen Kernen zu bestimmen. Die durchgeführten Experimente an neutronenreichen Kernen mit Neutronenanzahl N=60 und deren Ergebnisse werden diskutiert. Ein neues Mikrosekundenisomer mit einem 76.5 keV E1-Zerfall wurde eindeutig dem N=60-Kern 97Rb zugeordnet. Ein neuer Zerfallszweig des deformierten K=9/2+ [404] Isomers in 97Sr wird vorgestellt. Lebensdauermessungen von Rotationszuständen in 99Y und von Zuständen mit bislang ungewisser Struktur in 100Nb wurden erfolgreich durchgeführt. Lebensdauermessungen im Beta-Untergrund bestätigen frühere gemessene Werte. Diese Experimente unter Anwendung der Verzögerten Koinzidenz-Methode demonstrieren überzeugend die Machbarkeit von Präzisions-Gamma-Gamma-Fast-Timing-Messungen von angeregten Zuständen in exotischen Kernen, die ein niedriges Signal-zu-Untergrund-Verhältnis und einen ausgedehnten Strahlfleck mit sich bringen. Messergebnisse einer umfassenden Isomer-Spektroskopie-Kampagne am Lohengrin-Massenseparator am Institut Laue-Langevin, Grenoble, werden vorgestellt. Diese Messungen lieferten präzisere Lebensdauern von Mikrosekundenisomeren in leichten Spaltungsfragmenten. Des Weiteren war es möglich, Isomerbevölkerungsverhältnisse für viele der beobachteten Isomere zu bestimmen. Diese Ergebnisse sind wertvolle Vergleichsdaten für Modellvorhersagen und essentielle Informationen für das Verständnis des komplexen Spaltungsprozesses. Abschließend werden die experimentellen Ergebnisse diskutiert und mit Vorhersagen aus Kernmodellrechnungen verglichen. Dem neu entdeckten Zustand mit dem 76.5 keV Zerfall in 97Rb konnte ein Spin von (1/2,3/2,5/2)- zugeordnet werden. Der Vergleich zu Rechnungen von Simpson und Daugas weist auf einen möglichen oblaten Charakter dieses tiefliegenden isomeren Zustands hin. Der neue Zerfallszweig, der in 97Sr beobachtet wurde, führt zu der Identifikation des 522 keV Zustands als ersten angeregten 5/2+ Zustand. Rechnungen innerhalb des IBFM deuten auf einen Ein-Quasi-Teilchen-Charakter dieser Anregung. Mit der Lebensdauermessung in 99Y ist ein weiteres Anzeichen für die reguläre Rotationsstruktur der Grundzustandsbande gewonnen. Eine Rechnung mittels des Quasi-Teilchen-Rotor-Modells mit der Annahme einer axial-symmetrischen Deformation zeigen gute Übereinstimmung für die Grundzustandsbande in diesem Isotop. Die Lebensdauermessungen für die Zerfallskaskade des Mikrosekundenisomers in 100Nb deuten auf den nicht-kollektiven Charakter dieser Anregung hin. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Rudigier, Matthias rudigier@ikp.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55841
Date:	19 May 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:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language 97Rb, 97Sr, 99Yb 100Nb, isomer, IBFM, IBM, LaBr, halflife, lifetime, shape transition, isomeric ratios English
Date of oral exam:	16 January 2014
Referee:	Name Academic Title Jolie, Jan Prof. Dr. Reiter, Peter Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5584