Giessener Elektronische Bibliothek

GEB - Giessener Elektronische Bibliothek

Hinweis zum Urheberrecht

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-15824
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2004/1582/


Isochronous mass measurements of short-lived neutron rich nuclides at the FRS-ESR facilities

Isochronische Massenmessungen von kurzlebigen, neutronenreichen Nukliden an der FRS-ESR Anlage

Matoš, Milan


pdf-Format: Dokument 1.pdf (6.253 KB)

Bookmark bei Connotea Bookmark bei del.icio.us
Freie Schlagwörter (Deutsch): Kernmassen , exotische Kerne , Speicherringe
Freie Schlagwörter (Englisch): Nuclear masses , exotic nuclei , storage rings
PACS - Klassifikation: 21.10.Dr
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.05.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 22.06.2004
Kurzfassung auf Englisch: Precise mass values of nuclides are of great importance for the basic
understanding of nuclear structure and decay. The neutron-rich area of
nuclides up to the neutron dripline has the largest discovery potential
for new nuclear properties. The neutron dripline is reached only for light
elements up to oxygen.
The combination of the fragment separator FRS with the storage ring ESR at
GSI is a unique facility in the world for research with exotic nuclei. The
software package TOFSIM was developed to simulate the crucial parameter
settings for the performance of these complex facilities in the present
experiments.


In this study we used neutron-rich nuclides produced via
fragmentation of 456 A MeV 70Zn projectiles and via fission of 238U
projectiles at different energies (380-415 A MeV). The FRS separated
in-flight the selected exotic nuclei and injected them into the ESR. Bare
or H-like ions were investigated in the ESR operated in the isochronous
mode as a high-resolution time-of-flight mass spectrometer.
The present experimental studies are the first isochronous mass
measurements that covered a larger area of n-rich short-lived nuclides.
More than 500 peaks corresponding to 280 neutron-rich isotopes from oxygen
to promethium were carefully analyzed. For 41 nuclides experimental mass
values were obtained for the first time and for 20 isotopes the current
values in the literature were improved. A mass resolving power of 200 000
was achieved for ions with the best isochronicity and the accuracy ranged
from 140-400 keV. The nuclide with the shortest known half-life (17 ms)
was 13B, however, we can investigate nuclides with much lower half-lives,
since the method allows to go down to a few hundreds microseconds.


Comparisons of our experimental results with different mass
predictions reveal large deviations particularly for the most neutron-rich
nuclides. A remarkable result is that the pure microscopic theoretical
model is better (sigma(rms)=575 keV) in this new territory than the
microscopic-macroscopic FRDM description (sigma(rms)=667 keV). In the
recently
measured neutron-deficient new mass surface the FRDM prediction was still
a factor of two superior due to the method of parameter adjustment to
experimental data. This reflects the advantage of microscopic theories for
unknown mass areas far from the valley of beta stability. Much room for
improvements is also observed from the comparison with the Atomic Mass
Evaluation (AME). The AME has for our previously measured new
neutron-deficient mass surface a sigma(rms)-deviation of 148 keV and has
now for
the 41 new masses in this work 651 keV. For individual nuclides the
deviation is even larger, e.g. for 109Nb and 114Tc isotopes the
differences from AME reach 1.5 MeV.


The region of the new masses from this experiment can also contribute
to the knowledge of nucleosynthesis for r-process nuclei and help to
determine the corresponding path.


In summary this pioneering experiment performed at the FRS-ESR
facility at GSI contributes a lot to improve the knowledge on neutron-rich
nuclides. In future experiments our goals are to increase the resolution
and accuracy of the method and to reach more exotic nuclei, particularly
along the predicted r-process path for Z>30.
Kurzfassung auf Deutsch: Experimente zur genauen Massenmessungen von kurzlebigen exotischen
Kernen sind von großer Bedeutung, um die Kernmodelle überprüfen und verbessern zu können.
Besonders sind diese Beiträge bei den neutronenreichen Kernen wertvoll, da dort die Dripline nur bis
zum Sauerstoff erreicht wurde und somit diese Kerne das größte
Entdeckungspotential für neue Eigenschaften darstellen.


Die Kombination des Fragmentseparators FRS mit dem Speicherring ESR
ist eine einmalige und sogleich universelle Anlage zur Untersuchung
von exotischen Kernen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst das Computerprogramm TOFSIM entwickelt,
um die Experimentplanung, Durchführung und Datenanalyse effektiv zu unterstützen.
Solche Simulationsprogramme sind unentbehrlich für die Forschungsarbeiten mit den komplexen Anlagen,
wie FRS und ESR bei GSI.


Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Experimente zur direkten Massenmessung
mit gespeicherten kurzlebigen Kernen durchgeführt.
Neutronenreiche, mittelschwere Nuklide wurden zum einen
durch Fragmentation
von 456 A MeV 70 Zn
Projektilen und durch Spaltung von 238 U Strahlen im Energiebereich von 380-415 A MeV produziert.
Die Reaktionsprodukte wurden mit dem FRS im Fluge separiert und in den Speicherring injiziert.
Der ESR wurde für diese Messungen in der isochronen ionenoptischen Einstellung betrieben.
Diese Betriebsart ermöglicht, dass die Umlauffrequenz für ein bestimmtes
Masse-zu-Ladungsverhältnis unabhängig von der Geschwindigkeitsbreite der gespeicherten Ionen ist.
Die Fragmentstrahlen haben von ihrer Entstehungsreaktion her eine unvermeidliche
Geschwindigkeitsbreite, die eine Präzisionsmassenmessung
mit Hilfe der Umlauffrequenz im Speicherring vereiteln würde.
Der Vorteil der isochronen Massenmessung ist, dass keine Kühlung im ESR notwendig
ist und somit auch die interessanten kurzlebigen Kerne im Experiment erfasst werden können.


In den isochronen Massenmessungen dieser Arbeit wurden
für 41 neutronenreiche Kerne im Elementbereich von Sauerstoff bis Promethium
die Massen erstmals gemessen und für 20 Kerne die Literaturwerte verbessert.
Dabei wurden die Zeitverteilungen von 280 Isotopen gemessen und analysiert.
Im Bereich der untersuchten Kerne hatte das kurzlebigste Isotop eine Halbwertszeit
von 17 ms (13 B), jedoch ist die isochrone Massenmessung prinzipiell bis hinunter
in den Zeitbereich von einigen hundert Mikrosekunden voll einsetzbar.


In den Massenmessungen konnte eine Auflösung von 200000 für die
isochron umlaufenden Teilchen erreicht werden.
Die Genauigkeit betrug 140-400 keV und war hauptsächlich durch
die erreichte Statistik und die Eigenschaften der Referenzmassen bestimmt.


Vergleiche mit theoretischen Vorhersagen zeigen,
dass im untersuchten Massenbereich die mikroskopischen Hatree-Fock
Theorien den makro-mikroskopischen Vorhersagen überlegen sind.
Dieser Trend wurde nicht bei unseren früheren Messungen in der Bleigegend im
Bereich der neutronenarmen Kerne beobachtet.
Der Vergleich mit semiempirischen Tabellen zeigt ebenfalls für
die neutronenreiche Gegend größere Abweichungen.
Beispielsweise wurden Abweichungen für einige neue Massen bis 1500 keV gemessen.


Die erzielten neuen und verbesserten Massenwerte können nicht nur zur Verbesserung
der Kernmodelle einen Beitrag leisten, sondern sind auch wichtig zum Verständnis
des r-Prozesses und vor allem auch zum Festlegen des entsprechenden Pfades auf der Nuklidkarte.


Die Experimente dieser Arbeit liefern die ersten umfassenden Messungen
von neutronenreichen Kernmassen mit der isochronen Technik im ESR.
Die nächsten Ziele in diesen Experimenten sind,
die Auflösung und Genauigkeit der Methode zu erhöhen.
Dies soll durch Modifikationen des Flugzeitdetektors und durch
ionenoptische Verbesserungen bei der Einstellung und Diagnose erfolgen.
In der ferneren Zukunft eröffnet die NUSTAR Anlage mit dem Super-FRS
und dem Ringkoplex CR-RESR-NESR ganz neue Möglichkeiten,
da die Intensität der neutronenreichsten Kerne um mehr
als einen Faktor 1000 gesteigert werden kann und die Auslegung
des Kollektorrings für isochrone Messungen besser geeignet ist als der ESR.
Damit wird die NUSTAR Anlage ein wichtiges Gerät zur Erforschung der
r-Prozess Kerne im Labor.