Experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung eines 2-Pi-Spaltfragmentdetektors

Experimental investigations for the development of a 2pi fission fragment detector

In der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit der Realisierung eines 2-Pi-Spaltfragmentdetektors untersucht. Damit soll es möglich sein eine Information über die Kernladungszahl eines Fragments aus spontaner oder teil
In der vorliegenden Arbeit wurde die Möglichkeit der Realisierung eines 2-Pi-Spaltfragmentdetektors untersucht. Damit soll es möglich sein eine Information über die Kernladungszahl eines Fragments aus spontaner oder teilcheninduzierter Spaltung zu erhalten. Die Meßmethode ist daraufhin ausgelegt, daß der korrespondierende Partner eines im Detektor nachgewiesenen Spaltfragments in einer dicken Quelle oder einem dicken Target gestoppt wird und der Gamma-Zerfall dieses neutronenreichen, meist hoch angeregten Kerns in Ruhe erfolgt . Die emittierte Gamma-Strahlung ist somit weder Dopplerverschoben noch -verbreitert und kann von Germanium-Detektorarrays spektroskopiert werden. Durch die hohe Selektivität der Spaltfragmentdetektion läßt sich damit die Struktur seltener, besonders neutronenreicher Kerne untersuchen. Die Methode basiert auf der Messung des spezifischen Energieverlusts eines Spaltfragments mit Hilfe einer Gasionisationskammer und der anschließenden Messung der Restenergie des Spaltfragments mit Hilfe eines Silizium-Halbleiterdetektors. Hierzu wurden Messungen von Spaltfragmenten aus spontaner Spaltung von 252-Cf mit Hilfe eines Detektorteleskops [Goh94] in Koinzidenz mit einem hochreinen Germanium Detektor durchgeführt. Das Teleskop bestand aus einer Ionisationskammer, die mit einem elektrischen Feld arbeitete, das senkrecht zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie verlief, sowie einem ionenimplantierten Si-Detektor. Damit wurde ein Auflösungsvermögen von Z/Delta-Z ~ ll für Molybdän (Z=42) und Z/Delta-Z ~ 10 für Ruthenium (Z=44) gemessen. Um den ionenimplantierten Si-Detektor durch einen kostengünstigeren Detektortyp ersetzen zu können, wurden PIN-Dioden als Detektoren für die Energie der Spaltfragmente getestet. Hierbei wurden die Testkriterien von Schmitt und Pleasonton [SP 66] zugrunde gelegt. Die PIN-Diode der Serienproduktion erreichte näherungsweise alle von Schmitt und Pleasonton angegebenen Kriterien und übertraf das Kriterium für Energieauflösung deutlich. Der Ansatz zur Entwicklung eines Detektors mit großem Raumwinkel ist eine Ionisationskammer, die ein elektrisches Feld besitzt, das parallel zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie gerichtet ist. Eine solche Feldgeometrie läßt sich leichter auf einen großen Raumwinkel erweitern. Dies macht die ausschließliche Verwendung von Gitterelektroden notwendig, damit die Spaltfragmente die Elektroden ohne nennenswerten Energieverlust passieren können. Mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente wurden Potentialverläufe in einer solchen Ionisationskammer simuliert und auf dieser Basis ein Prototyp konstruiert und gebaut, der mit einer Feldrichtung parallel zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie arbeitet. Zum Test dieses Detektors wurde ein Experiment mit protoninduzierter Spaltung von 238-U am Van-de-Graaf-Beschleuniger des Instituts für Kernphysik der Universität Frankfurt am Main durchgeführt. Unter Hinzunahme eines hochreinen Ge-Detektors wurden Spaltfragment-Gamma-Koinzidenzen aufgenommen. Das Ansprechverhalten des Spaltfragmentdetektors wurde mit Hilfe der Energieverlustdaten von Northcliffe und Schilling [NS70] numerisch berechnet. Damit konnte ein Auflösungsvermögen von Z/Delta-Z ~ 29 für Yttrium (Z=39) erreicht werden. Dieses Auflösungsvermögen stimmt ungefähr mit dem von Sistemich et al. [SAB+76] mit Hilfe von massen- und energieseparierten Spaltfragmenten gemessenen Auflösungsvermögen eines DeltaE-E-Detektors mit einem senkrecht zur mittleren Spaltfragmenttrajektorie ausgerichteten elektrischen Feld überein. Eine Auflösung von Nukliden der schweren Spaltfragmentgruppe war in beiden Experimenten nicht möglich. Abschließend wurde auf der Basis der Geometrie des EUROSiB-Detektors [dAP+96] die Realisierbarkeit eines 2-Pi-Spaltfragmentdetektors studiert. Dabei zeigte sich, daß es möglich sein sollte, einen solchen Detektor zu konstruieren, obwohl dieser aufgrund des näherungsweise radialsymmetrischen elektrischen Feldes an den Grenzen des Ionisationskammerbereiches arbeiten wird. Mit Hilfe einer möglichst punktförmigen Quelle sowie einer Segmentierung der PIN-Dioden um eine bessere Ortsauflösung zu erreichen, sollte es möglich sein, ein Auflösungsvermögen zu erhalten, das der Größenordnung des Auflösungsvermögens des Prototypen entspricht. Mit dem vorgeschlagenen Detektor ließe sich eine absolute Effizienz von rund 74% in 2-Pi erreichen.
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In the present thesis the possibility of realizing a 2pi fission fragment detector has been investigated. The aim of this is to obtain an information about the atomic number of a fragment of spontaneous or particle-induc
In the present thesis the possibility of realizing a 2pi fission fragment detector has been investigated. The aim of this is to obtain an information about the atomic number of a fragment of spontaneous or particle-induced fission. The method is based on the principle that the corresponding partner of a fragment in the detector is stopped in a thick source or a thick target. Then the gamma-decay of this neutron-rich, often highly excited nucleus occurs at rest. Therefore the emitted gamma-radiation, which can be spectroscopied by gamma-detector arrays, is neither Doppler-shifted nor Doppler-broadened. Due to the high selectivity of the fission fragment detection it is possible to study the structure of rare, particularly neutron-rich nuclei. The method is based on the measurement of a fragment's energy loss with a gas ionization chamber, succeeded by a measurement of the fragment's residual energy using a silicon semiconductor detector. Measurements of fragments from the spontaneous fission of 252Cf using a detector telescope [1] in coincidence with a high-purity germanium detector were performed. The telescope consisted of an ionization chamber with an electrical field the direction of which was perpendicular orientated to the fission fragments' trajectory as well as an ion-implanted Si-detector. The measured resolving power was Z/Delta Z = 11 for Molybdenum (Z=42) and Z/Delta Z = 10 for Ruthenium (Z=44). PIN-diodes were tested for measuring the fission fragments' energies to replace the ion-implanted Si-detector by a less expensive type of detector. For these tests the criteria of Schmitt and Pleasonton [2] were applied. The PIN-diode of the series production reached approximately all criteria given by Schmitt and Pleasonton. It even surpassed the criterion for energy resolution clearly. The base to develop a detector with a large solid angle is an ionization chamber with an electrical field the direction of which is parallel to the average trajectory of the fission fragments. This kind of field geometry can be more easily expanded to cover a large solid angle. It requires the exclusive application of grid electrodes to allow the fission fragments to pass the electrodes with negligible energy loss. The potential distribution inside such an ionization chamber was simulated applying the finite element method. Based on these simulations a prototype detector that works with an electrical field the direction of which is parallel to the fission fragments' average trajectory has been constructed and built. An experiment with proton-induced fission of 238U was performed at the Van de Graaf accelerator of the Institute for Nuclear Physics of the University of Frankfurt / Main to test the new detector. By adding a high-purity germanium detector fission fragment-gamma coincidences were recorded. The response of the fission fragment detector was calculated numerically by using the energy loss data by Northcliffe and Schilling [3]. A resolving power of Z/Delta Z = 29 for Yttrium (Z=39) could be achieved with that. This resolving power agrees roughly with the value measured by Sistemich et al. [4] which was obtained with mass and energy separated fission fragments using a Delta E-E detector with an electrical field the direction of which was perpendicular to the fission fragments' average trajectory. It was not possible to resolve nuclei of the heavy fission fragments' group. Finally the feasibility of a 2pi fission fragment detector was studied on the geometrical basis of the EUROSiB-detector [5]. A detector of this kind should be feasible though it will operate at the limit of the ionization chamber region due to the electrical field which has approximately a radial symmetry. A segmentation of the PIN-diodes would increase the spatial resolution. With that and by using a point source, preferably, it should be possible to reach a resolving power of the order of magnitude of the prototype's resolving power. An absolute efficiency of 74% in 2pi should be achieved with the suggested detector.
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Metadaten
Author:Armin Kleinböhl
URN:urn:nbn:de:hebis:30-5455
Advisor:Thomas Elze
Document Type:Diplom Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2005/03/01
Year of first Publication:1998
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Release Date:2005/03/01
HeBIS PPN:126762457
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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