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Radiative capture cross sections for nuclear astrophysics in activation experiments

  • In order to understand the origin of the elements in the universe, one must understand the nuclear reactions by which atomic nuclei are transformed. There are many different astrophysical environments that fulfill the conditions of different nucleosynthesis processes. Even though great progress has been made in recent decades in understanding the origin of the elements in the universe, some questions remain unanswered. In order to understand the processes, it is necessary to measure cross sections of the involved reactions and constrain theoretical model predictions. A variety of methods have been developed to measure nuclear reaction cross sections relevant for nuclear astrophysics. In this thesis, two different experiments and their results, both using the well-established activation method, are presented. A measurement of the proton capture cross section on the p-nuclide 96Ru was performed at the Institute of Structure and Nuclear Astrophysics ISNAP - Notre Dame, USA. The main goal of this experiment was to compare the results with those obtained by Mei et al. in a pioneering experiment using the method of inverse kinematics at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH - Darmstadt, Germany. Therefore, the activations were taken out at the same center of mass energies of 9 MeV, 10 MeV and 11 MeV. Another activation was taken out at an energy of 3.2 MeV to compare the result to a measurement of Bork et al. who also used the activation method. While the results at 3.2 MeV agree quite well with those of Bork et al., the results at higher energies show significantly smaller cross sections than those measured by Mei et al.. Experimental details, the data analysis and sources of uncertainties are discussed. The second part of this thesis describes a neutron capture cross section experiment. At the Institut für Kernphysik - Goethe Universtität Frankfurt an experimental setup allows to produce quasi maxwell-distributed neutron fields to measure maxwell-averaged cross sections (MACS) relevant for s-process nucleosynthesis. The setup was upgraded by a fast electric linear guide to transport samples from the activation to the detection site. The cyclic activation of the sample allows to increase the signal-to-noise ratio and to measure neutron captures that lead to nuclei with half-lives on the order of seconds. In a first campaign, MACS of the reactions 51V(n,γ), 107,109Ag(n,γ) and 103Rh(n,γ) were measured. The new components of the setup aswell as the data analysis framework are described and the results of the measurements are discussed.
  • Um den Ursprung der Elemente im Universum zu verstehen, muss man die Kernreaktionen verstehen, durch die Atomkerne umgewandelt werden. Es existiert eine Vielzahl von Orten im Universum an welchen die Bedingungen unterschiedlicher Nukleosyntheseprozesse erfüllt sind. Obwohl in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte zum Verständnis der Herkunft der Elemente im Universum erzielt wurden, bleiben bis heute einige Fragen unbeantwortet. Um die Nukleosyntheseprozesse zu verstehen ist es notwendig, Wirkungsquerschnitte der beteiligten Reaktionen zu messen und damit theoretische Vorhersagen zu verbessern. Um Wirkungsquerschnitte von Reaktionen die für die Astrophysik relevant sind zu bestimmen existiert eine Vielzahl von Methoden. In dieser Arbeit werden zwei Experimente und deren Ergebnisse vorgestellt, welche beide auf der Aktivierungsmethode beruhen. Eine Messung des Protoneneinfangquerschnitts am p-Kern 96Ru wurde am Institute of Structure and Nuclear Astrophysics ISNAP - Notre Dame, USA durchgeführt. Das Hauptziel dieses Experiments war es, die Ergebnisse mit denen von Mei et al. zu vergleichen, welche die Methode der inversen Kinematik am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH - Darmstadt, Deutschland anwendeten. Um die Ergebnisse vergleichen zu können wurden die Aktivierungen bei den gleichen Schwerpunktsenergien von 9 MeV, 10 MeV und 11 MeV durchgeführt. Eine weitere Aktivierung wurde bei einer Energie von 3,2 MeV vorgenommen, um das Ergebnis mit einer Messung von Bork et al., die ebenfalls die Aktivierungsmethode verwendeten, zu vergleichen. Während die Ergebnisse bei 3,2 MeV recht gut mit denjenigen von Bork et al. übereinstimmen, zeigen die Ergebnisse bei höheren Energien signifikant kleinere Wirkungsquerschnitte als diejenigen, welche von Mei et al. bestimmt wurden. Experimentelle Details, die Datenanalyse und auftretende Unsicherheiten werden diskutiert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt ein Experiment zur Bestimmung von Neutroneneinfangsquerschnitten. Am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität in Frankfurt ermöglicht ein experimenteller Aufbau die Erzeugung nährungsweise maxwell-verteilter Neutronenfelder zur Messung von maxwell-gemittelten Wirkungsquerschnitten (MACS), die für die Nukleosynthese im s-Prozess relevant sind. Der Aufbau wurde um eine elektrische Linearführung erweitert, um Proben von der Aktivierungposition vor einen Detektor zu transportieren. Die zyklische Aktivierung der Proben ermöglicht es, das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu erhöhen und Neutroneneinfänge zu messen, welche Kerne mit Halbwertszeiten in der Größenordnung von Sekunden produzieren. In einer ersten Messkampagne wurden MACS der Reaktionen 51V(n,γ), 107,109Ag(n,γ) und 103Rh(n,γ) bestimmt. Die neuen Komponenten des Aufbaus sowie das Datenanalyse-Framework werden beschrieben und die Ergebnisse der Messungen mit bereits existierenden Daten verglichen und diskutiert.

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Metadaten
Author:Markus ReichORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-735154
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.73515
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:René ReifarthORCiDGND, Christoph LangerGND
Advisor:René Reifarth
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2023/05/04
Year of first Publication:2022
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2023/03/15
Release Date:2023/05/04
Tag:Accelerator; Activation experiment; Cross section; Nuclear Astrophysics; Physics
Page Number:134
HeBIS-PPN:507430042
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht