7Li(p,n)7Be neutron fields and their application for astrophysics

  • Most elements heavier than iron are synthesized in stars during neutron capture reactions in the r- and s-process. The s-process nucleosynthesis is composed of the main and weak component. While the s-process is considered to be well understood, further investigations using nucleosynthesis simulations rely on measured neutron capture cross sections as crucial input parameters. Neutron capture cross sections relevant for the s-process can be measured using various experimental methods. A prominent example is the activation method relying on the 7Li(p,n)7Be reaction as a neutron source, which has the advantage of high neutron intensities and is able to create a quasi-stellar neutron spectrum at kBT = 25 keV. Other neutron sources able to provide quasi-stellar spectra at different energies suffer from lower neutron intensities. Simulations using the PINO tool suggest the neutron activation of samples with different neutron spectra, provided by the 7Li(p,n)7Be reaction, and a subsequent linear combination of the obtained spectrum-averaged cross sections to determine the Maxwellian-averaged cross section (MACS) at various energies of astrophysical relevance. To investigate the accuracy of the PINO tool at proton energies between the neutron emission threshold at Ep = 1880.4 keV and 2800 keV, measurements of the 7Li(p,n)7Be neutron fields are presented, which were carried out at the PTB Ion Accelerator Facility at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. The neutron fields of ten different proton energies were measured. The presented neutron fields show a good agreement at proton energies Ep = 1887, 1897, 1907, 1912 and 2100 keV. For the other proton energies, E p = 2000, 2200, 2300, 2500, and 2800 keV, differences between measurement and simulation were found and discussed. The obtained results can be used to benchmark and adapt the PINO tool and provide crucial information for further improvement of the neutron activation method for astrophysics. An application for the 7Li(p,n)7Be neutron fields is presented as an activation experiment campaign of gallium, an element that is mostly produced during the weak s-process in massive stars. The available cross section data for the 69,71Ga(n,γ) reactions, mostly determined by activation measurements, show differences up toa factor of three. To improve the data situation, activation measurements were carried out using the 7Li(p,n)7Be reaction. The neutron capture cross sections for a quasi-stellar neutron spectrum at kBT = 25 keV were determined for 69Ga and 71Ga.
  • Die meisten Elemente schwerer als Eisen werden durch Neutroneneinfangreaktionen während des r- und s-Prozesses erzeugt. Die s-Prozess Nukleosynthese wird unterteilt in die schwache Komponente und die Hauptkomponente. Der s-Prozess gilt als gut verstanden, und durch verschiedene Simulationen kann die Nukleosynthese nachgebildet werden. Wichtige Eingangsparameter für solche Simulationen sind gemessene Neutroneneinfangsquerschnitte. Um diese zu bestimmen, gibt es verschiedene experimentelle Techniken. Eine davon ist die Aktivierungsmethode in Kombination mit der 7Li(p,n)7Be Reaktion als Neutronenquelle. Diese hat den Vorteil von besonders hohen Neutronenintensitäten, und erzeugt bei einer Protonenenergie von Ep = 1912 keV ein quasi-stellares Neutronenspektrum bei kBT = 25 keV. Andere Neutronenquellen, welche auch stellare Neutronenspektren nachbilden können, haben den großen Nachteil einer vergleichweise niedrigeren Neutronenausbeute. Eine Möglichkeit, Wirkungsquerschnitte für verschiedene astrophysikalisch relevante Energiebereiche zu bestimmen, ist die Aktivierung von Proben bei verschiedenen Energien mit der 7Li(p,n)7Be Reaktion als Neutronenquelle. Durch eine Linear- kombination der verschiedenen Spektrum gemittelten Wirkungsquerschnitte kann der Maxwell gemittelte Wirkungsquerschnitt (MACS) bestimmt werden. Da diese Überlegungen auf Simulationen des PINO Tools beruhen, ist es nötig, die Genauigkeit dieses Tools zu überprüfen und zu verbessern. Dafür waren die Neutronenfelder der 7Li(p,n)7Be Reaktion bei Protonenenergien zwischen Ep = 1880.4 keV und 2800 keV von Interesse. Diese wurden bei zehn verschiedenen Protonenergien an der PTB Ion Accelerator Facility der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig untersucht. Die Messungen, welche in dieser Arbeit präsentiert werden, zeigen gute Übereinstimmungen für Protonenenergien von Ep = 1887, 1897, 1907, 1912 und 2100 keV. Für Ep = 2000, 2200, 2300, 2500 und 2800 keV zeigen sich teils deutliche Abweichungen. Eine Anwendung für die Neutronenfelder der 7Li(p,n)7Be Reaktion ist die Aktivierung des Elements Gallium, welches hauptsächlich während des schwachen s-Prozesses in massiven Sternen gebildet wird. Die Datenlage, welche von Messungen mittelsder Aktivierungsmethode dominiert wird, beinhaltet Werte mit einer Abweichung von bis zu einem Faktor drei. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse einer Aktivierungskampagne zur Bestimmung der Maxwell gemittelten Wirkungsquerschnitte bei kBT = 25 keV der Reaktionen 69,71Ga(n,γ) präsentiert.

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Metadaten
Author:Benjamin Sebastian BrücknerORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-686399
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.68639
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:René ReifarthORCiD, Christoph LangerGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2022/07/06
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2022/05/30
Release Date:2022/07/28
Page Number:203
HeBIS-PPN:49766982X
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht