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Die Entstehung der Elemente im Universum wird auf eine Vielzahl von Prozessen zurückgeführt, die sowohl in Urknall - als auch in stellaren Szenarien angesiedelt werden. Die Kenntnis der dort ablaufenden Reaktionen und deren Raten ermöglicht es die zugrundeliegenden Modelle einzugrenzen und somit genauere Aussagen über die Plausibilität der Szenarien zu treffen. Ein Teil dieser Prozesse stützt sich auf Neutroneneinfänge an Atomkernen, wodurch die Massezahl des Ausgangskerns erhöht wird.
Die Aktivierungsmethode ermöglicht die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Neutroneneinfangs, sofern der Zielkern eine detektierbare Radioaktivität aufweist. Die experimentelle Untersuchung einer Reaktion mit einem kurzlebigen Produktkern ist eine besondere Herausforderung, da bei langen Aktivierungen zwar viele Einfänge stattfinden, die meisten Produktkerne jedoch schon während der Aktivierung zerfallen. Ein probates Mittel um genügend Zerfälle des Produktkerns beobachten zu können ist die zyklische Aktivierung, wobei die Probe in mehrfachen Wiederholungen kurz bestrahlt und ausgezählt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Anwendungen der zyklischen Aktivierung behandelt.
Eine vom Paul Scherrer Institut Villigen bereitgestellte Probe von 10Be wurde am TRIGA Reaktor der Johannes Gutenberg - Universität Mainz mit Neutronen aktiviert. Über die Cadmiumdifferenzmethode konnte der thermische und der epithermische Anteil der Neutronen separiert werden und dadurch sowohl der thermische Wirkungsquerschnitt als auch das Resonanzintegral für die Reaktion 10Be(n,γ)11Be bestimmt werden.
Am Institut für Kernphysik der Goethe Universität Frankfurt wurde mit einem Van - de - Graaff - Beschleuniger über die 7Li(p,n)7Be Reaktion ein quasistellares Neutronenspektrum mit kBT ≈ 25 keV erzeugt. Für die zyklische Aktivierung von Proben wurde die Infrastruktur in Form einer automatisiert ablaufenden Vorrichtung zur Bestrahlung und Auszählung geplant und umgesetzt. In diesem Rahmen wurden die über das Spektrum gemittelten Neutroneneinfangsquerschnitte für verschiedene Reaktionen bestimmt. Für 19F(n,γ)20F konnte der Gesamteinfangsquerschnitt bestimmt werden. Für die Reaktion 45Sc(n,γ)46Sc wurde der partielle Wirkungsquerschnitt in den 142,5 keV Isomerzustand gemessen. Aus der 115In(n,γ)116In Reaktion konnten die partiellen Querschnitte in die Isomerzustände bei 289,7 keV, 127,3 keV sowie den Grundzustand bestimmt werden.
Außerdem wurde mit einer Hafniumprobe die partiellen Einfangsquerschnitte in den 1147,4 keV Isomerzustand von 178Hf und in den 375 keV Isomerzustand von 179Hf gemessen.
This work derives the value of the neutron capture cross section of 60Fe at the energy of kT = 25 meV. Iron plays an important role in stellar nucleosynthesis, because it is a seed material for the s-process, a neutron capture process in which the elements between iron and bismuth are synthesized.
To determine the thermal neutron cross section of 60Fe, an iron sample produced in the framework of the ERAWAST1 program at the Paul Scherrer Institute in Switzerland was irradiated at the research reactor TRIGA2 at Johannes Gutenberg University in Mainz, Germany. Before the irradiation, the number of 60Fe particles in the sample was calculated using the decay scheme of 60Fe. There were (8.207 ± 0:066 stat 0:298 syst) * 10 14 60Fe particles in the sample.
The irradiation of the sample took place in May 2012. The counting of the reaction product, 61Fe, was undertaken using a HPGe detector located in a laboratory at Johannes Gutenberg University in Mainz. Knowing the number of 60Fe particles in the sample, the number of produced 61Fe particles and the neutron flux from the reactor, the thermal neutron capture cross section of ρth60Fe = (0.203 ± 0:021 stat 0:024 syst) b could be determined.
The determination of the thermal neutron capture cross section at the energy of kT = 25 meV constitutes to the first at this energy. There was already a measurement of the neutron capture cross section of 60Fe at the energy of kT = 25 keV in Karlsruhe in Germany. The result of the measurement was 25 keV = (9.9 ± 2:8 syst 1:4 stat) mb and was published in the year 2009 [14].
Adding datapoints for the cross section at different energies improves extarpolation and helps verification of theoretical models for elemental synthesis. For this reason, a measurement of the 60Fe neutron capture cross section at the energy of kT = 90 keV is planned at Goethe University Frankfurt, Germany.
Having the neutron capture cross section of 60Fe at the energy of kT = 25 keV measured in the year 2009 in Karlsruhe [14], at the energy of kT = 25 meV measured in May 2012 at Johannes Gutenberg University in Mainz and at the planned energy of kT = 90 keV at Goethe University Frankfurt, there will be three points for the extrapolation of the values for the neutron capture cross section of 60Fe. This will lead to a significant reduction in uncertainty with respect to existing theoretical discrepancies.
Mithilfe einer (n,γ)-Aktivierung von Germanium am Forschungsreaktor TRIGA in Mainz wurde zum einen in Hinblick auf zukünftige Experiment an der NIF eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Zum anderen wurden die thermischen Neutroneneinfangquerschnitte von 74Ge und 76Ge jeweils für den Einfang in den Isomer- und Grundzustand gemessen, um die Abweichungen der Daten von [Hol93] und [Mug06] zu klären. Zusätzlich wurden die Halbwertszeiten der betrachteten radioaktiven Ge-Isotope bestimmt.
This thesis presents experimental studies of proton capture and fragmentation reactions with heavy-ion storage rings. In one experiment, the 96Ru(p, γ)97Rh cross sections near the Gamow window have been measured at the ESR of GSI. In the other experiment, the measurement of the fragmentation yields has been carried out at the CSRe of IMP.
It is essential to determine the cross sections of (γ, p) or (p, γ) reactions for p-process network calculations. However, only very few of the required cross sections have been measured and thus most of them rely solely on Hauser-Feshbach model predictions. The predictions of the model have always very large uncertainties because of the not well-known input parameters. These parameters can be constrained by experiments. Compared to the traditional activation technique, a novel method using a storage ring has been developed to measure the cross sections of (p, γ) reactions in inverse kinematics.
This proton capture experiment has been performed at the ESR, where the circulating 96Ru44+ ions interacted with a hydrogen gas target at 9, 10 and 11 MeV/u. The nuclear reaction products of (p, p), (p, α), (p, n) and (p, γ) reactions were registered by position sensitive detectors. A Geant4 simulation code has been developed to distinguish the (p, γ) reaction products unambiguously from the background reactions. In this work, a relative normalization method has been utilized to accurately determine the cross sections of the (p, γ) reaction. The 96Ru(p, γ)97Rh cross section in the Gamow window of the p process is sensitive to two parameters, i.e., the γ-ray strength function and the optical model potential, while it is mainly sensitive to the γ-ray strength function in the energy region of our experiment. Therefore, our experimental (p, γ) cross sections near 10 MeV/u have been used to directly constrain the γ-ray strength function used in the model. Furthermore, the proton potential has also been constrained by combining our results with additional experimental data for this reaction in the lower energy region. The constrained model has been used to calculate the reaction rate over a wide temperature range, which is an extremely important input for astrophysical calculations.
The yields of fragments produced by 78Kr fragmentation reactions have been measured at the CSRe for the Tz = −1/2 and Tz = 1/2 nuclei along or close to the paths of αp- and rp-processes. The measured yields present a significant odd-even staggering effect for Tz = −1/2 nuclides but they are small for Tz = 1/2 nuclides.
The magnitude of this effect for four consecutive yields has been quantified using a third-order difference formula. It is found that the largest odd-even staggering is reached near the closed shells Z = 20 and Z = 28. Our experimental results could also compared with the data from other experiments with different projectile-target combinations. All these experimental data strongly support the closed shells Z = 20 and Z = 28 for the Tz = −1/2 nuclei.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, die energieabhängigen Wirkungsquerschnitte von (γ,n)-Reaktionen für 169Tm, 170Yb, 176Yb und 130Te mittels der Photoaktivierungsmethode zu bestimmen.
Dazu wurden zunächst die Effizienzen der verwendeten Detektoren mithilfe von Simulationen korrigiert, da die verwendeten Targets eine ausgedehnte Geometrie aufweisen im Gegensatz zu den punktförmigen Eichquellen. Es hat sich herausgestellt, dass mit den Simulationen die Effizienzen der MCA-Detektoren energieabhängig korrigiert werden konnten, da die Simulationen die Form der gemessenen Effizienzen gut reproduzieren konnten. Bei den Effizienzen der LEPS-Detektoren hingegen konnte keine energieabhäangige Korrektur vorgenommen werden, da die LEPS-Detektoren aufgrund des geringen Abstandes zu den Detektoren hohe Summeneffekte zeigten. Im Rahmen dieser Arbeit konnten diese Summeneffekte jedoch nicht korrigiert bzw. berücksichtigt werden.
This thesis presents the first measurement of the proton capture reaction on the isotope 124Xe performed in inverse kinematics. The experiment was carried out in June 2016 at the Experimental Storage Ring (ESR) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany.
124Xe is one of about 35 p-nuclei that cannot be produced via neutron-induced nucleo- synthesis as the vast majority of heavy elements. Its production and destruction provide important information about the nucleosynthesis of the p-nuclei. Measuring the 124Xe(p,g)125Cs reaction also gives strong constraints for its reverse 125Cs(g,p)124Xe reaction.
Fully stripped 124Xe ions repeatedly passed a H2 gas jet target at five different energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u. An electron cooler compensated for the energy loss in the target and reduced the beam momentum spread. The reaction product 125Cs55+ has a smaller magnetic rigidity than 124Xe54+. Therefore 125Cs55+ was deflected towards smaller radii in the first dipole after the target area and thereby separated from 124Xe54+. It was detected with a position-sensitive Double-Sided Silicon Strip Detector (DSSSD). The novelty of this experiment was the installation of the DSSSD inside the ultra-high vacuum of the storage ring using a newly designed manipulator.
Three High-Purity Germanium X-ray detectors were used to measure the X-rays following the Radiative Electron Capture (REC) events into 124Xe53+. The REC cross sections are well-known and were used to determine the luminosity.
The 124Xe(p,g)125Cs cross sections at ion beam energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u were determined relatively to the K-REC cross sections and finally compared to the theoretically predicted cross sections. While theoretical predictions of the TENDL database are lower than the measured ones by a factor of up to seven, the NON-SMOKER data are higher by a factor of up to two, except of the cross section at 7 MeV/u, where NON-SMOKER data are slightly lower than the experimental value.
For the first time, a proton capture cross section could be measured in inverse kinematics close to the astrophysically relevant Gamow window. This allows the direct determination of the (p,g) cross section of isotopes with half-lives down to several minutes, which is not possible with any other technique.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein bereits im Jahr 1989 gebauter Neutronenkollimator für den zukünftigen Einsatz an der Frankfurter Neutronenquelle am Stern Gerlach Zentrum (FRANZ) getestet und simuliert werden.
Hierfür wurde der Neutronenkollimator zunächst probeweise aufgebaut und die einzelnen Bauteile ausgemessen. Zunächst wurde die Zusammensetzung der Kollimatorbauteile überprüft und deren Dichte bestimmt. Zu diesem Zweck wurde mit einigen ausgesuchten Bauteilen des Kollimators eine Gammatransmissionsmessung mit Na-22 und Ba-133 als Gammaquelle durchgeführt. Die Messwerte dieser Messung wurden ausgewertet und mit entsprechend angefertigten Simulationen mit GEANT 3 verglichen.
Für die Simulationen wurden die Bauteile, mit denen die Messung durchgeführt wurde, detailgetreu und mit der zu bestätigenden Zusammensetzung sowie einer geschätzten Dichte programmiert. Über die Anpassung der Simulationsergebnisse an die experimentellen Werte, konnte so die Materialzusammensetzung bestätigt und für die jeweiligen Bauteile jeweils eine Dichte ermittelt werden. Für das Lithiumcarbonatrohr wurde eine Dichte von 1,422 g/cm³ ermittelt, für die drei Bauteile aus Borcarbid jeweils 1,169 g/cm³, 1,073 g/cm³, 0,832 g/cm³. Aufgrund von vielen produktionsbedingten, unterschiedlich stark ausgeprägten Lufteinschlüsse in den Borcarbidbauteilen des Kollimators, konnte keine identische Dichte für alle Bauteile gefunden werden.
Nach Untersuchung des Kollimators wurde der Neutronendurchgang mit dem Simulationspaket GEANT 3 simuliert. Die vollständige Geometrie des Kollimators wurde in GEANT 3 programmiert und dabei Bohrlöcher und Besonderheiten einzelner Bauteile berücksichtigt. Um die Simulationszeit zu verkürzen, wurde der Teilchendurchgang durch den gesamten Kollimator nicht in einem Durchgang simuliert, sondern stückweise in vier Stufen entlang des Kollimators. Um die Komplexität der Simulation zu beschränken wurde für alle Kollimatorbauteile aus Borcarbid ein Dichtewert eingesetzt, jedoch jede Simulationsreihe mit den drei verschiedenen Werten, die bei der Gammatransmissionsmessung ermittelt wurden, durchgeführt.
Beim anschließenden Vergleich der Simulationsergebnisse, konnte zwischen den einzelnen Dichtewerten kein signifikanter Unterschied erkannt werden. Die Unsicherheiten in der Dichtebestimmung sind daher vernachlässigbar.
Jede Simulationsreihe wurde mit zwei verschiedenen Neutronenverteilungen durchgeführt: eine Neutronenverteilung bei 1,92 MeV Protonenenergie und eine bei 2 MeV Protonenenergie.
Anhand der Simulationsergebnisse konnte ermittelt werden, dass die auf den Detektor eintreffende Neutronenintensität bis zu einem Abstand von etwa 20 cm vom Strahlachsenzentrum um Faktor 4·10-5 geschwächt wird. Ab 20 cm Strahlachsenabstand beträgt die Transmission der Neutronen etwa 10-3.
Die Bleiabschirmung, die an den Kollimator montiert wird und den Detektor vor den infolge von Neutroneneinfängen emittierten Gammaquanten vor dem Detektor abschirmen soll, reduziert die Zahl der Gammaquanten ebenfalls um Faktor 10-4.
Für den zukünftigen Einsatz des Neutronenkollimators an FRANZ müssen zunächst die fehlenden Kollimatorbauteile ersetzt oder nachgebaut werden. Dazu gehören zwei zylinderförmige innere Einsätze aus Borcarbid sowie eine Verlängerung des Innenrohrs aus Lithiumcarbonat. Neue Geometrien oder Materialzusammensetzungen können durch leichte Modifikation der bereits in GEANT 3 programmierten Kollimator-geometrie getestet und untersucht werden.
Für die Positionierung des Kollimators und Aufstellung vor dem 4 π BaF2-Detektor muss zusätzlich eine Platte angefertigt werden, an welche die Bleiabschirmung montiert und auf welcher der Kollimator stabil aufgebaut werden kann. Nach Fertigstellung der fehlenden Bauteile und der Platte, kann der Kollimator aufgebaut und in der Praxis getestet werden.
Most of the elements in the universe are produced via charged-particle fusion reactions during the primordial nucleosynthesis and different stellar burning stages, as well as via neutron-capture reactions. Around 35 heavy, proton-rich isotopes are bypassed by those reaction paths, the p nuclei. A series of photo-disintegration reactions occurring in supernovae, called the γ process, was suggested as a mechanisms to produce the p nuclei. Numerical simulations of the γ process have been unable to reproduce the observed abundances of the light p isotopes. Recent models showed that a series of proton capture reactions could provide the observed abundances. Hence, the cross sections of the crucial capture reactions have to be measured in order to test those assumptions.
Radiative proton captures in addition to the γ-process could reproduce the observed abundance pattern. This thesis presents preparations of a proton capture measurement on the radioactive 91Nb in standard kinematics with a calorimetric 4π setup. The 91Nb(p,γ)92Mo reaction might be the key to explain the production of one of the most abundant p-nuclei, 92Mo. So far, no experimental data for this reaction is available.
We produced a sample of 91Nb, with a half-life of 680 yr, at the Physikalisch Technische Bundesanstalt in Braunschweig, Germany, by irradiating 92Mo with protons in the energy range of 12 – 20MeV. 91Nb was produced via the reaction 92Mo(p,2p)91Nb and via 92Mo(p,pn)91Mo, where 91Mo decays to 91Nb with a half-life of 15.5min. To predict the amount of produced 91Nb the cross section of 92Mo(p, 2p) was measured. It was found to be higher than the value given by theoretical calculations with TALYS. Finally, 91Nb was chemically separated from the molybdenum carried at Paul-Scherrer- Institut, Villigen, Switzerland.
In-beam total absorption cross-section measurement of the reaction 91Nb(p,γ)92Mo with 2 MeV protons at FRANZ is planed with the produced 91Nb. A 4π BaF2 detector consisting of 41 crystals will be used. During this experiment we will measure the sum energy and the multiplicity of each event. The freshly produced 91Nb constitutes only a minor component of the sample material. The sum energy and multiplicity are crucial to distinguish the desired 91Nb(p,γ) from all the other more dominant reactions. The expected multiplicity and the efficiency of the setup were carefully simulated with DICEBOX and GEANT4. It was possible to show that background reactions can be effectively suppressed. The most important background contributions could be identified and result from 92Mo(p,γ), 19F(p,γ), and 19F(p,α).
