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Im Weltall existieren hunderte sehr helle Objekte, die eine hohe konstante Leuchtkraft im Wellenlängenbereich von Gammastrahlung besitzen. Die konstante Leuchtkraft mancher dieser Objekte wird in regelmäßigen Abständen von starken Ausbrüchen, den sogenannten X-Ray-Bursts, unterbrochen. Hauptenergiequelle dieser X-RayBursts ist der „rapid-proton-capture“-Prozess (rp-Prozess). Dieser zeichnet sich durch eine Abfolge von (p,γ)-Reaktionen und β+-Zerfällen aus, die die charakteristischen Lichtkurven produzieren. Für viele am Prozess beteiligte Reaktionen ist der Q-Wert sehr klein, wodurch die Rate der einzelnen Reaktionen von den resonanten Einfängen in die ungebundenen Zustände dominiert wird. Die Unsicherheiten in der Beschreibung der Lichtkurve sind derzeit aufgrund fehlender kernphysikalischer Informationen von vielen am Prozess beteiligten Isotopen sehr groß. Sensitivitätsstudien zeigen, dass dabei die Unsicherheiten der 23Al(p,γ)24Si-Reaktion eine der größten Auswirkungen auf die Lichtkurve hat. Diese werden durch ungenaue und widersprüchliche Informationen zu den ungebundenen Zuständen im kurzlebigen 24Si hervorgerufen.
Um Informationen über die Kernstruktur von 24Si zu erhalten, wurde am National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL), Michigan, USA, die 23Al(d,n)24Si Transferreaktion untersucht. Der in dieser Form erstmals umgesetzte Versuchsaufbau bestand aus einem Gammadetektor zur Messung der Übergangsenergien des produzierten 24Si, einem Neutronendetektor zur Messung der Winkelverteilung der emittierten Neutronen und einem Massensprektrometer zur Identifikation des produzierten Isotops. Mit diesem Aufbau, der eine Detektion der kompletten Kinematik der (d,nγ)-Reaktion ermöglichte, konnten folgende Erkentnisse gewonnen werden:
Aus der Energie der nachgewiesenen Gammas konnten die Übergänge zwischen den Kernniveaus von 24Si bestimmt und daraus die Energien der einzelnen Zustände ermittelt werden. Dabei konnte neben dem bereits bekannten gebundenen 2+-Zustand (in dieser Arbeit gemessen bei 1874 ± 2,9keV) und dem ungebundenen 2+-Zustand (3448,8 ± 4,6keV), erstmals ein weiterer ungebundener (4+,0+)-Zustand bei 3470,6 ± 6,2 keV beobachtet werden. Zusätzlich konnte die Diskrepanz, die bezüglich der Energie des ungebundenen 2+-Zustands aufgrund früherer Messungen bestand, beseitigt und die Energieunsicherheit reduziert werden.
Aus der Anzahl der nachgewiesenen Gammas konnten ebenfalls die (d,n)-Wirkungsquerschnitte in die einzelnen Zustände von 24Si bestimmt werden. Unter Verwendung der Ergebnisse von DWBA-Rechnungen konnte mithilfe dieser die spektroskopischen Faktoren berechnet werden. Für die angeregten Zustände musste dabei zwischen verschiedenen Drehimpulsüberträgen unterschieden werden. Mittels der Winkelverteilung der nachgewiesenen Neutronen konnte gezeigt werden, dass die Gewichtung anhand der theoretischen spektroskopischen Faktoren zur Berechnung der Anteile des jeweiligen Drehimpulsübertrags am gesamten Wirkungsquerschnitt für den entsprechenden Zustand gute Ergebnisse liefert. Für eine quantitative Bestimmung der spektroskopischen Faktoren der Zustände anhand der Neutronenwinkelverteilungen in 24Si war allerdings die Statistik zu gering. Für den Fall der deutlich häufiger beobachteten 22Mg(d,n)23Al-Reaktion konnte hingegen ein spektroskopischer Faktor für den 23Al-Grundzustand von 0,29 ± 0,04 bestimmt werden. Abschließend wurden die Auswirkungen der gewonnenen Erkenntnisse zur Kernstruktur von 24Si auf die Rate der 23Al(p,γ)-Reaktion untersucht. Dabei konnte aufgrund der besseren Energiebestimmung zum einen die Diskrepanz zwischen den Raten die auf Grundlage der beiden früheren Untersuchungen berechnet wurden und bis zu einem Faktor von 20 voneinander abweichen, beseitigt werden. Zum anderen konnte aufgrund der kleineren Unsicherheit in der Energiebestimmung der Fehlerbereich der Rate verkleinert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Unsicherheit in der neuen Rate von der Ungenauigkeit der Massenbestimmung der beiden beteiligten Isotope und damit dem Q-Wert der Reaktion dominiert wird. Durch eine bessere Bestimmung des Q-Werts könnte die Unsicherheit in der Rate aufgrund der neuen experimentellen Ergebnisse auf ein Zehntel gesenkt werden.
Der Verzehr von radioaktiv belasteten Pilzfruchtkörpern stellt ein Gesundheitsrisiko für den Menschen dar und auch fast 35 Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 sind Pilze aus Waldökosystemen zum Teil noch stark durch das ausgetretene radioaktive 137Cs belastet. Die Einschätzung der Belastung und somit des Gesundheitsrisikos ist aufgrund einer Vielzahl von Einflussfaktoren, wie z. B. der Pilzart, der Tiefe des Myzels, der Bodenkontamination und der Feuchtigkeit des Bodens, schwierig. Ziel dieser Arbeit war es die Variabilität, den Einfluss verschiedener Faktoren sowie die effektive Halbwertszeit der 137Cs-Aktivität in Pilzfruchtkörpern zu ermitteln. Des Weiteren wurde überprüft, ob die Bodenkontamination für eine Abschätzung der 137Cs-Aktivität von Pilzfruchtkörpern herangezogen werden kann. Für die Untersuchungen wurden über mehrere Jahre Proben von Maronenröhrlingen (Imleria badia) und Steinpilzen (Boletus edulis) aus vier Waldgebieten in Mittel- und Süddeutschland mit unterschiedlichem Aktivitätseintrag nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 analysiert. Die Gebiete waren Eichenzell, Wülfersreuth, Oberschönenfeld und der Nationalpark Bayerischer Wald. Als Ergänzung dienten zugesendete Proben derselben Pilzarten von Mitgliedern aus Pilzvereinen aus ganz Deutschland. Zusätzlich zu den Pilzproben wurden Bodenproben gemessen, um zum einen die aktuelle Bodenkontamination zu bestimmen und zum anderen zu überprüfen, ob der Großteil des 137Cs weiterhin im Bereich des Pilzmyzels zu finden ist.
Für die Untersuchung der örtlichen Variabilität der 137Cs-Aktivität wurden Maronenröhrlinge (Imleria badia) aus dem Waldgebiet Eichenzell in den Jahren 2017 bis 2019 analysiert. Innerhalb eines Sammeltages variierten die Messwerte verschiedener Proben innerhalb des Waldgebietes teilweise um den Faktor sechs. Dabei ist die Variabilität innerhalb eines Teilgebietes größer als zwischen beiden Teilgebieten des Waldgebietes Eichenzell. Für ein repräsentatives Ergebnis eines Gebietes ist es aufgrund der Variabilität erforderlich, eine ausreichende Menge an Fruchtkörpern zu analysieren.
Um die effektive Halbwertszeit der 137Cs-Aktivität in Maronenröhrlingen (Imleria badia) zu ermitteln, wurden Proben aus drei Waldgebieten über fünf bis neun Jahre analysiert. Die Wahl der drei Waldgebiete erfolgte anhand des 137Cs-Aktivitätseintrags nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986. Die Bodenkontaminationswerte variieren von 3.000 Bq/m² in Eichenzell über 12.500 Bq/m² in Wülfersreuth bis 35.000 Bq/m² in Oberschönenfeld. Die effektiven Halbwerts-zeiten liegen in einem engen Bereich von 5,2 bis 5,8 Jahre mit einem Mittelwert von 5,4 ± 0,3 Jahren. Damit reduziert sich die radioaktive Belastung der Pilzfruchtkörper in etwa fünfmal schneller als durch die rein physikalische Halbwertszeit des 137Cs von 30,08 Jahren. Durch die Hinzunahme von bereits im Jahr 1990 veröffentlichten Daten ergab sich eine längere effektive Halbwertszeit von 7,7 ± 0,6 Jahren.
Für die Untersuchung der zwei Einflussfaktoren Exposition des Sammelgebiets (Hangausrichtung nach Ost oder West) und Höhenlage wurden sowohl Maronenröhrlinge (Imleria badia) als auch Steinpilze (Boletus edulis) hinsichtlich der 137Cs-Aktivität gemessen, um die Auswirkung auf Pilzarten mit unterschiedlichem Akkumulationsvermögen zu analysieren. Als Untersuchungsgebiet diente der Nationalpark Bayerischer Wald, da dieser ein großes Gebiet umfasst und verschiedene Ausprägungen der beiden Faktoren abbildet. Zudem wurde das Gebiet in Folge der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl stark kontaminiert und der Park ist ein beliebtes Pilzsammelgebiet. Anhand der 137Cs-Aktivität von Bodenproben konnte das Gebiet in zwei Regionen (Cluster) eingeteilt werden: eine Region mit hohem und eine mit niedrigem Aktivitätseintrag. Im Vergleich wiesen Maronenröhrlinge (Imleria badia) durchschnittlich eine um den Faktor fünf höhere 137Cs-Aktivität als Steinpilze (Boletus edulis) auf. Der Faktor Höhenlage zeigte im Gegensatz zur Exposition einen Einfluss auf die Kontamination der Pilzfruchtkörper. In Bezug auf die Höhenlage war der Einfluss nur im Falle eines hohen Aktivitätseintrags signifikant, wobei die Pilzproben aus der niedrigsten Höhenlage am höchsten belastet waren.
Zur Ermittlung der vertikalen Verteilung des 137Cs im Boden wurden in den Waldgebieten Eichenzell und Nationalpark Bayerischer Wald Proben bis zu einer Tiefe von 24 cm entnommen und anschließend in 2 cm Schichten analysiert. Alle Verteilungen konnten mit einem Gauß-Fit oder einem multiplen Gauß-Fit mit 2 bis 3 Maxima abgebildet werden. Das erste Maximum lag in allen Fällen in den organischen Horizonten oder im Übergangsbereich zum Ah-Horizont. Folglich befindet sich der Großteil des 137Cs fast 35 Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl immer noch im Bereich des Pilzmyzels und kann somit von den Pilzen aufgenommen und in den Fruchtkörpern angereichert werden.
Der Vergleich der 137Cs-Aktivität der Pilz- und Bodenproben aus dem Nationalpark Bayerischer Wald ergab sowohl für Maronenröhrlinge (Imleria badia) als auch für Steinpilze (Boletus edulis) eine positive Korrelation. Nach Unterteilung der Proben anhand der Höhenlage zeigte sich eine noch stärkere Korrelation. Dies zeigt, dass neben der Bodenkontamination auch die Höhenlage einen Einfluss auf die 137Cs-Aktivität der Fruchtkörper hat.
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Starting from the first observation of the halo phenomenon 20 years ago, more and more neutron-rich light nuclei were observed. The study of unstable nuclear systems beyond the dripline is a relatively new branch of nuclear physics. In the present work, the results of an experiment at GSI (Darmstadt) with relativistic beams of the halo nuclei 8He, 11Li and 14Be with energies of 240, 280 and 305 MeV/nucleon, respectively, impinging on a liquid hydrogen target are discussed. Neutron/proton knockout reactions lead to the formation of unbound systems, followed by their immediate decay. The experimental setup, consisting of the neutron detector LAND, the dipole spectrometer ALADIN and different types of tracking detectors, allows the reconstruction of the momentum vectors of all reaction products measured in coincidence. The properties of unbound nuclei are investigated by reconstructing the relative-energy spectra as well as by studying the angular correlations between the reaction products. The observed systems are 9He, 10He, 10Li, 12Li and 13Li. The isotopes 12Li and 13Li are observed for the first time. They are produced in the 1H(14Be, 2pn)12Li and 1H(14Be, 2p)13Li knockout reactions. The obtained relative-energy spectrum of 12Li is described as a single virtual s-state with a scattering length of as = -22;13.7(1.6) fm. The spectrum of 13Li is interpreted as a resonance at an energy of Er = 1.47(13) MeV and a width of Gamma ~ 2 MeV superimposed on a broad correlated background distribution. The isotope 10Li is observed after one-neutron knockout from the halo nucleus 11Li. The obtained relative-energy spectrum is described by a low-lying virtual s-state with a scattering length as = -22.4(4.8) fm and a p-wave resonance with Er = 0.566(14) MeV and Gamma = 0.548(30) MeV, in agreement with previous experiments. The observation of the nucleus 8He in coincidence with one or two neutrons, as a result of proton knockout from 11Li, allows to reconstruct the relative-energy spectra for the heavy helium isotopes, 9He and 10He. The low-energy part of the 9He spectrum is described by a virtual s-state with a scattering length as = -3.16(78) fm. In addition, two resonance states with l 6= 0 at energies of 1.33(8) and 2.4 MeV are observed. For the 10He spectrum, two interpretations are possible. It can be interpreted as a superposition of a narrow resonance at 1.42(10) MeV and a broad correlated background distribution. Alternatively, the spectrum is being well described by two resonances at energies of 1.54(11) and 3.99(26) MeV. Additionally, three-body energy and angular correlations in 10He and 13Li nuclei at the region of the ground state (0 < ECnn < 3 MeV) are studied, providing information about structure of these unbound nuclear systems.
The subject of this thesis aimed at a better understanding of the spectacular X-ray burst. The most likely astrophysical site is a very dense neutron star, which accretes H/He-rich matter from a close companion. While falling towards the neutron star, the matter is heated up and a thermonuclear runaway is ignited. The exact description of this process is dominated by the properties of a few proton-rich radioactive isotopes, which have a low interaction probability, hence a high abundance.
The topic of this thesis was therefore an investigation of the short-lived, proton-rich isotopes 31Cl and 32Ar. The Coulomb dissociation method is the modern technique of choice. Excitations with energies up to 20 MeV can be induced by the Lorentz contracted Coulomb field of a lead target. At the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt, Germany, a Ar beam was accelerated to an energy of 825 AMeV and fragmented in a beryllium target. The fragment separator was used to select the desired isotopes with a remaining energy of 650 AMeV. They were subsequently directed onto a 208 Pb target in the ALAND/LAND setup. The measurement was performed in inverse kinematics. All reaction products were detected and inclusive and exclusive measurements of the respective Coulomb dissociation cross sections were possible.
During the analysis of the experiment, it was possible to extract the energy-differential excitation spectrum of 31Cl, and to constrain astrophysically important parameters for the time-reversed 30S(p,γ)31Cl reaction. A single resonance at 0.443(37) MeV dominates the stellar reaction rate, which was also deduced and compared to previous calculations.
The integrated Coulomb dissociation cross section of this resonance was determined to 15(6) mb. The astrophysically important one- and two-proton emission channels were analyzed for 32Ar and energy-differential excitation spectra could be derived. The integrated Coulomb dissociation cross section for two proton emission were determined with two different techniques. The inclusive measurement yields a cross section of 214(29stat)(20sys) mb, whereas the exclusive reconstruction results in a cross section of 226(14stat)(23sys) mb. Both results are in very good agreement. The Coulomb dissociation cross section for the one-proton emission channel is extracted solely from the exclusive measurement and is 54(8stat)(6sys) mb.
Furthermore, the development of the Low Energy Neutron detector Array (LENA) for the upcoming R3B setup is described. The detector will be utilized in charge-exchange reactions to detect the low-energy recoil neutrons from (p,n)-type reactions. These reaction studies are of particular importance in the astrophysical context and can be used to constrain half lifes under stellar conditions. In the frame of this work, prototypes of the detector were built and successfully commissioned in several international laboratories.
The analysis was supported by detailed simulations of the detection characteristics.
Ziel dieser Arbeit war, mittels einer (n,γ)-Aktivierung, 129Te zu erzeugen und eine Teilchenzahlbestimmung durchzuführen. Aktivierung der Probe am Forschungsreaktor TRIGA und Spektrenaufnahme mittels eines HPGe-Detektors erfolgten im Mai 2014 am Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg Universität in Mainz.
Die Teilchenzahl des Tochternuklids 129I kann anhand der Teilchenzahlen des Isomers und des Grundzustandes von 129Te berechnet werden. In den Aktivierungen #2 bis #6 wurden (14.27 ± 0.53)x10exp12 Iodnuklide erzeugt. Angegeben ist die maximal mögliche Anzahl von Iodteilchen bei unendlich langer Wartezeit und vollständigem Zerfall aller Tellurnuklide.
Beobachtet werden konnte die Abnahme der Grundzustandsaktivität bis zum Erreichen des Gleichgewichts aus Nachbevölkerung durch das Isomer und Zerfall. Die Grundzustandslinien der Energien von 459.60 keV, 487 keV, 1083 KeV und 1111 keV konnten zu dieser Untersuchung herangezogen werden. Diese 4 Linien erfüllen die erforderten Konsistenzkriterien bezüglich der Systematik und können daher zur Teilchenzahlbestimmung des Grundzustandes verwendet werden (Seite 31).
Der Einfluss der Eigenabsorption ist noch zu untersuchen, da die genaue Position der Probe im Polyethylenbehältnis nicht bestimmt werden konnte. Weiterhin ist die Datenanalyse der ersten Aktivierung aufgrund des Detektorwechsels noch nicht erfolgt. Der Austausch war wegen technischer Probleme notwendig. Ziel weiterführender Untersuchungen ist, eine erneute Halbwertszeitbestimmung des radioaktiven 129I vorzunehmen. Sie ist von Interesse, angesichts des Widerspruchs zweier Veröffentlichungen. Die Halbwertszeit des 129I kann Aufschluss über stellare Bedingungen des s-Prozesses geben.
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.
Within the nucleosynthetic processes of the slow neutron-capture reaction network (called the s process) the so called branching points, unstable isotopes where different nuclear reactions are competing, are important to understand . For modeling and calculating the nucleosynthesis and compare the resulting abundances to the observed ones, it is indispensable to know the branching ratios as well as the corresponding cross sections.
A great challenge in measuring those rates in experiments may be the radioactivity of the isotopes involved, which can make it nearly impossible to manufacture the needed targets. In addition, in stellar environments the excited states of isotopes can be in equilibrium with the ground state, affecting the half-lives and the branching ratios significantly. The isotope 152Eu is such a branching point, with neutron captures and β-decays competing. Those challenges were approached in the s405 experiment performed at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH: the challenge the challenge of the radioactivity can be approached by experiments carried out in inverse kinematics with radioactive beams, solving the problem of unstable targets. Also a reversed reaction was used to access the excited states of the studied isotope. The performed 152Sm(p,n)152Eu is a pioneering attempt to use those methods on heavy ions. The (p,n) reaction was used as a substitute for electron capture, the focus lies on reactions with low-momentum transfers, resulting in the emission of low-energy neutrons. The new developed low-energy detector array LENA was put to test for the fist time in the s405 experiment.
