Identification of Nilsson orbitals in the superdeformed minimum of _1hn2_1hn3_1hn7Pu [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Thomas James Morgan

Thomas Morgan

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Identification of Nilsson Orbitals in the
237Superdeformed Minimum of Pu
Thomas James Morgan
Munchen¨ 2008Identification of Nilsson Orbitals in the
237Superdeformed Minimum of Pu
Thomas James Morgan
Dissertation
an der Faklut¨at fur¨ Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Munc¨ hen
vorgelegt von
Thomas James Morgan
aus Munc¨ hen
Munc¨ hen, den 31.03.2008Erstgutachter: Prof. Dr. Dietrich Habs
Zweitgutachter: Prof. Dr. Otmar Biebel
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 27.05.2008Zusammenfassung
237Identifizierung von Nilsson Orbitalen im superdeformierten Minimum von Pu
In der vorliegenden Arbeit wird ein Experiment zur Spektroskopie im superdeformierten
2372.Minimumderdoppelh¨ockrigenSpaltbarrierevon Puvorgestellt,mitdemerstmalsineinem
Formisomer mit ungerader Neutronenzahl Einteilchenzust¨ande identifiziert und mit ihren Nils-
son-Quantenzahlen charakterisiert werden konnten. Nachdem in den gerade-gerade Nachbar-
236f 240f 240fkernen bereits Rotations- ( U und Pu) sowie Vibrationszust¨ande ( Pu) bekannt sind,
237wurden jetzt die beiden Spaltisomere von Pu (t = 115ns bzw. 1.12 μs) am K¨olner Tan-1/2
dem-Beschleuniger in einem γ-Spektroskopie-Experiment untersucht. Dabei wurden in der
235U(α,2n)-Reaktion mit einem gepulsten α-Strahl die Zust¨ande im 2. Minimum populiert.
Nach dem prompten Zerfall der angeregten Zust¨ande zum Grundzustand der Formisomere spal-
tet der Kern verz¨ogert mit der jeweiligen Halbwertszeit, die resultierenden Spaltfragmente wur-
den in einem eigens gebauten 4π Parallelplatten-Detektor nachgewiesen. Die extrem seltenen
isomeren γ-Zerf¨alle wurden in Koinzidenz zu den Spaltfragmenten mit dem hocheffizienten
MINIBALL Detektorsystem identifziert.
Das untergrundkorrigierte γ-Spektrum konnte in die Beitr¨age der beiden Formisomere zer-
legt und 9 Rotationsbanden konnten identifiziert werden, die auf den Grundzustandsbanden der
zwei Isomere aufbauen. Die Grundzustands-Spins der beiden Formisomere konnten zu I=5/2
(115ns-Isomer) und I=9/2 (1120ns-Isomer) bestimmt werden. Aus den 149 identifizierten γ-
237¨Uberg¨angenwurdefur¨ diebeidenSpaltisomerein PujeweilseineigenesNiveauschemaerstellt,
¨dessen Konsistenz durch den Nachweis verbindender γ-Uberg¨ange zwischen den Rotationsban-
den gestutzt¨ wird. Darub¨ erhinaus konnten die beiden isomeren Teil-Niveauschemata zu einem
gemeinsamenBildverknupft¨ werden,indemderGrundzustanddeslanglebigen9/2-Isomersnun
54.0(3)keV oberhalb des kurzlebigen 5/2-Isomers angesiedelt werden konnte. Das detaillierte
Niveauschema wurde mit Hartree-Fock-Bogoliubov Einteilchen-Rechnungen, sowie Rechnun-
gen im Rahmen des Nilsson-Modells und Woods-Saxon Potentials verglichen. Dieser Vergleich
erlaubte zum ersten Mal eine Identifizierung von Nilsson-Quantenzahlen im 2. Minimum von
+Aktinidenkernen. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Nilsson Einteilchen-Zust¨ande 5/2 [862]
+ 237 − −und 9/2 [624] fur¨ die beiden Isomeren-Grundzust¨ande in Pu und 3/2 [512] und 7/2 [514]
fur¨ zwei angeregte Bandenk¨opfe, anhand von Einteilchen-Rechnungen identifiziert, die erstmals
dendeformiertenSchalenabschlußN=146imzweitenPotentialminimumreproduzierenkonnten.
Die Identifizierung von Nilsson-Orbitalen im zweiten Minimum werden einen wichtigen Beitrag
zur Best¨atigung und Verbesserung von Kernmodellen liefern und es erm¨oglichen, die daraus
resultierenden Vorhersagen im Bereich der Superschweren Elemente insbesondere in Bezug auf
Spaltbarrieren von neutronenreichen Kernen entlang des r-Prozess-Pfades zu verbessern.
56
237Identification of Nilsson Orbitals in the Superdeformed Minimum of Pu
237Pu
prompt
fission
5
I II
4
-
7/2 [514]258 -3 3/2 [512]161 + isomeric
9/2 [624]54 + (delayed)0 5/2 [862] 2 fission
1
-0 7/2 [743] deformation
Inthisthesis,aspectroscopyexperimentinthesecondminimumofthedoublehumpedfission
237barrier of Pu is presented, in which, for the first time, single-particle states for a neutron-
rich shape isomer with odd neutron number were identified and characterised by their Nilsson
236f 240f 240fquantumnumbers. Whilerotational( Uand Pu)andvibrationalexcitations( Pu)had
already been identified earlier in the even-even neighbouring nuclei, now the fission isomers in
237Pu (t = 115ns/1.12 μs) were investigated in a γ-spectroscopy experiment at the Cologne1/2
235Tandem accelerator. Using the U(α,2n) reaction with a pulsed α beam, states in the second
minimum were populated. Following the prompt decay of excited states into the ground states
ofthetwoshapeisomers,thenucleusdecayswithitshalflife,theresultingfissionfragmentswere
detected in a specially built 4π parallel plate detector. The extremely rare isomeric γ decays
were measured in coincidence with the fission fragments using the highly efficient MINIBALL
spectrometer.
The background-subtracted γ-ray spectrum was disentangled into contributions from the
two shape isomers and 9 excited rotational bands were identified built on the ground states of
the two isomers. The ground state spins of the two shape isomers were determined to be I=5/2
(115ns isomer) and I=9/2 (1120ns isomer). From the 149 identified γ transitions, independent
237levelschemeswereconstructedforthetwofissionisomersin Pu. Theconsistencyoftheselevel
schemes was supported by the connecting γ transitions between rotational bands. Furthermore,
both level schemes could be combined to a common level scheme, in which the ground state of
the long-lived 9/2 isomer was placed 54.0(3)keV above the ground state of the short-lived 5/2
isomer. The resulting level scheme was compared to Hartree-Fock-Bogoliubov single-particle
calculations, Nilsson model and Woods-Saxon potential calculations. This comparison allowed
for the first time an assignment of the Nilsson quantum numbers. In the course of this thesis
+ +the 5/2 [862] and 9/2 [624] Nilsson single-particle states were identified for the ground states
237f − −of the two isomers in Pu aswell as 3/2 [512] and 7/2 [514] for excited rotational bands, for
the first time based on calculations reproducing the deformed magic neutron number N=146.
The identification of Nilsson orbitals will provide an important input for the validation and
improvement of theoretical nuclear models and will lead to improved predictions for fission
barriers and their extrapolations to neutron-rich heavy elements in the mass region of the r-
process path of the astrophysical nucleosynthesis.
gg
energy [MeV]Contents
Motivation 12
1 Introduction 15
2 Theoretical description of nuclear single particle states 25
2.1 Spherical shell model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Deformed shell model-Nilsson Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Woods-Saxon potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Relativistic Mean Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Hartree-Fock Bogoliubov calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Planning of the Experiment and Experimental Set up 43
237f3.1 Isomeric yield considerations for Pu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 Experimental set up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.1 MINIBALL Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 Parallel Plate Avalanche Counter (PPAC) array . . . . . . . . . . . . . . 47
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3.3 Readout electronics and data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Hardware trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5 The experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Preparation of experimental data 59
4.1 Event building . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 PPAC data calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 MINIBALL data calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 MINIBALL photopeak efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.2 time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.3 Background correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Extraction of experimental results 73
5.1 Disentanglement of the γ spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Isomer-specific γ-ray spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Search for rotational bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Angular distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
78 CONTENTS
6 Discussion of the experimental results 85
6.1 Construction of fission-isomeric level schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.2 Lifetime considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3 Comparison to theoretical single-particle level schemes . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.1 Early Woods-Saxon-type calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.2 Comparison of experimental results to Nilsson calculations . . . . . . . . 97
6.3.3 Relativistic Hartree-Fock Bogoliu