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Correlation experiments in photon-induced nuclear fission

Peck, Marius (2020):
Correlation experiments in photon-induced nuclear fission.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00013374,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Correlation experiments in photon-induced nuclear fission
Language: English
Abstract:

The nuclear fission process is highly complex and proceeds in heavy actinide and trans-actinide nuclei either spontaneously or induced by various reactions. Photon-induced reactions are particularly well understood due to the well-known electromagnetic interaction and because only dipole and electric quadrupole excitations are possible. This dissertation presents three developments for correlation experiments in photon-induced nuclear fission and demonstrates the feasibility of such correlation experiments with bremsstrahlung and monochromatic photons in the entrance channel, measuring the full fission-fragment mass distribution with ionization chambers. First, to increase the experimental luminosity for in-beam experiments a multi-target Frisch-grid ionization chamber (FGIC) has been developed. Second, the pulse-height defect (PHD) in different gas mixtures of Ar and CF4 has been determined relative to the reference gas P-10. Third, a positionsensitive FGIC has been constructed that allows the azimuthal fragment emission angle to be determined.

The performance of the newly constructed multi-target FGIC, holding up to three targets simultaneously, was tested by an experiment utilizing bremsstrahlunginduced fission on 238U and 232Th at E0 = 8.5MeV, performed at the Darmstadt High-Intensity Photon Setup (DHIPS). Information on the mass, total kinetic energy (TKE) and polar angular distribution of the fission fragments was determined by means of the double kinetic energy technique and the drift-time method, whereas the average TKE of the fission fragments was calibrated relative to established data. The extracted pre-neutron mass distributions for 238U(γ,f) and 232Th(γ,f) are in good agreement with literature data. For the 232Th data an excellent agreement of the shape of TKE distribution with the shape of the literature data is observed. The measured angular distributions were fitted and parametrized by a function which describes the theoretically expected angular distribution. For 238U considerable E2 contributions are detected, whereas for 232Th a clear dipole pattern is evident.

The assessment of Ar+CF4 mixtures as a counting-gas in ionization chambers was conducted by using a twin FGIC and fission fragments emitted in 252Cf(sf). As fission fragments emitted in 252Cf(sf) are well studied, a reliable comparison with established data as a basis for a PHD calibration procedure was possible. A universal function describing the PHD in different mixtures of Ar+CF4 was found and was used to calculate pre-neutron mass and TKE distributions. An excellent agreement between average pre-neutron fission-fragment masses measured in all counting-gases and literature is demonstrated with deviations smaller than 0.25 amu. The TKE distributions are in good agreement with established data, and calculated ⟨TKE⟩ values are, within uncertainties, in good agreement with the recommended value of 184.15MeV. To build a more compact multi-target FGIC, one may profit from the high stopping power of the Ar+CF4 mixtures. However, a pressure dependence in the pulse-height data showed that with regard to stopping power no benefit is gained by using Ar+CF4 instead of P-10.

The performance of the position-sensitive FGIC was studied by investigating measured fission-fragment mass and TKE distributions as well as angular distributions from 238U(γ,f) at Eγ = 11.2MeV and Eγ = 8.0MeV excitation energy with linearly and circularly polarized γ-ray beams. The experiment was performed at the High Intensity γ-ray Source (HIγS), at the Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL). Fission-fragment mass and TKE distributions were studied by applying the double kinetic energy technique, and angular distributions were extracted by applying the drift-time method and the read-out of the position-sensing anode structure. Calculated pre-neutron mass and TKE distributions were compared to literature data yielding good agreement. The presented fission-fragment yield as a function of TKE and pre-neutron mass number was used to extract information of fission-mode weights for the standard modes, super-long and super-short mode. A predominant standard-2 mode contribution as expected from theory is evident. The extracted super-short mode contribution of 0.1% has not been observed before in reference data and might be the first evidence of the existence of the super-short mode in light actinides. The fission-fragment polar angular distribution for 238U(γ⃗cir,f) at Eγ = 11.2MeV was analyzed for various mass splits in the fragment pre-neutron mass distribution and is in very good agreement to literature data. The evidence for a working position-sensitive structure is provided by the successful measurement of the fission-fragment azimuthal angle φ, which was measured in coincidence to the polar angle θ. For nearly 100% polarized photons, a distinct anisotropic distribution is observed, with a minimum at φ = 90◦. Normalized values for the contribution of the dipole fission channels are calculated as σγ,f (1−, 0) = 0.484 ± 0.007, σγ,f (1−, 1) = 0.439 ± 0.019 and σγ,f (1+, 1) = 0.078 ± 0.019, using the measured angular distribution coefficients. Prompt fission neutrons (PFN) were measured in coincidence with fission fragments from 238U using four liquid scintillator neutron detectors arranged around the FGIC. Neutron and γ-ray signals are distinguished by means of pulse-shape discrimination and time-of-flight information. The total neutron number detected in each liquid scintillator detector, respectively, is in the order of magnitude of previous estimations. This demonstrates the feasibility to measure prompt-neutron observables in a thin-target in-beam experiment.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der komplexe Prozess der Kernspaltung verläuft für schwere Actinoidekerne und Trans-Actinoidekerne meist spontan oder induziert durch verschiedene Kernreaktionen. Besonders photon-induzierte Kernreaktionen sind durch die wohlbekannte elektromagnetische Wechselwirkung sehr gut verstanden. In dieser Dissertation werden drei Entwicklungen zum Studium von korrelierten, photon-induzierten Kernspaltungsexperimenten vorgestellt. Die Durchführbarkeit von solch korrelierten Experimenten wird durch die Messung von Massenverteilungen der entstehenden Spaltfragmente demonstriert, welche sowohl mit Bremsstrahlung als auch mit monochromatischen Photonen im Eingangskanal gemessen wurden. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit wird eine entwickelte Frisch-Gitter Ionisationskammer (FGIC), in welcher eine Mehrzahl von Spaltproben installiert werden kann um die experimentelle Luminosität von induzierten Kernspaltungsexperimenten zu erhöhen, und damit aufgenommene Daten präsentiert. Des Weiteren werden Ergebnisse des Studiums des Pulshöhendefekts (PHD) für verschiedene Gasgemische von Ar+CF4 relativ zu dem wohlbekannten Referenzgas P-10 dargestellt. Zuletzt werden Daten einer neu konstruierten positionssensitiven FGIC vorgestellt, welche es ermöglicht, den azimutalen Winkel emittierter Spaltfragmente zu bestimmen. Die Funktionalität der konstruierten Multi-Spaltprobenkammer, in welcher bis zu drei Spaltproben zeitgleich installiert werden können, wurde in einem bremsstrahlungsinduzierten Spaltexperiment an 238U und 232Th bei einer Energie von E0 = 8.5 MeV getestet. Das Experiment wurde am Darmstadt High-Intensity Photon Setup (DHIPS) durchgeführt. Dabei wurden die Massenverteilung, Verteilung der totalen kinetischen Energie (TKE) und polare Winkelverteilung der Spaltfragmente durch die Methode der doppelten kinetischen Energie und der Driftzeitmethode bestimmt, während die mittlere TKE der Fragmente relativ zu etablierten Daten kalibriert wurde. Die gemessenen Prä-Neutronenmassenverteilungen für 238U(γ,f) und 232Th(γ,f) stimmen gut mit Literaturwerten überein. Für die 232Th Daten kann eine exzellente Übereinstimmung der Form der TKE-Verteilung mit der Form von Literaturdaten beobachtet werden. Die gemessenen Winkelverteilungen wurden durch eine Funktion parametrisiert, welche den theoretisch erwarteten Verlauf beschreibt. Deutliche E2 Beiträge können für 238U beobachtet werden, während für 232Th eine klare Dipolstruktur vorliegt. Die Eignung mehrerer Ar+CF4 Gasgemische als mögliche Zählgase in Ionisationsdetektoren wurde unter Nutzung einer Zwillings-FGIC und Spaltfragmenten des spontanspaltenden 252Cf(sf) Prozesses durchgeführt. Da die Spaltfragmenteigenschaften von 252Cf(sf) bestens bekannt sind, war ein verlässlicher Vergleich mit etablierten Daten als Basis einer PHD-Kalibrationsmethode möglich. Eine universelle Funktion, welche den PHD in den unterschiedlichen Gasgemischen von Ar+CF4 beschreibt, wurde gefunden und dazu genutzt, Prä-Neutronenmassen- und TKE-Verteilungen zu bestimmen. Eine exzellente Übereinstimmung zwischen den gemessenen mittleren Prä-Neutronenspaltfragmentmassen und Literaturwerten liegt für alle untersuchten Zählgasgemischen vor. Die gemessenen TKE Verteilungen sind ebenfalls in guter Übereinstimmung mit Literaturdaten. Ein Aspekt der Verwendung von Ar+CF4 Gasgemischen als Zählgas in Ionisationskammern ist das Profitieren von einem höheren Gasbremsvermögen. Eine Gasdruckabhängigkeit in den Pulshöhendaten der FGIC zeigte allerdings, dass im Hinblick auf Gasbremsvermögen kein Nutzen aus der Verwendung von Ar+CF4 gegenüber P-10 Gas gewonnen werden kann. Die Funktionalität der positionssensitiven FGIC wurde sowohl durch die Untersuchung von Spaltfragment-massen- und TKE-Verteilungen, als auch durch das Studium von Winkelverteilungen von 238U(γ,f) bei Anregungsenergien von Eγ = 11.2MeV und Eγ = 8.0MeV mit linear und zirkular polarisierter Gammastrahlung untersucht. Das Experiment wurde an der High Intensity γ-ray Source (HIγS) des Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL) durchgeführt. Dabei wurden die Spaltfragmentmassen- und TKE-Verteilungen durch die Methode der doppelten kinetischen Energie detektiert. Die Winkelverteilungen wurden durch die Driftzeitmethode und das Auslesen der positionssensitiven Anodenstruktur extrahiert. Die berechneten Prä-Neutronenmassen- und TKE-Verteilungen zeigten eine gute Übereinstimmung mit Literaturwerten. Die präsentierte Spaltfragmentausbeute in Abhängigkeit von TKE und Prä-Neutronenmassenzahl der Fragmente konnte genutzt werden, um Informationen über die Spaltmodenverhältnisse der Standardmode, der superlangen Mode und der superkurzen Mode zu gewinnen. Wie zuvor von theoretischen Berechnungen vorhergesagt, konnte ein dominanter S2-Modenbeitrag beobachtet werden. Der extrahierte Beitrag der superkurzen Mode von 0.1% wurde bisher nicht in Referenzdaten beobachtet und könnte ein erster Hinweis auf die Existenz der superkurzen Mode in leichten Actinoidekernen sein. Die polare Winkelverteilung der Spaltfragmente für 238U(γ⃗cir,f) bei Eγ = 11.2 MeV wurde für diverse Massenbereiche analysiert und stimmt gut mit Referenzdaten überein. Der Beweis für eine funktionierende positionssensitive Anodenstruktur wurde durch die erfolgreiche Messung des Azimutwinkels φ der Spaltfragmente erbracht, welcher in Koinzidenz zum Polarwinkel θ gemessen werden konnte. Für die induzierte Spaltung mit nahezu 100% polarisierten Photonen konnte eine deutlich anisotrope Winkelverteilung mit einem Minimum bei φ = 90◦ beobachtet werden. Normalisierte Werte für den Beitrag der Dipolspaltkanäle konnten berechnet werden und ergaben die Werte σγ,f (1−, 0) = 0.484 ± 0.007, σγ,f (1−, 1) = 0.439 ± 0.019 und σγ,f (1+, 1) = 0.078 ± 0.019. Koinzident zu den Spaltfragmenten von 238U konnten prompte Spaltneutronen gemessen werden. Hierzu wurden vier Flüssigkristall-Neutronendetektoren um die positionssensitive FGIC platziert. Die induzierten Signale der Neutronen und γ-Strahlung wurden durch die Methode der Pulsformdiskriminierung und durch Flugzeitinformation separiert. Die gemessene totale Neutronenanzahl bestätigt die Größenordnung vorheriger Abschätzungen. Dies demonstriert die Machbarkeit, prompte Spaltneutronenobservable in Experimenten mit dünnen Spaltproben zu messen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 01 Sep 2020 11:26
Last Modified: 01 Sep 2020 11:26
DOI: 10.25534/tuprints-00013374
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-133745
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim and Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Refereed: 22 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13374
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  • Correlation experiments in photon-induced nuclear fission. (deposited 01 Sep 2020 11:26) [Currently Displayed]
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