TU Darmstadt / ULB / TUprints

Nucleon-knockout Reactions from Neutron-deficient Carbon Isotopes and Characterization of a Particle Detector Combination for the Super-FRS at FAIR

Schlemme, Steffen Erich (2019):
Nucleon-knockout Reactions from Neutron-deficient Carbon Isotopes and Characterization of a Particle Detector Combination for the Super-FRS at FAIR.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

This is the latest version of this item.

[img]
Preview
Dissertation_Steffen+Erich+Schlemme_final1.pdf - Text (PDF (Tex) Dokument)
Dissertation_Steffen+Erich+Schlemme_final1.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commercial.

Download (52MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nucleon-knockout Reactions from Neutron-deficient Carbon Isotopes and Characterization of a Particle Detector Combination for the Super-FRS at FAIR
Language: English
Abstract:

Nuclear structure far from stability show unpredicted and very interesting effects, like deformation and halos. A thorough and unified understanding of these observations is needed to comprehend the nuclear many-body problem and the force between the nuclear constituents.

Since the middle of the 20th century the nuclear shell model is used to describe nuclear structure. Single-nucleon removal cross sections depend on the state in which the removed nucleon resided. Thus, the quality of a model prediction can be probed by comparing theoretical cross sections with experimental results. Previous measurements indicate that the reduction factor between theoretical and experimental cross sections decreases for an increasing asymmetry between proton and neutron number. Cross sections of one-neutron removal from 10C, 11C, 12C and one-proton removal from 9C were determined in inverse kinematics. At the fragment separator FRS at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung at about 1670 MeV/nucl. reaction residues were separated and identified The removal reactions yielded the cross sections sigma_exp of sigma_exp(12C-n) = 49.44 +/- 0.88 mb, sigma_exp(11C-n) = 24.44 +/- 0.21 mb, sigma_exp(10C-n) = 20.21 +/- 0.28 mb, sigma_exp(9C-p) = 51.10 +/- 1.35 mb and reduction factors R_s = sigma_exp/sigma_th, when compared to theoretical values obtained using the eikonal approximation, of R_s(12C) = 0.51 +/- 0.01, R_s(11C) = 0.47 +/- 0.01, R_s(10C) = 0.46 +/- 0.03, R_s(9C) = 1.00 +/- 0.03. With the exception of the proton removal, R_s is almost independent from the neutron-to-proton ratio. Beyond the reduction factor, shell model eikonal approximation describe the data well. While a decreasing trend for increasing neutron deficiency was found, the evolution is still flat. Comparisons of the theoretical momentum transfer from the removed nucleon to the reaction residue showed a consistency when compared to the experimentally measured momentum distribution of the residues, proving the eikonal approximation to be correct for modeling the knock out process.

At GSI a new accelerator facility, the facility for antiproton and ion research (FAIR), is under construction aiming at the delivery of higher beam energies and intensities. That will allow to investigate more exotic ions, hitherto not accessible in experiments or only at low statistics. Higher intensities lead to higher demands on the future detectors, placed along the beam line near the production target in front of the Super-FRS. Particle detector combinations (PDC) consisting of different detectors for different ion-intensity levels are used to monitor the ion flux.

In the framework of this dissertation, prototypes of an ionization chamber (IC) and a secondary-electron monitor (SEM) constructed for FAIR, as well as different designs of single- and polycrystalline diamond detectors were studied. Functionality and performance of all detectors were investigated with a quasi-continuous 12C beam at 62 MeV/nucl. at intensities in the order of 10^5 - 10^7 particles per second. A spilled 124Xe beam at 200 MeV/nucl. with intensities in the order of 10^3 - 10^6 ions per spill was used to investigate the lowest reachable uncertainty when calibrating the IC-prototype. All investigated detectors showed full functionality and a linear response with respect to different beam intensities. A calibration of the IC-prototype within an uncertainty of below 1% was possible. The SEM shows a linear response when compared to intensities of the carbon beam down to 150kHz. A direct calibration of the SEM, using a single-crystal diamond detector as reference, yielded an uncertainty of about 5.1%. The single-crystal diamond detector features a count efficiency of 100% versus a plastic scintillator. No signs of radiation damage were visible before absorbing a dose of about 25 kGy. The polycrystalline diamond detectors exhibits a counting efficiency of 95 +/- 2 % at intensities up to 700 kHz and a rate-dependent decrease of counting efficiency at higher intensities. On the other hand no significant signs of radiation damage were found after depositing a dose of above 4 MGy.

Thus, all of the investigated detectors are suitable to be used as part of a FAIR-PDC. Using a polycrystalline diamond detector as reference detector for the calibration process will reduce the frequency of physical access of the beam line for maintenance. Periodic efficiency checks of the polycrystalline diamond detector, using a single-crystal diamond detector, will guarantee a low uncertainty of the obtained count rates. A calibration of the IC to high accuracy has been demonstrated. The accuracy of the rate determined from the SEM was limited due to the low charge of the beam used in the tests and is expected to improve with the high-Z beams at FAIR.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Kernstruktur fern der stabilen Isotope zeigt nicht vorhersagbare und sehr interessante Effekte, wie Deformation und Halo-Kerne. Ein vollständiges und einheitliches Verständnis dieser Beobachtungen ist benötigt um Viel-Körper-Effekte und die Kräfte zwischen nuklearen Komponenten besser zu verstehen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wird das nukleare Schalenmodell benutzt um Kernstruktur zu beschreiben. Die Wirkungsquerschnitte von Ein-Nukleon Knockout Reaktionen hängen vom Zustand ab in dem sich das Nukleon vor der Reaktion befand. Daher kann die Aussagekraft von theoretischen Modellen überprüft werden, indem theoretische und experimentell gemessene Ergebnisse verglichen werden. Frühere Messungen deuten darauf hin, dass der Reduktionsfaktor zwischen theoretischen und experimentellen Wirkungsquerschnitten mit zunehmender Asymmetrie zwischen Protonen- und Neutronenzahl abnimmt. Wirkungsquerschnitte von Ein-Nukleon Knockout von (10-12)C und Ein-Proton Knockout von 9C wurden in inverser Kinematik bestimmt. Im Fragment Separator FRS im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung wurden Reaktionsprodukte bei Energien von etwa 1670 MeV/nukl. separiert und identifiziert. Die untersuchten Reaktionen lieferten die Wirkungsquerschnitte sigma_exp: sigma_exp(12C-n) = 49.44 +/- 0.88 mb, sigma_exp(11C-n) = 24.44 +/- 0.21 mb, sigma_exp(10C-n) = 20.21 +/- 0.28 mb, sigma_exp(9C-p) = 51.10 +/- 1.35 mb. Im Vergleich mit theoretischen Werten die auf der Eikonal Näherung basieren, wurden folgende Reduktionsfaktoren R_s = \sigma_exp/sigma_th bestimmt: R_s(12C) = 0.51 +/- 0.01, R_s(11C) = 0.47 +/- 0.01, R_s(10C) = 0.46 +/- 0.03, R_s(9C) = 1.00 +/- 0.03. Mit Ausnahme des Ein-Proton Knockouts ist R_s nahezu unabhängig vom Proton-Neutron-Verhältnis. Abgesehen vom Reduktionsfaktor beschreiben die Schalenmodell Berechnungen in der Eikonal Näherung die Daten gut. Zwar wurde ein leicht abnehmender Trend des Reduktionsfaktors für zunehmenden Neutronenmangel gefunden, aber die Entwicklung der Faktoren ist weiterhin flach. Vergleiche des Impulsübertrags vom entfernten Nukleon zum Reaktionsprodukt zeigten eine Übereinstimmung mit der experimentell gemessenen Impulsverteilung und bestätigen damit, dass die Knockout-Reaktion mit den Annahmen der Eikonal Näherung korrekt modelliert wird. Bei der GSI ist eine neue Beschleunigeranlage, die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), im Bau. Diese Anlage zielt auf höhere Strahlenergien und Intensitäten ab. Dadurch soll die Erforschung von exotischen Ionen ermöglicht werden, die zum jetzigen Stand in Experimenten nicht oder nur bei sehr niedriger Statistik erzeugt und identifiziert werden können. Höhere Strahlintensitäten verlangen von den Detektoren entlang der Strahlführung beim Produktionstarget am Eingang des Super-FRS höheren Anforderungen stand zu halten. Teilchen Detektor Kombinationen (PDC), bestehend aus verschiedenen Detektoren, die jeweils bei verschiedenen Intensitäten arbeiten, werden benutzt um den Ionenfluss zu messen. Innerhalb des Umfangs dieser Dissertation wurden Prototypen einer Ionisationskammer (IC) und eines Sekundärelektronen Monitors (SEM), die für FAIR entwickelt wurden, als auch mono- und polykristalline Diamant Detektoren getestet. Die Funktionalität und Leistungsfähigkeit aller Detektoren wurde untersucht im Fall der Bestrahlung mit einem quasi-kontinuierlichen 12C Strahl mit 62MeV/nukl. und Intensitäten in der Größenordnung von 10^5 - 10^7 Teilchen pro Sekunde. Ein gespillter 124Xe Strahl mit 200 MeV/nukl. und Intensitäten von 10^3 - 10^6 Teilchen pro Spill wurde genutzt um die niedrigst mögliche Unsicherheit der Kalibrierung des IC-Prototypen zu bestimmen. Alle untersuchten Detektoren bewiesen ihre volle Funktionalität und eine lineare Antwort in Abhängigkeit zu verschiedenen Strahlintensitäten. Eine Unsicherheit der IC-Kalibrierung von unter 1% wurde erreicht. Der SEM zeigte eine lineare Antwort für Intensitäten des Kohlenstoffstrahls größer als 150 kHz. Eine direkte Kalibrierung des SEM mit einem monokristallinen Diamant Detektor als Referenz lieferte eine Unsicherheit von etwa 5.1%. Der monokristalline Diamant Detektor bewies eine Zähleffizienz von 100% im Vergleich mit einem Plastik Szintillator. Erste Zeichen von Strahlungsschäden wurden nach Absorbieren einer Dosis von etwa 25 kGy sichtbar. Der polykristalline Diamant Detektor zeigte eine Zähleffizienz von 95 +/- 2 % bei Intensitäten bis zu 700 kHz und eine intensitätsabhängige Abnahme der Effizienz für höhere Intensitäten. Andererseits zeigte dieser Detektor keine Strahlungsschäden nach Absorption einer Dosis von über 4 MGy. Zusammenfassend haben alle untersuchten Detektoren ihre Eignung als Bestandteil einer FAIR-PDC bewiesen. Die Nutzung des polykristallinen Diamond Detektors als Referenz Detektor für die Kalibrierung von IC und SEM wird die Häufigkeit des Zutritts der Stahlführung für Instandhaltungsarbeiten reduzieren. Regelmäßige Überprüfungen der Effizienz des polykristallinen Diamant Detektors mit einem monokristallinen Diamant Detektor wird eine niedrige Unsicherheit der gemessenen Zählraten gewährleisten. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Kalibrierung des IC-Prototypen mit einer hohen Genauigkeit möglich ist. Die Genauigkeit der Zählraten, die mit dem SEM gemessen wurden, war durch die niedrige Ordnungszahl des im Testexperiment genutzten Kohlenstoffstrahls limitiert. Eine höhere Genauigkeit ist erwartet, wenn der SEM mit Ionen höherer Ordnungszahlen bestrahlt wird.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 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 > Experimental Nuclear Structure Physics with Exotic Ion Beams
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 19 Aug 2019 13:51
Last Modified: 09 Jul 2020 02:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88439
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim and Kröll, Prof. Dr. Thorsten
Refereed: 28 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8843
Export:

Available Versions of this Item

Actions (login required)
View Item View Item