Published 2022 | Version v1
Miscellaneous

Neutron capture reactions of short-lived isotopes

Description

The origin of elements in the universe is attributed to a multitude of processes, that are located in both Big Bang and stellar scenarios. The knowledge of the involved reactions and reaction rates makes it possible to probe the underlying models and thus to make more precise statements about the plausibility of the scenarios. Some of these processes rely on neutron capture reactions in order to reach heavier elements. The activation method is a tool to determine the neutron capture reaction probabilty, provided the target nucleus has detectable radioactivity. The experimental investigation of a reaction with a short-lived product nucleus is a particular challenge, since most of the nuclei created during the activation have already decayed by the time of the measurement. An efficient method to achieve enough statistics for the observed reaction is the cyclic activation analysis, whereby irradiation and counting is repeated several times. Two different applications of cyclic activation were investigated in this thesis. A sample of radioactive 10Be, provided by the Paul Scherrer Institut Villigen was activated at the TRIGA research reactor of the Johannes Gutenberg - Universität Mainz. Using the cadmium difference method, it was possible to separate the thermal and epithermal components of the neutrons, thereby determining both the thermal capture cross section and the resonance integral for the 10Be(n,γ)11Be reaction. At the Institut für Kernphysik of the Goethe Universität Frankfurt, a quasistellar neutron spectrum corresponding to kBT ≈ 25 keV was generated via the 7Li(p,n)7Be reaction, using a Van - de - Graaff accelerator. The experimental infrastructure for automated cyclic activations was planned and commissioned. Utilizing this setup, the spectrum averaged neutron capture cross sections for multiple reactions were measured. The total capture cross section of the 19F(n,γ)20F reaction was determined. For the 45Sc(n,γ)46Sc reaction, the partial cross section into the 142.5 keV isomeric state was measured. The investigation of the 115In(n,γ)116In reaction provided the partial cross sections into the isomeric states at 289.7 keV and 127.3 keV and into the ground state. Using a hafnium sample, the partial capture cross sections into the 1147.4 keV isomeric state of 178Hf and into the 375 keV isomeric state of 179Hf were measured. A methodology for measurements and analysis using this setup was developed that can be applied to further cyclic activation experiments with different samples.

Availability note (English)

Available from: http://dx.doi.org/10.21248/gups.67778

Abstract (German)

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. Es wurde eine Methodik zur Messung und Auswertung mit diesem Aufbau entwickelt, die für weitere zyklische Aktivierungsexperimente mit anderen Proben angewendet werden kann.

Additional details

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Original title (German)
Neutroneneinfangsreaktionen kurzlebiger Isotope

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Imprint Pagination
114 p.