Πειραματική μελέτη αντιδράσεων σύλληψης σωματιδίων α με σημασία στην πυρηνική αστροφυσική

Abstract

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή µετρήθηκαν οι ενεργές διατοµές επτά αντιδράσεων σύλληψης σωµατιδίου α σε ενέργειες µεταξύ 5 και 10 MeV και συγκεκριµένα των αντιδράσεων: 58N i(α,γ)62Zn, 60N i(α,γ)64Zn 64Zn(α,γ)68Ge, 66Zn(α,γ)70Ge, 68Zn(α,γ)72Ge 102Pd(α, γ)106Cd και 106Cd(α, γ)110Sn Οι ενεργές διατοµές των αντιδράσεων που µετρήθηκαν κυµαίνονται µεταξύ 0.5 µb και 1.5 mb. Οι µετρήσεις έλαβαν χώρα στο εργαστήριο του επιταχυντή Tandem Dynamitron στο Πανεπιστήμιο του Bochum. Για την ανίχνευση των εκπεµπόµενων ακτίνων γ χρησιµοποιήθηκε η διάταξη του κρυστάλλου NaI(Tl), όγκου 12′′ × 12′′ και γεωµετρίας 4π και εφαρµόστηκε η τεχνική των γωνιακά ολοκληρωµένων γ-μεταπτώσεων. Στις µετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν στόχοι στη µορφή λεπτών φύλλων οι οποίοι είχαν κατασκευαστεί στο πανεπιστήµιο της Κολωνίας. Οι στόχοι αυτοί µελετήθηκαν ως προς την σύστασή τους και µετρήθηκε η επιφανειακή τους πυκνότητα εφαρµόζοντας την τεχνική της φασµατοσκοπίας οπισθοσκέδασης Rutherford, χρησιµοποιώντας την διάταξη RBS του Ινστιτούτου πυρηνικής και σωµατιδιακής φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε ∆ηµόκριτος . Η παρούσα εργασία εντάσσεται στο ερευνητικό πρόγραµµα συστηµατικών µετρήσεων ενεργών διατοµών της οµάδας Πυρηνικής Αστροφυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε “∆ηµόκριτος” το οποίο αποσκοπεί, αρχικά, στον έλεγχο των πυρηνικών προτύπων οπτικού δυναµικού των πρωτονίων και σωµατιδίων α, των µοντέλων πυκνοτήτων πυρηνικών καταστάσεων καθώς και προτύπων συναρτήσεων ισχύος ακτίνων γ. Τα παραπάνω πρότυπα υπεισέρχονται στους υπολογισµούς ενεργών διατοµών µε την θεωρία Hauser-Feshbach, η οποία περιγράφει αντιδράσεις σύλληψης µέσω του λεγόµενου µηχανισµού δηµιουργίας σύνθετου πυρήνα. Ο έλεγχος στον οποίο θέλει να συµβάλει η παρούσα διατριβή είναι αναγκαίος για την κατανόηση ασυμφωνιών µεταξύ των παρατηρούµενων στο ηλιακό σύστηµα περιεκτικοτήτων µιας οµάδας πυρήνων γνωστών µε τον όρο p-πυρήνες (p-nuclei) και αυτών που προβλέπουν τα σχετικά µοντέλα περιγραφής του µηχανισµού δηµιουργίας τους (p process) σε εκρηκτικά αστρικά περιβάλλοντα. Στην διεργασία p, βαρύτεροι του σιδήρου πυρήνες που έχουν σχηµατιστεί µέσω της διεργασίας s (s process), οι οποίοι αναφέρονται ως πυρήνες σπόροι, ως επί το πλείστον φωτοδιασπώνται για το σχηµατισµό των p−πυρήνων. Το σενάριο σχηµα-τισµού των p−πυρήνων λαµβάνει χώρα σε αστρικά περιβάλλοντα θερµοκρασιών 1.8 − 3.3 T9, πλούσια σε πυρήνες σπόρους, και εξελίσσεται µέσω αντιδράσεων φωτο-διάσπασης νετρονίων, (γ,n), πρωτονίων, (γ,p), σωµατιδίων α, (γ,α) και αντίστροφων αντιδράσεων σύλληψης (n,γ), (p,γ) και (α,γ) σε συνδυασµό µε διασπάσεις β+ και αντιδράσεις σύλληψης τροχιακού ηλεκτρονίου. Η σύγκριση πειραµατικών δεδοµένων ενεργών διατοµών µε τις προβλέψεις των µοντέλων οπτικού δυναµικού, πυκνοτήτων πυρηνικών καταστάσεων και συναρτήσεων ισχύος ακτίνων γ είναι το πρώτο βήµα στην πραγµατοποίηση του ελέγχου που προαναφέρθηκε. Τα διάφορα πρότυπα OMP, NLD, γ-SF χρησιµοποιούνται για τον υπολογισµό ενός δικτύου αντιδράσεων περισσότερων από 20000 στον αριθµό στις οποίες συµµετέχουν πέραν των 2000 πυρήνων. Με βάση τα παραπάνω οι περιεκτικότητες των στοιχείων που προκύπτουν από την επίλυση του δικτύου αντιδράσεων εξαρτώνται µεταξύ άλλων από τα πρότυπα οπτικού δυναµικού, πυκνοτήτων πυρηνικών καταστάσεων και συναρτήσεων ισχύος ακτίνων γ και το ερώτηµα, στην απάντηση του οποίου η παρούσα διατριβή επιθυµεί να συµβάλει, είναι αν τα ισχύοντα µοντέλα οπτικού δυναµικού σωµατιδίου α είναι φερέγγυα για ακριβείς υπολογισµούς ενεργών διατοµών αντιδράσεων (α,γ), σε όλο το µήκος και πλάτος του χάρτη των ισοτόπων. Αν δηλαδή είναι δηλαδή οπτικά δυναµικά γενικευµένου και όχι τοπικού χαρακτήρα. Στην κατεύθυνση αυτή έχει ιδιαίτερη σηµασία να συγκρίνει κανείς πειραµατικά δεδοµένα ενεργών διατοµών (α,γ) αντιδράσεων σε µια όσο το δυνατόν ευρεία περιοχή µαζών, µε τους αντίστοιχους υπολογισµούς τόσο φαινοµενολογικών όσο και µικροσκοπικών προτύπων οπτικού δυναµικού σωµατιδίων α. Για τους παραπάνω λόγους στην παρούσα διατριβή τα πειραµατικά δεδοµένα συγκρίθηκαν µε θεωρητικούς υπολογισµούς που πραγµατοποιήθηκαν χρησιµοποιώντας την έκδοση 1.4 του κώδικα Talys. Στον κώδικα αυτό οι ενεργές διατοµές προσδιορίζονται µέσα από τη στατιστική θεωρία Hauser Feshbach και υπάρχει η δυνατότητα εφαρµογής είτε φαινοµενολογικών είτε μικροσκοπικών προτύπων για το οπτικό δυναµικό του σωµατιδίου α. Επιπλέον πραγµατοποιήθηκε σύγκριση δεδοµένων της βιβλιογραφίας για αντιδράσεις (α,γ), (α,p), (α,n) και (n,α) µε θεωρητικούς υπολογισµούς, χρησιµοποιώντας τα προαναφερθέντα πρότυπα. Με την υλοποίηση της παρούσας εργασίας προέκυψαν τα παρακάτω συµπεράσµατα : 1) Η τιµή της ενεργού διατοµής αντιδράσεων (α,γ) εξαρτάται ισχυρά από την επιλογή προτύπου οπτικού δυναµικού σωµατιδίου α-πυρήνα σε χαµηλές ενέργειες, όπου είναι κλειστά άλλα πιθανά κανάλια εξόδου, 2) Σε µεγαλύτερες ενέργειες η ενεργός διατοµή εξαρτάται τόσο από το πρότυπο πυκνότητας πυρηνικών καταστάσεων όσο και τη συνάρτηση ισχύος ακτίνων-γ, 3) Το ηµι-µικροσκοπικό πρότυπο OMPIII των Demetriou et al, έρχεται σε καλύτερη συµφωνία σε σχέση µε τα άλλα πρότυπα µε το σύνολο των αντιδράσεων που µελετήθηκαν στην παρούσα εργασία. Το πρότυπο αναπαράγει ικανοποιητικά τα δεδοµένα ειδικά στις χαµηλότερες ενέργειες όπου η επίδραση των άλλων παραµέτρων µετριάζεται, 4) Το OMPIII αναπαράγει επίσης τα δεδοµένα των περισσότερων αντιδράσεων από το σύνολο της βιβλιογραφίας, όµως σε πολλές περιπτώσεις διαπιστώνονται αποκλίσεις.

The present work involves cross section measurements of seven alpha particle capture reactions in the energy range 5-10~MeV, specifically the reactions studied are: 58N i(α,γ)62Zn, 60N i(α,γ)64Zn 64Zn(α,γ)68Ge, 66Zn(α,γ)70Ge, 68Zn(α,γ)72Ge 102Pd(α, γ)106Cd και 106Cd(α, γ)110Sn. The measured cross sections ranged between 0.5μb and 1.5 mb. The measurement of such small cross sections requires the use of efficient detection systems as well as high alpha particle beam currents. The measurements were performed at the Dynamitron Accelerator laboratory of the University of Bochum (RUBION). For the detection of the emitted γ-rays, the γ-ray angle integrated technique was applied by using the 12''x12'' NaI(Tl), 4π, summing crystal. During the measurements highly enriched targets were bombarded by He ions, these targets were manufactured at the university of Cologne and were rolled in the form of thin self supporting foils. The composition and the areal density of these targets, was measured by applying the Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) technique using the RBS setup of the Tandem Laboratory of NCSR "Demokritos". This work is a part of a research program involving systematic reaction cross section measurements, carried out by the Nuclear Astrophysics group of NCSR "Demokritos" at energies far below the Coulomb barrier. This program aims, firstly, at testing the models developed so far for the optical model potential (OMP) for protons or alpha particles and the nuclear level densities (NLD). The aforementioned models along with other parameters, such as the γ-ray strengh function (γ-SF), enter in cross section calculations by Hauser-Feshbach theory, which describes capture reactions through the so called "compound nucleus reaction" mechanism. The check that the present work aims to contribute is necessary for the understanding of the deviations between the observed solar system isotopic abundances of a group of nuclei known as "p-nuclei", and those abundances predicted by models developed for the description of the mechanism that is responsible for their creation ("p-process") at explosive stellar environments. In p-process nuclei heavier than iron are involved, that are produced by the so called "s-process", and are referred as "seed" nuclei. The scenario of the synthesis of p nuclei takes place at stellar environments of temperatures in the range 1.8-3.3 x109 K, enriched in seed nuclei, and evolves through photodisintegration reactions of neutron (γ,n), proton (γ,p), and alpha particle (γ,α), along with the inverse capture reactions (n,γ), (p,γ) and (α,γ), followed by β+ decays or electron capture reactions. The comparison of experimental cross sections data with the predictions of optical model potentials, nuclear level densities and γ-ray strength functions is the first step for the of the check mentioned above. The several models OMP, NLD and γ-ray strength functions are used in the solution of a reaction network of more than 20000 reactions involving more than 2000 nuclei.} According to the above, the isotopic abundances calculated by solving the reaction network depend, among others, on the OMP, NLD and γ-SF models and the query, the answer of which the present work aims to contribute, is if the current α particle optical model potentials are trustworthy for accurate cross section calculations of (α,γ) reactions, along the entire range of the table of isotopes. If namely, are global and not local optical potentials. In this direction it is of great importance the comparison of experimental cross section data of (α,γ) reactions within an as broad mass range as possible, with the corresponding calculations of both phenomenological and microscopic alpha particle OMP. In the present study the experimental data were compared with theoretical calculations carried out using the version 1.4 of TALYS code. In this code the cross sections are calculated by the Hauser-Feshbach theory. In addition to the cross section measurements performed in this work, furthermore, a comparison of almost all the available data from literature was held. The implementation of this study resulted the following remarks: 1) The calculated (α,γ) reaction cross sections show strong dependence on the alpha particle OMP parameter. Specifically at energies lower than the energy threshold for neutron emission (α,n), the calculations are almost independent from the NLD and γ-SF models. At these energies a comparison of the different α-OMP models can be held, 2) The comparison showed a fairly good agreement with the OMPIII model. This agreement was observed for all the cross sections measured in the present work. The model can successfully reproduce the data, especially at lower energies were the influence of the other parameters is moderated. 3) At energies close or higher than the neutron emission energy threshold the calculated cross sections depend strongly also on NLD and γ-SF models. At these higher energies none unique models combination was observed being able to reproduce all the experimental data. 4) The OMPIII model can successfully reproduce the bulk of literature data. However, additional experimental data, in particular of capture reactions extending at higher mass regions (A>100), are needed so as to compare the predictions of the model and test if it is trustworthy to extend the calculation at regions of the table of isotopes where there are no data available.