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F. Rejmund, M. Caama ño , X. Derkx , O. Delaune , C. Golabek ,

Isotopic distribution of fission fragments in multi-nucleon transfer reactions in inverse kinematics with VAMOS. F. Rejmund, M. Caama ño , X. Derkx , O. Delaune , C. Golabek , T. Roger, A. Navin, M. Rejmund, C. Schmitt, A. Shrivastava GANIL, France

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F. Rejmund, M. Caama ño , X. Derkx , O. Delaune , C. Golabek ,

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Presentation Transcript

  1. Isotopic distribution of fission fragments in multi-nucleon transfer reactions in inverse kinematics with VAMOS F. Rejmund, M. Caamaño, X. Derkx, O. Delaune, C. Golabek, T. Roger, A. Navin, M. Rejmund, C. Schmitt, A. Shrivastava GANIL, France G. Barreau,B. Jurado CENBG, France K.-H. Schmidt GSI, Germany B. Fernandez Liverpool Univ., UK D. Doré, S. Panebianco SPhN, France J. Benlliure, E. Casarejos, USC, Spain L. Audouin, C.-O. Bacri, IPNO, France L. Gaudefroy, J. Taieb CEA DIF, France Ministère De l’Enseignement et de la Recherche 2 actions 2 ans post-doc 9 mois post-doc 1/2 thèse 1 thèse flêchée

  2. transfer recoil glab~30° light fission fragment C target U beam heavy fission fragment fissioning system transfer • U, Np, Pu, Am, Cm • different E* fission • A: 90 - 150 • Z: 30 - 60 • q: 30 - 45 • E: 2 - 10 MeV/u transfer - fission ~ 100mbarn Angle de grazing ~35° fusion - fission ~ 1000mbarn inverse kinematics - restricted angular distribution<25° D.C. Biswas et al. PRC 56 (1997) 1926 Principle of the experiment Multi-nucleon transfer induced fission: systematic of fissioning systems Inverse kinematics: complete distribution of the fission fragments Spectrometer: isotopic identification of the fission fragments 238U + 12C @ 6.1 MeV/u

  3. Experimental set-up at VAMOS acceptance: • 14 deg Θ • ~ 3 deg Φ • 10 % Bρ ionization chamber 21 Si detectors drift chamber SeD drift chamber Eres at 20 deg dE X,Y ToF X,Y reconstruction • Bρ • Θlab, Φlab • Path M. Rejmund 20 deg • β, γ Aside E, dE, recoil angle SPIDER •KE •Z •M •M/q EXOGAM 238U beam

  4. Identification of the fissioning system with SPIDER 65 µm Si dE 1 mm Si E target-like recoil ∆Θ ~ 1deg ∆E* ~ 2 MeV Wide systematic of actinides High population of the 2p channel No isotopic identification Different channels can be estimated from the Qreac 238U (inelastic) and few % 237U (1n) 239Np (1p) and few % of 240Np (1p1n) ~ 70% of 240Pu (2p) and ~ 30% of 241Pu (2p1n) ~ 60% 243Am (3p2n) and ~ 40% of 244Am (3p3n) Eje Rec Q(MeV) (mb) 13C 237U -1.2 23 11B 239Np -10 25 10B 240Np -17 0.5 10Be 240Pu -15 10 9Be 241Pu -17 5 6Li 244Am -19 3

  5. Fission probability 2nd fission : fission after n emission (*) 238U(α,α’)f Burke et al., Phys. Rev. C 73, 054604 (*) ENDF Below fission barrier ! ! ! Preliminary results ! ! ! 2nd chance 1st chance

  6. Identification of fission fragments: Z dE ∝ (qeff)2/β2 f(β) qeff ∝ βZ^1/3 + qshift ∆Z/Z ≈ 1.5 ·10-2 Fragments range from Z ≈ 30 to Z ≈ 60 in an energy range of 600 MeV

  7. Isotopic resolution of fission fragments with VAMOS: A, A/q A = E/(γ-1) A/q = Bρ/(βγ) Fragment distribution from A ≈ 90 à A ≈ 150 ∆A/A ≈ 0.6·10-2

  8. Calibration of the identification with EXOGAM EXOGAM Z=44 Ru M=108 108Ru Identification non ambigue en A, Q et Z

  9. Velocity of fission fragments

  10. Fusion-inudced and transfer-induced fission E*~ 45 MeV Minor shell effect E*~ few MeV Shell effects dominants

  11. Isotopic yields for different transfer channel Isotopic identification (mass and charge) and kinetic energy of fission fragments over the entire fragment production is done for the first time.

  12. Perspectives  2010-2011: Repeat the experiment  identification isotopique des actinides  neutrons en coïncidence – SPhN  Longer term: 1. Enlarge stematic  other targets (more complex processes)  Other beams Th beam  Radioactive actinide beams produced in SPIRAL2 target, HIE Isolde 2. SOFIA@GSI, FELISE @ FAIR

  13. HiE ISOLDE: an opportunity for fissionists • 10 MeV/u actinide beams • Alreadyavailable: 200-228Rn, 10^3-10^8pps • 203-230Fr, 10^5-10^9pps • 208-230Ra 10^4-10^8pps • Possibility to extend to other actinides (Th,U,…) • Simple set-up to measurepreciselyelementyields as a function of excitation energy IC,E,ToF D Ac p telescope

  14. Additional diapositives

  15. Single particle and vibrational states in 133SnA. Navin, M. Rejmund et al.,

  16. RDDS lifetime measurement after fusion fissionA. Goergen et al., 7 x 90° 4 x 135° • focus on nuclei “in the valley” near Z  46 (where data is scarce) • obtain lifetimes in >50 isotopes • cover a wide range of lifetimes 134Te 18° Q 12C Q 238U, 6.15 MeV/u v2 D v1 116Pd Mg nuclear shapes in the transitional region are very complex • transition from deformed (Zr) to spherical (Sn) • transition from prolate to oblate along isotopic chain • triaxial shapes: rigid or gamma soft ? • sensitive test for configuration mixing calculations • suitable for approximations, e.g. E(5), IBM B(E2) values are key observables 62Fe RDDS spectra @VAMOS after multi-nucleon transfer in 238U+64Ni • obtain consistent data over wide range of isotopes and lifetimes in one experiment • extend lifetime data to: • higer spin • non-yrast states (gamma bands !) • more neutron-rich isotopes • odd-A nuclei: absolute B(M1) and B(E2) Cologne Plunger at VAMOS (E553)

  17. PF1 PF1 Distributions de masse expérimentales • Mass distribution n • Fission: phénomène macroscopique • Distribution des fragments fortement influencée par les effets de couche • Stabilisation des fragments lourds par les effets de couche dans les nombres de neutron E,ToF =>M dM/M ~2 A~140

  18. Description de la distribution des fragments de fission Goutte liquide : Fission symmétrique en fragments également déformés Effets de couches: Minima des courbes de potentiel sont modifiés Deformed shell Spherical shell Shell gap à N=86,88,92 ?? Toujours controversé! Taux de fragments de fission impossibles à prédire (AIEA a abandonné l’évaluation des Y(Z,A)

  19. Distributions isotopiques (Z,A) expérimentales • Spectromètre (Lohengrin, ILL) Mesure précise de A Mesure de Z avec une chambre à ionisation -Energie cinétique des fragments très basse =>méthode limitée aux fragments légers (pas d’information sur les effets de couche dans les fragments lourds) • Spectroscopie  • Rapports de branchement, isomères inconnus… • Distribution isotopique complète difficile à mesurer • Conclusions sur le rôle des neutrons restent incomplètes 238U(n,F) EXFOR Data tables

  20. Cinématique inverse:Fission électromagnétique de faisceaux secondaires distribution E* <E*> ~12 MeV pour tous les pré-actinides K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221

  21. Cinématique inverse : distribution en Z complète Z distribution TKE distribution Z, N moyen 233U Standard I : Z ~ 52.5 Standard II : Z ~ 55 232Pa AH=ZH+NH ZH/NH=ZC/Ac 228Pa 229Th • Charge constante moyenne: • Shell gap mouvant ? • Influence d’un nombre magique en protons ? Contradiction avec la compréhension générale de la distribution des fragments de fission 226Th 220Th Besoin de données en Z,A ! C. Böckstiegel et al. NPA 802 (2008) 12

  22. Multi-nucleon transfer reaction • High resolution of the fissioning system • Large range of transfer • Channels • 238U+12C • Eje Rec Q(MeV) (mb) • 13C 237U -1.2 23 • 14C 236U 1.8 8 • 11B 239Np -10 25 • 12B 238Np -13 5 • 13B 237Np -14 0.8 • 10Be 240Pu -15 10 • 9Be 241Pu -17 5 • 8Be 242Pu -12 5 • 11Be 239Pu -21 0.8 • 7Li 243Am -26 0.5 • 6Li 244Am -19 3 • 4He 246Cm -17 3 • 6He 244Cm -24 0.5 232Th(12C,8Be) 236U 234U(t,pf) 235U(n,f) 236U(12C,8Be) 240Pu 238Pu(t,pf) 239U(n,f) Cheifetz et al,,1981

  23. Transfer-induced fission reactions: wide range of fissioning systems • Neutron-rich actinides : 238U beam, 12C Target • Energy range 0-40 MeV

  24. Even-odd staggering in odd-Z nuclei Zero staggering at symmetry: Unpaired nucleon chooses both fragments with equal probability Negative staggering at asymmetry: unpaired nucleon chooses the heaviest fragment S. Steinhaüser, Nucl. Phys. A 634(1998)89 Evidence for the influence of the fission-fragment phase space

  25. Seeking for information.. • We propose to use multi-nucleon transfer induced fission in inverse kinematics in order to • Identify isotopic fission yields in complete fragment distribution • Define the fissioning system in excitation energy, mass, charge • Over a broad range of neutron-rich actinides • Study the structure effects as a function of excitation energy and fissioning nucleus • These data would complement GSI data • Important results on shell effects and pairing effects are expected !!

  26. Advantage of inverse kinematics • High radioactivity : • the production of samples for irradiation is difficult • (=>systematics in direct kinematics is limited) • Combined with a spectrometer • isotopic resolution of the full isotopic distribution • (light and heavy fragments) • in-flight measure of the isotopic distribution • (before beta decay) • Using transfer reaction to induce fission • precise knowledge of the excitation energy

  27. It is not a question of Q valueQ=M(F1)+M(F2)-M(CN) • Statistical consideration: P(Z1,Z2)  (Z1)(Z2) E (Ze)= (Zo)  Ze Ze Zo • Dependence with E* : e-o effect disappears very fast when pairing • is still present in binding energy (Ecrit>11MeV)

  28. Fission process: if the nucleus would be a simple liquid drop Liquid drop model: nucleus described as a drop of charged liquid E = Ev + ES + Ecb + Esym = - A + r02A2/3(1+2) + Z2/(r0A1/3(1+)) + (N-Z)2/A Bohr and Wheeler 1939 Fission barriers at 10% of the Evaluated up-to-date values J.-F. Berger, Ecole Joliot Curie 2006

  29. Transfer-induced fission in inverse kinematics@GANIL 12C 238U heavy FF FF recoil light FF

  30. Experimental isotopic distribution (Z,A) • Isotopic distribution • Spectrometer (Lohengrin, ILL) Precise measure of A - Ionisation Chamber ∆E=Z2/v2 -low kinetic energy of fission fragments =>limited to light fragments (no information on shell effects in heavy fragments) • Element yield • ZH=ZCN-ZL=54 Average proton number constant • AH=ZH+NH=140 Average mass constant • Theory Influence of neutron number • =>Influence of moving neutron shell gap? • =>Existence of proton shell gap? J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A

  31. Fluctuations paire-impaires dans les fragments de fission: une observable de la dissipation Effet pair-impair global z = Yze- Yzo/(Yze+Yzo) z =40% J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A

  32. Explication qualtitative des effets pair-imapirs Fission de noyaux pair: pas de fragment impair sans dissipation MeV Pairing gap 229Th+n 5 Eintr +Ecoll ? saddle scission 0 23090Th • Effet pair-impair : • une conséquence de la dissipation dans la descente -25 • L’amplitude des effets pair-impairs reflète la probabilité qu’aucune paire soit brisée à la scission

  33. Les effets pair-impairs dépendent de la fissilité du système Global even-odd effect z = Yze- Yzo Comme la répulsion Coulombienne au sein du noyau augmente, la forme au point selle devient de plus en plus compacte Saddle Th Saddle Cm Z2/ A1/3 La descente du point selle au point de scission augmente, comme Ediss, avec la fissilité

  34. Les effets pair-impair dépendent de la symétrie Effets pair-imapirs locaux: déviation d’une distribution Gaussienne Bilan energétique: Q = TKE + TXE TXE = Q - TKE = Edef(Z1) + Edef(Z2) + Eintr • Notions de: • Fission froide asymétrique, • <=>déformation extrême • Fission symétrique chaude • Pourtant associée à de grandes déformations (modèle de la goutte liquide) • Effets pair-impairs non mesurés à la symétrie

  35. Systématique sur les effets pair-impair S. Steinhaüser, PhD Thesis, TU Darmstadt, 1998 Effets pair-impairs constants pour les distributions symétriques Pourtant énergie d’excitation similaire, et fissilité basse =>Effet de l’asymétrie ?

  36. Yields Z Systématique sur l’effet pair-imapirs local Pour la première fois l’effet pair-impair est observé sur la distribution complète en Z, sur une large systématique de systèmes fissionants Symmetry: Z = 0.5 ZCN Asymmetry: Z = 54

  37. Effets pair-impair à la symétrie et à l’asymétrie • Fission e-m en cinématique inverse • Accès aux effets pair-impair à la symétrie pour la première fois • Effet pair-impair constant à la symétrie • forte influence de l’asymétrie sur l’amplitude de l’effet pair-impair p global p local asymmetry p local reachable sym Fission induite par n en cinématique directe -chute du  est provoquée par la chute de  local à l’asymétrie -chute de  avec la fissilité correspond à une perte progressive de l’asymétrie quand le noyau fissionant devient plus lourd F. Rejmund, Seminar on Fission, Corsendonk 2007, Wagemans M. Caamano, Proc. Int. Conf. Fission and Fission Fragment Spectroscopy, Sanibel, Florida, 2008

  38. A1,Z1 A2,Z2 TKE, evaporation Afiss, Zfiss,E* La fission : modèle de la goutte liquide saddle point E* energy Bf Q scission point deformation E = EV + ES + ECb + Esym = - aA + br02A2/3(1+2) + cZ2/(r0A1/3(1+)) + d(N-Z)2/A

  39. Influence de la structure en couche des nucléons • L’état fondamental n’est pas sphérique (si couche in complète) • Second minimum dans la PES à grande déformation(fission isomers) • Fission asymétrique es favorisée

  40. Distribution isotopique avec VAMOS : Z dE ∝ (qeff)2/β2 f(β) qeff ∝ βZ^1/3 + qshift ∆Z/Z ≈ 1.5 ·10-2 fragments identifiés de Z ≈ 36 à Z ≈ 60 dans une gamme d’énergie de 600 MeV

  41. Faisceaux secondaires: grande systématique K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221

  42. Description de la distribution des fragments de fission La théorie prédit -une barrière double et des isomères de fission -une fission asymétrique Standard I (N=82) et II (N~90) (asymétrie) Standard Superlong (symetrie) Une description précise manque car: -description complexe des paramètres de déformation -interaction nucléon nucléon à déformation extrême inconnue (shell gaps) Wilkins et al. PRC 14 (1976) 1832

  43. fusion-fission transfer-fission 238U+12C fission induite par transfert: perspectives -distributions en masse, charge et energie des fragments de fission en fonction of E* • Systématique des sections efficaces de fission duPaauCm • Identification isotopique dépend d’une stabilisation du signal identification isotopique(masse et charge) et mesure de l’énergie Sur la production entière des fragments est faite pour la première fois

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