Kernmodelle und ihre exp. Überprüfung

1. Kernmodelle und ihre exp. Überprüfung g-Spektroskopie Seminarvortrag - Thomas Perlitius

2. Motivation theo. Kernmodelle g-Spektroskopie empirische Eigenschaften

3. Gliederung des Vortrages • Detektoren und elektronische Geräte • Energiespektrum, Energie-Koinzidenzen • Lebensdauermessung und Abstrahl- charakteristik aus koinzidenten Ereignissen • Erzeugung angeregter Kerne • 4p-Detektoren (Gammasphere und AGATA)

4. Detektoren und elektronische Geräte

5. Wechselwirkungen mit Materie äußerer Photoeffekt abhängig von: - Energie - Kernladungszahl Compton- Streuung e-e+-Paar- Erzeugung

6. Szintillatoren • Szintillatormaterial: • anorganisch (gute Lichtausbeute) • organisch (kurze Abklingzeit)

7. Photomultiplier I • Es gibt Sättigungseffekt: • Dynoden-Abgriff für energie-proportionales Signal • Anoden-Abgriff für Zeitmessungen

8. Photomultiplier II • Bleioxidglas (mit BiO2 dotiert) • Kanaldurchmesser ~ 12 µm • großen endlichen Widerstand  Spannungsteiler • Zeitauflösung < 100 ps, gegenüber ~ ns bei disk. Dynoden

9. Halbleiterdetektoren pin-Struktur: größeres aktives Volumen durch intrinsischen Bereich • pn-Übergang • Erzeugung von Elektron- Loch-Paaren (Q ~ Eg) • Gegenspannung • Egap  E-Auflösung

10. Vergleich am Beispiel 60Co 1,17 MeV 1,33 MeV

11. Vergleich am Beispiel Luftfilter

12. Vergleich • Germanium-Detektoren: • bestmögliche Energieauflösung (bis zu 2 keV) • Kühlung erforderlich (z.B. mit Stickstoff, 77 K) • schlechtere Zeitauflösung (Anstiegszeit) • Szintillations-Detektoren: • Beliebige Größen realisierbar • hohe Nachweis-Empfindlichkeit • Günstig

13. Single-Channel-Analyzer (SCA)

14. Constant-Fraction-Diskriminator (CFD)

15. Koinzidenzeinheit • Antikoinzidenz, Zeitrelation, Kaskadierung, ... • bei komplexer werdenden Bedienungen ist eine elektronische Realisierung nicht mehr sinnvoll • Überprüfung der gleichzeitigen Anwesenheit mehrerer Signale

16. Time-Amplitude-Converter (TAC) • Bei Startsignal beginnt die Integration eines Konstantstromes • Integrierte Ladung (Spannung) ist proportional zur Zeit • Stoppsignal beendet Integration • Ausgang: analoger Puls entsprechender Höhe Multi-Channel-Analyzer (MCA) • Analog-Digital-Wandler (Amplitude  Digitalwert) • „Strichliste“: Wert und Häufigkeit des Wertes •  Histogramm

17. Energie-Spektrum und Energie-Koinzidenzen

18. Energie-Spektrum I 133Ba zerfällt in angeregtes 133Cs • Messbar sind (ohne Koinzidenztechnik): • Energien der g -Quanten • Relative Intensitäten der verschiednen g -Energien • Energiebreiten der Übergänge

19. Energie-Spektrum II 133Ba  133Cs Welche Energien kommen vor ?

20. Energie-Koinzidenzen I Trigger koinzidente g-Quanten Welche g-Emissionen sind miteinander koinzident ? Lebensdauern der Zwischenzustände: fs – ps – ns Ermöglicht Rückschlüsse auf die Anordnung der Energieniveaus.

21. Energie-Koinzidenzen II Welche g-Emissionen sind miteinander koinzident ? Koinzidenz-Matrix:

22. Energie-Koinzidenzen III • Erweiterte Energie-Koinzidenz-Technik: • Trigger-Signal • Energiewert wird mit Zeitmarke abgespeichert • digitale Vorverarbeitung der Daten reduziert Datenmenge • Mehrere Signal-Verarbeitungs-Module bzw. Detektoren benutzbar (4π-Spektrometer)

23. Energie-Koinzidenzen IV

24. Energie-Koinzidenzen V  Formulierung komplizierter Koinzidenzbediengungen

25. Energie-Koinzidenzen VI

26. Bestimmung von Lebensdauern und Abstrahlcharakteristiken aus koinzidenten Ereignissen

27. Lebensdauerbestimmung • Mit Koinzidenz-Technik: • Richtige Ereignisse selektieren • 356 keV g-Quant als Trigger • Messen nach welcher Zeit das 81 keV g-Quant emittiert wird •  Lebensdauer des Zwischen-Niveaus

28. Koinzidenzschaltung: Lebensdauer 356 keV 81 keV

29. Ergebnis der Messung exponentieller Verlauf  Lebensdauer

30. Abstrahlcharakteristik (gg-Kask.)

31. g g -Winkelkorrelation

32. Erzeugung angeregter Kerne

33. Erzeugung von schnell rotierenden Isotopen große Energie und hoher Spin Jahr ~ 107 s Erde ~ 1016 s  Die meisten Isotope kommen in der Natur nicht (mehr) vor.

34. Erzeugung angeregter Kerne Elastische Streuung: A + a  A* + a Inelastische Streuung: A + a  B* + b Fusion (Compond): A + a  C* ( B* + b)

35. Coulomb-Anregung • Abstand groß genug, so dass keine Kernkräfte wirken • Abstand einstellbar über Energie • stärke von Z des Projektilteilchens abhängig • minimaler Energieübertrag < 1% • Drehimpuls bis rund 35 h

36. Compond-Anregung • Projektilkern fusioniert mit dem Targetkern • großer Drehimpulsübertrag wegen rxp • große Anregungsenergie: Kernspaltung oder abdampfen von Nukleonen bis nur noch Rotationsenergie vorliegt • Reduzierung des Drehimpulses über g-Emissionen • Drehimpulse bis rund 70 h

37. 4p-Detektoren – „Gammashere“ und „AGATA“

38. Eigenschaften von 4p-Detektoren • Ziele: • kugelähnliche Form • hohe Raumwinkelabdeckung • möglichst viele gleiche Polygone • möglichst gleich große Polygone • Weitere Anforderungen: • Möglichkeit von Zusatz-Apparaturen / Detektoren • Ionenstrahl zur Erzeugung der zu untersuchenden Isotope 12 Pentagone, den Rest mit Hexagone auffüllen

39. Gammashere • 110 HPGe-Detektoren (insgesamt 180 Detektor-Segmente) • bessere Energieauflösung durch BGO-Anti-Compton-Shield • Ionenstrahl, zentrisches Target • viele Erweiterungsdetektoren

40. Gammashere - Detektoren

41. Gammashere – Anti-Compton-shield • BGO = Bi4Ge3O12 besitzt eine kurze Ansprechzeit • unterdrückt: Compton-Kante/Kontinuum, Escapepeaks, ... • PTR verbessert von 0,25 auf 0,6

42. AGATA • 180 Detektoren • 6780 Segmente • Triggerrate bis zu 1 MHz • 80% Raumwinkelabdeckung • Winkelbestimmung < 1°

43. AGATA The AGATA Detector Module consisting of (1) three 36-fold segmented Ge detectors (2) 111 preamplifiers, (3) a frame support (4) possible position of digital pulse processing electronics (5) fiber-optics read-out (6) a LN2 dewar (7) target position