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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. ShrivastavaGANIL, France - PowerPoint PPT Presentation
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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, FranceK.-H. Schmidt GSI, GermanyB. Fernandez Liverpool Univ., UKD. Doré, S. Panebianco SPhN, FranceJ. Benlliure, E. Casarejos, USC, SpainL. Audouin, C.-O. Bacri, IPNO, FranceL. Gaudefroy, J. Taieb CEA DIF, France
2 actions 2 ans post-doc 9 mois post-doc 1/2 thèse
MinistèreDe l’Enseignement et de la Recherche
1 thèseflêchée
Principle of the experiment
Multi-nucleon transfer induced fission: systematic of fissioning systemsInverse kinematics: complete distribution of the fission fragmentsSpectrometer: isotopic identification of the fission fragments
238U + 12C @ 6.1 MeV/u
transfer recoil glab~30°
fissioning system
U beam
heavy fission fragment
light fission fragment C target
transfer - fission~ 100 mbarn
Angle de grazing ~35°
fusion - fission~ 1000 mbarn
transfer• U, Np, Pu, Am, Cm• different E*
fission• A: 90 - 150 • Z: 30 - 60• q: 30 - 45 • E: 2 - 10 MeV/u
D.C. Biswas et al. PRC 56 (1997) 1926
inverse kinematics- restricted angular distribution<25°
reconstruction
Experimental set-up at VAMOS
21 Sidetectors
ionization chamber
drift chamber
drift chamber
SeD
SPIDER
Aside
Eres
X,Y
X,YToF
dE
E, dE, recoil angle
acceptance: • 14 deg Θ• ~ 3 deg Φ
• 10 % Bρ
20 deg
at 20 deg
• Bρ• Path • Θlab, Φlab
•M •M/q•Z•KE
• β, γ M. Rejmund
238U beam EXOGAM
65 µm Si dE1 mm Si E
∆Θ ~ 1deg∆E* ~ 2 MeV
target-like recoil
Identification of the fissioning system with SPIDER
Wide systematic of actinidesHigh population of the 2p channelNo 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 2311B 239Np -10 2510B 240Np -17 0.510Be 240Pu -15 109Be 241Pu -17 56Li 244Am -19 3
)(
)(E/)()( 12
actinidevamos12
*
238
238
allC
fissionCEP
U
U
f
Ω=
2nd fission :
fission after n emission
Below
fission barrier
2nd chance1st chance
! ! ! Preliminary results ! ! !! ! ! Preliminary results ! ! !
(*) 238U(α,α’)f Burke et al., Phys. Rev. C 73, 054604
(*) ENDF
Fission probability
Fragments range from Z ≈ 30 to Z ≈ 60 in an energy range of 600 MeV
∆Z/Z ≈ 1.5 ·10-2
Identification of fission fragments: Z
qeff β∝ Z^1/3 + qshift
dE (∝ qeff)2/β2 f(β)
A/q = Bρ/(βγ)
A = E/(γ-1)
∆A/A ≈ 0.6·10-2
Fragment distribution from A ≈ 90 à A ≈ 150
Isotopic resolution of fission fragments with VAMOS: A, A/q
Identification non ambigue en A, Q et Z
Calibration of the identification with EXOGAM
Z=44 Ru
M=108 108Ru
EXOGAM
Velocity of fission fragments
Fusion-inudced and transfer-induced fission
E*~ 45 MeVMinor shell effect E*~ few MeV
Shell effects dominants
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.
Perspectives
2010-2011: 1. 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
Isolde2. SOFIA@GSI, FELISE @ FAIR
HiE ISOLDE: an opportunity for fissionists
D
Ac
p
IC,E,ToF
telescope
Additional diapositives
Single particle and vibrational states in 133SnA. Navin, M. Rejmund et al.,
RDDS lifetime measurement after fusion fissionA. Goergen et al.,
D
18° 238U, 6.15 MeV/u
116Pd
12C
Mgv1
v2
4 x 135°7 x 90°
134Te
Cologne Plunger at VAMOS (E553)
focus on nuclei “in the valley” near Z 46 (where data is scarce) obtain lifetimes in >50 isotopes cover a wide range of lifetimes
focus on nuclei “in the valley” near Z 46 (where data is scarce) obtain lifetimes in >50 isotopes cover a wide range of lifetimes
62Fe RDDS spectra @VAMOSaftermulti-nucleontransfer in 238U+64Ni
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
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)
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)
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
PF1
PF1
E,ToF =>MdM/M ~2
A~140
Goutte liquide : Fission symmétrique en fragments également déformés
Effets de couches:Minima des courbes de potentiel sont modifiés
Spherical shell
Deformed 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)
Description de la distribution des fragments de fission
Distributions isotopiques (Z,A) expérimentales
• Spectromètre (Lohengrin, ILL)Mesure précise de AMesure 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)
238U(n,F) EXFOR Data tables
• Spectroscopie Rapports de branchement, isomères inconnus…Distribution isotopique complète difficile à mesurerConclusions sur le rôle des neutrons restent incomplètes
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
Z distribution TKE distribution
Besoin de données en Z,A !
Z, N moyen
C. Böckstiegel et al. NPA 802 (2008) 12
Cinématique inverse : distribution en Z complète
233U
232Pa
228Pa
229Th
226Th
220Th
Standard I : Z ~ 52.5Standard II : Z ~ 55
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
AH=ZH+NH
ZH/NH=ZC/Ac
Cheifetz et al,,1981
232Th(12C,8Be) 236U234U(t,pf) 235U(n,f)
Multi-nucleon transfer reaction
236U(12C,8Be) 240Pu238Pu(t,pf)239U(n,f)
•Large range of transfer Channels 238U+12CEje Rec Q(MeV) (mb)13C 237U -1.2 2314C 236U 1.8 811B 239Np -10 2512B 238Np -13 513B 237Np -14 0.810Be 240Pu -15 109Be 241Pu -17 58Be 242Pu -12 511Be 239Pu -21 0.87Li 243Am -26 0.56Li 244Am -19 3 4He 246Cm -17 3 6He 244Cm -24 0.5
•High resolution of the fissioning system
Transfer-induced fission reactions: wide range of fissioning systems
• Neutron-rich actinides : 238U beam, 12C Target• Energy range 0-40 MeV
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
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 !!
• 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
Advantage of inverse kinematics
It is not a question of Q valueQ=M(F1)+M(F2)-M(CN)
•Statistical consideration: P(Z1,Z2) (Z1)(Z2)
•Dependence with E* : e-o effect disappears very fast when pairing is still present in binding energy (Ecrit>11MeV)
Ze Zo Ze
(Ze)= (Zo)
E
Fission process: if the nucleus would be a simple liquid drop
Liquid drop model: nucleus described as a drop of charged liquidE = Ev + ES + Ecb + Esym
= - A + r02A2/3(1+2) + Z2/(r0A1/3(1+)) + (N-Z)2/A
Bohr and Wheeler 1939Fission barriers at 10% of theEvaluated up-to-date values
J.-F. Berger, Ecole Joliot Curie 2006
Transfer-induced fission in inverse kinematics@GANIL
recoil
238U
12C
heavy FF
light FF
FF
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
Fluctuations paire-impaires dans les fragments de fission:
une observable de la dissipation
Effet pair-impair global
z = Yze- Yz
o/(Yze+Yz
o)z =40%
J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A
Explication qualtitative des effets pair-imapirs
229Th+n
Pairing gap
saddle scission ?
23090Th
0
5
-25
MeV
•L’amplitude des effets pair-impairs reflète la probabilité qu’aucune paire soit brisée à la scission
Fission de noyaux pair: pas de fragment impair sans dissipation
Eintr
+Ecoll
•Effet pair-impair : une conséquence de la dissipation dans la descente
Les effets pair-impairs dépendent de la fissilité du système
Global even-odd effect z = Yz
e- Yzo Comme la répulsion
Coulombienne au sein du noyau augmente, la forme au point selle devient de plus en plus compacte
Saddle CmSaddle Th
La descente du point selle au point de scission augmente, comme Ediss, avec la fissilité
Z2/ A1/3
Les effets pair-impair dépendent de la symétrie
Notions de:•Fission froide asymétrique, <=>déformation extrême•Fission symétrique chaudePourtant associée à de grandes déformations (modèle de la goutte liquide)Effets pair-impairs non mesurés à la symétrie
Effets pair-imapirs locaux: déviation d’une distribution Gaussienne
€
YG (Z) ≈YG (Z)(1±Z (Z))
Z (Z + 32) = 1
8−1( )
Z +1lnY (Z + 3) −lnY (Z) −3 lnY (Z + 2) −lnY (Z + 1)
Q = TKE + TXE
TXE = Q - TKE = Edef(Z1) + Edef(Z2) +
Eintr
Bilan energétique:
Systématique sur les effets pair-impair
Effets pair-impairs constants pour les distributions symétriquesPourtant énergie d’excitation similaire, et fissilité basse=>Effet de l’asymétrie ?
S. Steinhaüser, PhD Thesis, TU Darmstadt, 1998
Systématique sur l’effet pair-imapirs local
Yie
lds
Z
Symmetry: Z = 0.5 ZCN
Asymmetry: Z = 54
Pour la première fois l’effet pair-impair est observé sur la distribution complète en Z, sur une large systématique de systèmes fissionants
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 globalp local asymmetryp 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 lourdF. Rejmund, Seminar on Fission, Corsendonk 2007, WagemansM. Caamano, Proc. Int. Conf. Fission and Fission Fragment Spectroscopy, Sanibel, Florida, 2008
La fission : modèle de la goutte liquide
Bf
Q
E*
deformation
ener
gy saddle point
scission point
A1,Z1 A2,Z2
TKE, evaporationAfiss, Zfiss,E*
E = EV + ES + ECb + Esym
= - aA + br02A2/3(1+2) + cZ2/(r0A1/3(1+)) + d(N-Z)2/A
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
∆Z/Z ≈ 1.5 ·10-2
Distribution isotopique avec VAMOS : Z
qeff β∝ Z^1/3 + qshift
dE (∝ qeff)2/β2 f(β)
fragments identifiés de Z ≈ 36 à Z ≈ 60 dans une gamme d’énergie de 600 MeV
Faisceaux secondaires: grande systématique
K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221
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
238U+12C fission induite par transfert: perspectives
identification isotopique (masse et charge) et mesure de l’énergie
Sur la production entière des fragments est faite pour la première fois
-Systématique des sections efficaces de fission du Pa au Cm-Identification isotopique dépend d’une stabilisation du signal
-distributions en masse, charge et energie des
fragments de fission en fonction of E*
fusion-fission
transfer-fission