Advanced

Quantum-state Selective Nuclear Decay Spectroscopy

Lorenz, Ch. LU (2018)
Abstract (Swedish)
Allt som vi ser och arbetar med i vårt vardagliga liv består av atomer. De är mycket små, omkring 10-10 meter. De syns inte med blotta ögat, utan kräver avancerade elektronmikroskop. Men atomerna själva består av ännu mindre
beståndsdelar, ett elektronmoln som kretsar kring en kärna.
Atomkärnan består av neutroner och protoner och är bara cirka 10-15 meter stor. Neutroner och protoner hålls samman av en stark kraft som faktiskt kallas "starka kraften". Samtidigt har protoner en positiv laddning och stöter därför bort varandra. Beroende av balansen mellan protoner och neutroner i atomkärnan kan de vara stabila eller radioaktiva. Om de är radioaktiva betyder det att de sönderfaller efter en viss tid. Det finns... (More)
Allt som vi ser och arbetar med i vårt vardagliga liv består av atomer. De är mycket små, omkring 10-10 meter. De syns inte med blotta ögat, utan kräver avancerade elektronmikroskop. Men atomerna själva består av ännu mindre
beståndsdelar, ett elektronmoln som kretsar kring en kärna.
Atomkärnan består av neutroner och protoner och är bara cirka 10-15 meter stor. Neutroner och protoner hålls samman av en stark kraft som faktiskt kallas "starka kraften". Samtidigt har protoner en positiv laddning och stöter därför bort varandra. Beroende av balansen mellan protoner och neutroner i atomkärnan kan de vara stabila eller radioaktiva. Om de är radioaktiva betyder det att de sönderfaller efter en viss tid. Det finns fler än 3000 kända kombinationer av protoner och neutroner, "isotoper", som har en livstid längre än 10-7 sekunder. Men endast 253 av dessa är stabila. Om kärnan inte är helt stabil, sönderfaller den genom utsändning av protoner, neutroner, α partiklar (heliumkärnor), β-strålning eller genom fission. En atomkärna kan också vara i ett exciterad tillstånd. Oftast de-exciteras de till grundtillståndet genom att sända ut fotoner som kallas γ-strålning. Detekterar och analyserar man strålningen kan man fastställa kärnans struktur. Resultat från ett sådant experiment används sedan for att förbättra de teorier som beskriver den underliggande kraft som håller samman atomkärnor.
Eftersom de flesta av de intressanta isotoperna inte finns i naturen samt har korta livstider måste de framställas artificiellt i laboratoriet med en kärnreaktion. Tyvärr är det ofta inte enbart de intressanta isotoperna som produceras i reaktionen utan de flesta producerade atomkärnor är inte de som man vill studera. Därför måste man separera de intressanta isotoperna från alla andra pa något sätt.
Isotoperna som studerades i den här avhandlingen separerades med hjälp av en så kallad "Penning trap". Penningfallor är de mest precisa maskiner som finns för att mäta kärnors massa. Eftersom alla olika isotoper har olika massor, är Penningfallor mycket precisa for att selektera de önskade atomerna. Under vissa omständigheter kan de även selektera ett visst tillstånd hos en isotop. Detta utnyttjades för att studera sönderfallen av 213Ra och 127Cd. Vid analysen av 213Ra-experimentet jämfördes resultatet med detaljerade simuleringar av hela sönderfalls- och detektionsprocessen, där renheten av 213Ra-strålen i experimentet blev grundförutsättningen för att få en precis och meningsfull simulering. Vid ett andra experiment sönderföll 127Cd till 127In. Analysen av γ-strålningen resulterade i identifikation av nya energinivåer i 127In. Dessutom har 127Cd-sönderfallsprocessen och energinivåer i 127In beräknats med den sfäriska skalmodellen. Det konstaterades att den teoretiska beskrivningen kunde reproducera de experimentella observationerna mycket väl. (Less)
Abstract
This thesis focusses on the results of two experiments employing Penning traps to prepare pure beams of the 213Ra ground state and 127Cd, which were then studied with the decay-spectroscopy setup TASISpec. The experiments were conducted with SHIPTRAP at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany, and JYFLTRAP at the IGISOL Accelerator Facility at the University of Jyväskylä, Finland.
The α-decay branching ratios of the 213Ra ground state have been revised based on comprehensive Geant4 simulations, i.e. ‘virtual experiments’, which were confronted with the experimental results. These findings are supported by theoretical calculations. This work is published in Papers I and... (More)
This thesis focusses on the results of two experiments employing Penning traps to prepare pure beams of the 213Ra ground state and 127Cd, which were then studied with the decay-spectroscopy setup TASISpec. The experiments were conducted with SHIPTRAP at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany, and JYFLTRAP at the IGISOL Accelerator Facility at the University of Jyväskylä, Finland.
The α-decay branching ratios of the 213Ra ground state have been revised based on comprehensive Geant4 simulations, i.e. ‘virtual experiments’, which were confronted with the experimental results. These findings are supported by theoretical calculations. This work is published in Papers I and II. Using the same method, the proton-decay branch of the 53Co 3174 keV isomer has been studied, which is the content of Paper IV.
In Paper III the results of the 127Cd experiment are presented. There the decay scheme of 127In populated by the β decay of 127Cd was considerably extended and the β feeding into the individual states deduced. Extensive shell-model calculations have been conducted to calculate the energy levels and γ-ray branching ratios of 127In as well as the Gamow-Teller strength distributions of the β decay of the 3/2+ and 11/2 states in 127Cd. Based on these calculations the experimentally observed decay-scheme of 127In could be reproduced remarkably well. The order of the 3/2+ and 11/2 state in 127Cd has been established, identifying the 3/2+ state as the ground state and the 11/2 state as the 283 keV isomer. Furthermore, the phase-depended cleaning method was employed for the first time in an attempt to study the β decay of the 127Cd isomer individually. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Augusto O. Macchiavelli, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
nuclear structure, alpha decay, beta decay, gamma rays, spectroscopy, Penning traps, shell-model calculations, Geant4 Monte Carlo Simulations
pages
147 pages
publisher
Lund University
defense location
Rydbergsalen, Fysiska institutionen, Sölvegatan 14A, Lund
defense date
2019-01-25 13:15
ISBN
978-91-7753-943-8
978-91-7753-942-1
language
English
LU publication?
yes
id
b2c3fa5f-2dd0-4182-935e-91019457701f
date added to LUP
2018-12-13 18:02:21
date last changed
2019-03-08 02:54:25
@phdthesis{b2c3fa5f-2dd0-4182-935e-91019457701f,
  abstract     = {This thesis focusses on the results of two experiments employing Penning traps to prepare pure beams of the <sup>213</sup>Ra ground state and <sup>127</sup>Cd, which were then studied with the decay-spectroscopy setup TASISpec. The experiments were conducted with SHIPTRAP at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany, and JYFLTRAP at the IGISOL Accelerator Facility at the University of Jyväskylä, Finland.<br/>The α-decay branching ratios of the <sup>213</sup>Ra ground state have been revised based on comprehensive Geant4 simulations, i.e. ‘virtual experiments’, which were confronted with the experimental results. These findings are supported by theoretical calculations. This work is published in Papers I and II. Using the same method, the proton-decay branch of the <sup>53</sup>Co 3174 keV isomer has been studied, which is the content of Paper IV. <br/>In Paper III the results of the <sup>127</sup>Cd experiment are presented. There the decay scheme of <sup>127</sup>In populated by the β decay of <sup>127</sup>Cd was considerably extended and the β feeding into the individual states deduced. Extensive shell-model calculations have been conducted to calculate the energy levels and γ-ray branching ratios of 127In as well as the Gamow-Teller strength distributions of the β decay of the 3/2<sup>+</sup> and 11/2<sup>−</sup> states in <sup>127</sup>Cd. Based on these calculations the experimentally observed decay-scheme of <sup>127</sup>In could be reproduced remarkably well. The order of the 3/2<sup>+</sup> and 11/2<sup>−</sup> state in <sup>127</sup>Cd has been established, identifying the 3/2<sup>+</sup> state as the ground state and the 11/2<sup>−</sup> state as the 283 keV isomer. Furthermore, the phase-depended cleaning method was employed for the first time in an attempt to study the β decay of the <sup>127</sup>Cd isomer individually.},
  author       = {Lorenz, Ch.},
  isbn         = {978-91-7753-943-8},
  keyword      = {nuclear structure,alpha decay,beta decay,gamma rays,spectroscopy,Penning traps,shell-model calculations,Geant4 Monte Carlo Simulations},
  language     = {eng},
  pages        = {147},
  publisher    = {Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Quantum-state Selective Nuclear Decay Spectroscopy},
  year         = {2018},
}