SHIP - GSI

Nuclear matter has exotic properties
Nuclear matter is extremely heavy
280 Million Tons per cm3
Although we know nuclear matter only in small portions inside atoms,
it exists in nature also in big portions:
- Neutron Stars have a diameter of typically 10 km
Around normal nuclear ground state density the compressibility can be
determined from Giant Monope Resonances
In
Bi
- Compressibility k=200-400 MeV
115

stable nuclei : Z 
A
1.98  0.0155  A2 / 3
Am p
4   R3
3

mp
4   r03
3
  0.166 nucl / fm3 
209

1.67 1027 kg


4   1.2 1015 m 3
3
Nuclear matter has exotic properties
nucleon-nucleon
interaction
'global properties'
e.g. binding energies, radii,
charge density distributions
Nuclear matter properties
  3 1017 kg / m3 
Element Production in the Universe
Ds Rg
Big Bang nucleosynthesis
Hydrogen burning/CNO
Helium burning
Carbon burning
Neon burning
Oxygen burning
Eta Carinae
Silicon burning
photodesintegration
spallation on ISM
s-process / p-process in AGB stars
r-process in supernovea
Sun
Solar Abundances of Elements
Solar abundance (Si28 = 106)
Big Bang fusion reactions
neutron reactions
open questions:
• Why is Fe more common
than Au ?
• Why do the heavy elements
exist and how are they
produced?
• Can we explain the solar
abundances of the elements?
Mass number
Table of Nuclides
Stabile Kerne
β+_ , ε Zerfall
β
Zerfall
p
Zerfall
α
Zerfall
Spontanspaltung
Today's definition:
„superheavy“ are nuclei with
Z ≥ 104 (Rutherfordium, Rf)
Super Heavy Elements (SHE)
Übersicht
 Synthese: Neutronenbestrahlung (1940-1952)
Heiße Fusion (1952-1974)
Kalte Fusion (ab 1974)
 Nachweis von superschweren Elementen mit dem Geschwindigkeitsfilter SHIP
Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld
Implantationsdetektor und Alpha-Zerfall
 Coulomb-Barriere
 Q-Wert der Fusionsreaktion
 Wirkungsquerschnitt der Reaktion
 Alpha-Zerfall
2003-07-02 Thomas Bauer
Neutronenbestrahlung (~1940)
Schwere Elemente werden mit Neutronen beschossen
U n
238
92
Np  e 
239
93
239
93
239
94
Pu  2n 
Np 
23 min
Pu 
241
94
Pu  e 
239
94
2.355 d
Am  e 
241
95
Strategie erfolgreich bis Element 100 (Fermium)
_
Fermium besitzt kein Isotop mit β -Zerfall!
kurze Lebensdauer aufgrund α-Zerfall und Spaltung
Heiße Fusion (~1952)
Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen
“Hot Fusion”
"Heiße" Fusion
20-40X + Actinide
E*CN ≈ 45MeV
4n-5n Kanal
"n-reiche" Isotope
Strategie erfolgreich bis Element 106 (Seaborgium)
Kern-Fusion
>
Reaktion: a + A → C∗ → B + b
Z a  Z A  e2
VC 
Ra  RA
Δm = ma + mA - mCN
r
Herausforderung:
● Coulomb-Barriere VC zwischen Projektil und Targetkern muss überwunden werden
● Anregungsenergie des Compoundkerns E*=Ekin+Δm·c2 muss reduziert werden
(Abdampfung von Neutronen), um Spontanspaltung zu verhindern.
Kalte Fusion (~1974)
Ein schwerer und mittelschwerer Kern werden verschmolzen
Einschussenergie: Kernen müssen gerade eben die Coulomb-Barriere überwinden
"Kalte" Fusion
50-70X + Pb, Bi
E*CN ≈ 10MeV
1n Kanal
"n-arme" Isotope
„Soviel Energie wie nötig, aber so wenig Energie wie möglich.“
UNILAC Experimental Area
Seperator for Heavy Ion Products (SHIP)
- 11 Meter lang
- Separationszeit 1-2μs
- Vakuumbedingungen
SHIP – Target
 Rad besteht aus Pb oder Bi-Folie
(100-500) mg/cm2 und dreht sich mit 1000 U/min
 niedrige Schmelztemperaturen begrenzen
den maximalen Strahl auf 2x1012 Teilchen/s
- Kühlung durch Metallplatten
SHIP – Quadrupol Linsen
 Linsen fokussieren den Strahl
- nötig wegen Streuung am Target
- Maße
Radius: 7.5cm
Länge: 25cm
SHIP – Velocity Filter
 Reaktionsprodukte verlassen
das Target langsamer
vCN  (mP /( mP  mT ))  vP
z.B. vP  10.3%  vCN  2,2%
 E- und B-Feld stehen senkrecht
mv
B 
eq
m  v2
E 
eq
Fmag  Fel  Ftot  0
electric deflectors: ±330 kV dipole magnets: 0.7 T max
SHIP – Velocity Filter
 Wahl von E und B bestimmt die
durchzulassende Geschwindigkeit
E
v
B
 Abgelenkter Strahl wird auf
gekühlter Kupferplatte gestoppt
SHIP – Velocity Filter
 Strahl ist nun grob gefiltert, aber
- Teilchen mit hoher Geschwindigkeit werden aussortiert
- Teilchen mit zufällig gleicher Geschwindigkeit wie die SHE
passieren aber den Filter
 Lösung ist der 5. Dipolmagnet
SHIP – 5. Dipolmagnet
 Lenkt den Strahl um 7.5° ab
- sehr schnelle Teilchen werden
weniger abgelenkt
- zufällig gleichschnelle Teilchen
werden aufgrund ihrer niedrigeren
Energie mehr abgelenkt
SHIP - Detectors
 time of flight-detector (tof)
- besteht aus dünnen C-Folien
(2 oder 3 hintereinander)
 stop-detector
- besteht aus 7 identischen
16-Streifen Silizium-Detektoren
und drei Germanium-Detektoren
SHIP - tof
 gibt an, wenn ein SHE-Kandidat den
Geschwindigkeitsfilter passiert hat
 grobe Massenbestimmung (±10%)
SHIP – Stop-Detektor
 ortsempfindliche SiliziumSperrschichtzähler bestimmen
Auftreffort und Energie
Fläche: 27*87mm2, Dicke: 0.3mm, bei Kühlung 260K ΔE=30keV
(FWHM), Δx=0.3mm (FWHM)
 Zerfallsketten können dort beobachtet
werden (Mutter-, Tochter, Enkelinkern
usw.): Korrelationsmethode
Typische Beobachtung im Detekor
Synthesis of Heavy Elements
n
70Zn
208Pb
277112
Fusion
_1_
1012
The production cross section:
fusion cross section and
survival probability
Nucleus:
1 barn = 10-24 cm2 = 10-28 m2
fusion cross section:
< 1 barn
Earth:
-Area 1.3x108 km2
1.3x1014 m2
1:107
1:1012
Wetzlar:
Area 75.67 km2
1.3x107 m2/2
1:1012
Production cross section
277112:
 1 pbarn = 10-12 barn
Charlotte Buff‘s house:
Area x 130 m2
1.3x102 m2
1:105
Ereignisrate für SHE-Produktion
2·1012/s Projektile → 208Pb Target (0.5mg/cm2)
Np
Np(x)


N p x  N p 0 1  e Nt  x  N p 0 Nt    x
208g ≡ 6.02·1023 Atome
0.5mg ≡ 1.45·1018 Atome
Luminosität: Np·Nt=2.9·1030[s-1cm-2]
SHIP Transmission: ε=40%
Wirkungsquerschnitt: σ =1[pb] =10-36[cm2]
Ereignisrate: Np·Nt·ε·σ = 1·10-6[s-1] = 0.1[d-1]
Synthesis and identification of heavy elements with SHIP
n
70Zn
208Pb
277112
8 cm
273110
277112
ER
11.45 MeV
280 ms
12 m
269Hs
31 cm
265Sg
known
kinematical separation
(in flight)
257No
using electric deflectors
and dipole magnets
v
E
B
 velocity filter
253Fm
8.34 MeV
15.0 s
Date: 09-Feb-1996
Time: 22:37 h
261Rf
8.52 MeV
4.7 s
11.08 MeV
110 m s
9.23 MeV
19.7 s
4.60 MeV (escape)
7.4 s
Identification by
- correlations
down to known
isotopes
Periodic Table of the Elements
Cn ≡ Copernicium
natural,
stable
natural,
unstable
artificial,
unstable
discovered at GSI,
unstable
not yet confirmed