Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7099
Absolutbestimmung der 12C(α,γ
)16O-Rate im Energiebereich um 1 MeV
Ralf Plag
Zusammenfassung
Die 12C(α,γ)16O-Reaktion
wird oft als die wichtigste Reaktion in der Nuklearen Astrophysik betrachtet,
weil sie zusammen mit der Tripel-Alpha-Reaktion, die aus drei Alpha- Teilchen
Kohlenstoff bildet, das Verhältnis von 12C zu 16O nach
dem Heliumbrennen bestimmt, das ein wichtiger Parameter für die weitere
Sternentwicklung ist. Im astrophysikalisch relevanten Energiebereich um Ec.m.=300 keV beträgt der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion wegen
der Coulombabstoßung der beiden Reaktionspartner
jedoch nur ca. 10-17 b, so dass eine direkte Messung
des Querschnitts auch in naher Zukunft unmöglich ist. Deshalb muss der
Querschnitt bei höheren Energien bestimmt werden, um ihn anschließend in den
astrophysikalisch relevanten Bereich zu extrapolieren.
Alle
bisherigen Messungen im relevanten Energiebereich wurden ausschließlich mit
Germanium-Detektoren durchgeführt und waren auf den Energiebereich oberhalb 870
keV beschränkt. Die niedrige
Ansprechwahrscheinlichkeit der verwendeten Detektoren musste mit sehr
intensiven Alpha-Strömen kompensiert werden, die wegen der extremen Belastung
der verwendeten Proben zu erheblichen Unsicherheiten führen können. Eine
Überprüfung dieser Daten mit einem völlig anderen Ansatz, der möglicherweise
vorhandene systematische Fehler aufdecken könnte, stand bisher aus.
Deshalb
wurde in dieser Arbeit eine unabhängige Messung mit dem aus 42 Modulen
zusammengesetzten Karlsruher 4π BaF2 Detektor
durchgeführt. Die Effizienz des BaF2 Detektors von über 90% für
einzelne Gamma-Quanten ermöglicht die Reduktion der Alpha-Ströme um mehr als
einen Faktor 100 auf ca. 6 μA. Eine Beeinträchtigung der Proben, z.B.
durch Absputtern von Probenmaterial, konnte bei
dieser Intensität ausgeschlossen werden. Der Unterdrückung von
Untergrundereignissen, vor allem aus der 13C(α,n)16O-Reaktion,
spielt bei dieser Messung eine extrem wichtige Rolle. Diesem Problem wurde
durch hoch angereicherte 12C-Proben, der Pulsung des Alpha-Strahls
und mit einer aktiven Abschirmung des Detektors begegnet. Die hohe Granularität der Anordnung ermöglicht zudem die Bestimmung
der für die Analyse wichtigen Winkelverteilungen.
Die
Messung des Querschnitts erfolgte bei Ec.m.=1002, 1308, 1416 und 1510
keV. Die daraus extrahierten E1- bzw. E2-Anteile stimmen sehr gut mit den
besten bisherigen Messungen überein, so dass Diskrepanzen zu früheren
Ergebnissen ausgeräumt werden konnten. Für Übergänge mit einer 2-stufigen
Kaskade, für die in diesem Energiebereich bisher noch keine Daten bekannt
waren, wurde erstmals der Summenquerschnitt ermittelt. Außerdem konnten die
bisher ermittelten S-Faktoren durch die Einbeziehung der Daten dieser Arbeit in
eine R-Matrix-Analyse bestätigt werden.
Obwohl
die Messung mit einer völlig neuen Methode in einem vergleichsweise kurzen
Zeitrahmen durchgeführt wurde, konnte eine vergleichbare Genauigkeit wie in
sehr viel langwierigeren Messungen mit Germanium-Detektoren erreicht werden,
deren Potential inzwischen ausgereizt zu sein scheint. Dagegen kann die
Sensitivität der Messung mit dem BaF2 Detektor
durch verschiedene Maßnahmen noch weiter gesteigert werden, so dass der
zugängliche Energiebereich bis auf 750 keV ausgedehnt
werden kann.
Measurement of the 12C(α,γ) 16O-rate
near 1 MeV
Abstract
The 12C(α,γ)16O-reaction
is often considered as the most important process in nuclear astrophysics since
it determines the ratio of 12C to 16O during stellar
Helium burning. Together with the triple-alpha-process this is a crucial
parameter for the following evolution of the star.
Due to the Coulomb repulsion, the cross section in the
astrophysical energy range at Ec.m.=300 keV is about 10-17 b. This
extremely small value implies that a direct measurement remains impossible in
the foreseeable future. For this reason, the cross section has to be measured
at higher energies and needs to be extrapolated to the interesting energy
range.
So far, all relevant measurements have been performed
with Germanium detectors and were restricted to energies above 870 keV. The low
gamma-ray efficiency of these detectors had to be compensated by very intense
beam currents, which may cause considerable uncertainties due to severe target
degradation. A verification of these data with a completely different approach,
which could reveal systematic uncertainties was still
missing.
The realization of such an independent measurement is
subject of this thesis and was performed with the
The suppression of background especially from the 13C(α,n) 16O-reaction plays a crucial role for
this measurement. Background events were therefore suppressed by the use of highly
enriched 12C, a pulsed alpha beam and an active shielding. The
measurement of angular distributions, which are necessary for the extrapolation
of the cross section, could be easily accomplished due to the high granularity
of the detector.
The cross section was measured at Ec.m.=1002,
1308, 1416 and 1510 keV. The resulting E1- and E2-contributions being in
perfect agreement with the best previous measurements helped to resolve
discrepancies in previous data. The cross section for transitions with two- step
cascades was obtained for the first time in this energy region. Previously
extrapolated S-factors were confirmed by an R-matrix analysis based on the new
data.
Even though the measurement has been performed in a
relatively short period of time, the achieved precision is comparable to
long-lasting experiments with Germanium detectors. While the potential of these
conventional setups seems to be exhausted, the sensitivity of the measurement
with the BaF2 detector can be further increased. By several improvements
the available energy range can be extended down to 750 keV.
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