Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7411

Die stellaren Querschnitte von ⁶²Ni und ⁶³Ni –Experimentelle Untersuchungen mittels Aktivierungstechnik und Flugzeitmethode

Stephan Walter

Zusammenfassung
Verzweigungspunkte im Reaktionspfad des s-Prozesses, der während des stellaren Heliumbrennens abläuft, liefern wichtige Informationen über die physikalischen Bedingungen im Sterninnern und dienen als Test aktueller Sternmodelle. Der erste Verzweigungspunkt liegt im Bereich der Ni-Isotope: Abhängig von der Neutronendichte dominiert beim radioaktiven ⁶³Ni der Neutroneneinfang bzw. β^--Zerfall.

Die Produktion dieses wichtigen Isotops erfolgt über den Neutroneneinfang an ⁶²Ni, zu dessen Querschnitt mehrere theoretische und experimentelle Ergebnisse vorliegen, deren Werte jedoch teilweise deutlich variieren. Deshalb wurden Aktivierungsexperimente am Karlsruher Van de Graaff-Beschleuniger durchgeführt, um diesen Wert festzulegen.

Mithilfe der Methode des detaillierten Gleichgewichts lassen sich Informationen über den Querschnitt der Umkehrreaktion erhalten. Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf wurde daher eine ⁶⁴Ni-Probe aktiviert, um erstmals experimentelle Informationen zum photonuklearen ⁶⁴Ni(γ,n)⁶³Ni-Wirkungsquerschnitt zu erhalten.

Die Anzahl der in beiden Aktivierungen erhaltenen ⁶³Ni-Isotope wurde durch Beschleunigermassenspektrometrie am Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching/München ermittelt. Der Maxwell-gemittelte (n,γ)-Wirkungsquerschnitt von ⁶²Ni bei einer Energie von kT = 30 keV wurde zu (23,4 ± 4,6) mbarn bestimmt. Mit diesem Ergebnis konnte die oben erwähnte schwerwiegende Diskrepanz in früheren Daten aufgelöst werden.

Für den theoretisch vohergesagten (γ,n)-Wirkungsquerschnitt von ⁶⁴Ni mit den Modellen nach TALYS 1.0 und NON-SMOKER wurden Normierungsfaktoren von 0,29 bzw.0,45 abgeleitet.

Neben der Aktivierungsmethode stellen Flugzeitexperimente eine weitere wichtige experimentelle Technik dar, bei der sogar der energieabhängige Querschnitt direkt gemessen werden kann. Um die Neutroneneinfangwirkungsquerschnitte insbesondere von radioaktiven Proben, deren Untersuchung auf kleine Probenmassen beschränkt sein muss, mit der Flugzeitmethode zu bestimmen, werden deutlich höhere Neutronenflüsse benötigt als an heutigen Anlagen normalerweise zur Verfügung stehen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, ob sich durch Verringerung des Flugwegs am Karlsruher 4πBaF₂-Detektor solche Experimente realisieren lassen. Die Ergebnisse flossen teilweise in das in Frankfurt geplante FRANZ-Projekt ein.

Neben den Experimenten zu Neutroneneinfangreaktionen wurde der neue experimentelle Aufbau weiter modifiziert, um Protoneneinfangreaktionen am stabilen ¹⁰³Rh-Isotop zu untersuchen

The stellar cross sections of ⁶²Ni and 63Ni – experimental investigations using the activation technique and time of flight method

Abstract
Branching points in the reaction path of the s-process, a process occuring during stellar Heburning, provide important information about the physical conditions in the stellar interior and allow to test current stellar models. The first branching point can be found in the region of the Ni isotopes: depending on the neutron density, either neutron capture or β^--decay dominate the reactions at the radioactive isotope ⁶³Ni.

The production of this important isotope results from neutron capture reactions on ⁶²Ni. Several theoretical and experimental values for its cross section are reported in literature, but the values differ significantly. Therefore activation measurements have been performed at the Karlsruhe Van de Graaff accelerator to answer this question.

Information about the inverse reaction can be obtained via detailed balance. At the ELBE-accelerator at Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, an isotopically enriched ⁶⁴Ni-sample was activated to obtain first experimental information on the photonuclear ⁶⁴Ni(γ,n)⁶³Ni-cross section.

The number of ⁶³Ni isotopes produced in both activation experiments was determined via accelerator mass spetroscopy at the Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching/Munich. The Maxwellian averaged (n,γ)-cross section of ⁶²Ni at an energy of kT = 30 keV was calculated to be (23,4±4,6) mbarn. With this result, the aforementioned discrepancy in previous data could be solved.

Normalization factors for the theoretically predicted (γ,n)-cross section using TALYS 1.0 and NON-SMOKER had been determined with values of 0,29 and 0,45 respectively.

Beside the activation technique, time of flight experiments are another important experimental method, allowing the determination of the energy dependent cross section directly. For the measurement of neutron capture cross sections using the tof-method, neutron fluxes are needed that are notably higher than those provided by current facilities, especially in the case of radioactive samples when the sample masses have to be limited.

In this work, analyses have been performed whether such type of experiments could be realized by shortening the flight path of the Karlsruhe 4π BaF₂ detector. The results are used in the FRANZ project currently under development in Frankfurt.

Additionally, the new experimental setup has been further modified to study the measurement of proton capture reactions on the stable isotope ¹⁰³Rh.

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