Investigation of stored neutron-rich nuclides in the element range of Pt-U with the FRS-ESR facility at 360-400 Mev/u

Abstract

Nuclear masses and lifetimes are the basic properties to understand nuclear existence and structure resulting from the strong interaction. Both informations are also important for the understanding of nuclear astrophysics and fundamental interaction. Most experimental information was in the past obtained for nuclides close to the valley of stability, i.e., experimental data for exotic nuclei are still rare and important. In the present experiment masses and lifetimes of stored exotic nuclei in Tl -- U region were measured with the FRS-ESR facility. The exotic nuclei were produced by fragmentation of 670 MeV/u 238U projectiles in a 4g/cm2 Be target placed at the entrance of the fragment separator FRS. The produced exotic nuclei were separated in flight with the FRS and injected into the storage-cooler ring ESR for high precision mass and half-life measurement. The injected hot ions were cooled by electron cooling. The relative velocity spread of the stored ions was reduced down to the level of 5 10-7 for low intensity beams. The cooled beam was stored in ESR for about 5 minutes for each injection cycle and the revolution frequency of the stored ions was precisely measured. The unknown masses were directly determined from the revolution frequency using known masses in the same spectrum for calibration. In addition to the atomic mass, the half-life of stored ions has been determined with the time-resolved Schottky frequency analysis. The neutron-rich region from Tl to U was investigated in this work. The ultimate sensitivity, down to single particles, and the high resolving power of the time-resolved Schottky mass analysis (SMS) were the basis for the discovery of the five isotopes: 236Ac, 224At, 222Po, 221Po and 213Tl and the six new isomers: 234mAc, 234nAc, 228mAc, 228mFr, 214mBi and 213mBi. The isotope identification was unambiguous going along simultaneously with the first mass determination for the new isotopes and isomers. Experimental masses of 30 known isotopes in this heavy neutron-rich region were measured for the first time. Furthermore, the half-lives of 12 nuclides including 235Ac were determined experimentally for the first time. The total accuracy of the mass measurement in the present experiment was 30 keV mainly determined by the systematical errors. Our experimental results have been compared to theoretical models. In this comparison microscopic and macroscopic theories have been applied. The new experimental mass data contribute to a better knowledge of the most neutron-rich nuclides in the Pt -- U region. Masse und Lebensdauer eines Kernes sind Schlüsselgröss en zum Verständnis der Kernstruktur, der möglichen Reaktionen und der Elemententstehung und Häufigkeit im Universum. In dieser Arbeit wurden Experimente zur Bestimmung der Masse und Lebensdauer von gespeicherten, exotischen Kernen bei GSI durchgeführt. Die exotischen Kerne wurden mit einem 670 MeV/u 238U Projektilstrahl in einem 4 g/cm2 Beryllium Target am Eingang des Fragmentseparators FRS erzeugt. Neutronenreiche Kerne im Elementbereich zwischen Thallium und Uranium wurden im Fluge mit dem FRS separiert und in den Experimentierspeicherring ESR injiziert. Durch genaue Messung der Umlaufzeiten der gespeicherten und mit Elektronen gekühlten Kerne konnten sowohl ihre Massen als auch Lebensdauern erstmals gemessen werden. In diesem Experiment konnten 5 neue Isotope und 6 Isomere im Zuge der Massenmessung entdeckt werden. Die hochpräzise Massenmessung ermöglichte gleichzeitig eine eindeutige Isotopenzuordnung. Solch einen Schritt in das Neuland der noch unbekannten exotischen Kerne konnte bei diesem Experiment zum ersten Mal gemacht werden. Die erstmals beobachteten Kerne waren 236Ac, 224At, 222Po, 221Po und 213Tl. Weiterhin wurden die folgenden Isomere erstmals beobachtet: 234mAc, 234nAc, 228mAc, 228mFr, 214mBi, und 213mBi. Die Massenbestimmung erfolgte mit Hilfe der zeitkorrelierten Schottky Analyse, so dass auch Lebensdauern innerhalb der experimentellen Randbedingungen, den Speicher- und Kühlzeiten sowie den 5 minütigen Messzyklen, bestimmt wurden. Die globale Genauigkeit der Massenmessung war etwa 30 keV (Standardabweichung). Für 30 vorher bekannte Isotope konnte die Masse erstmals experimentell bestimmt werden. Zu dieser Billanz gehört, dass die Genauigkeit der Massenwerte für 16 weitere Nuklide erheblich verbessert wurde. Die Lebensdauermessung basiert auf der Proportionalität der gespeicherten Ionen zur Fläche unter den Schottky Frequenzpeaks oder der Ausmessung einer "Teilchenspur" eines einzelnen Ions im zweidimensionalen Frequenzspektrum. Eine Abnahme der gespeicherten Ionen innerhalb eines Messzyklus von 5 Minuten beruht vorwiegend auf dem Kernzerfall, da atomare Wechselwirkungen im Ultrahochvakuum und mit den Elektronen im Kühler mindestens eine Größ enordnung geringer sind.