Isochronous mass measurements of short-lived neutron rich nuclides at the FRS-ESR facilities - Mato , Milan; Justus Liebig University Giessen (My University, 2004)
Precise mass values of nuclides are of great importance for the basicunderstanding of nuclear structure and decay. The neutron-rich area ofnuclides up to the neutron dripline has the largest discovery potentialfor new nuclear properties. The neutron dripline is reached only for lightelements up to oxygen.The combination of the fragment separator FRS with the storage ring ESR atGSI is a unique facility in the world for research with exotic nuclei. Thesoftware package TOFSIM was developed to simulate the crucial parametersettings for the performance of these complex facilities in the presentexperiments. In this study we used neutron-rich nuclides produced viafragmentation of 456 A MeV 70Zn projectiles and via fission of 238Uprojectiles at different energies (380-415 A MeV). The FRS separatedin-flight the selected exotic nuclei and injected them into the ESR. Bareor H-like ions were investigated in the ESR operated in the isochronousmode as a high-resolution time-of-flight mass spectrometer.The present experimental studies are the first isochronous massmeasurements that covered a larger area of n-rich short-lived nuclides.More than 500 peaks corresponding to 280 neutron-rich isotopes from oxygento promethium were carefully analyzed. For 41 nuclides experimental massvalues were obtained for the first time and for 20 isotopes the currentvalues in the literature were improved. A mass resolving power of 200 000was achieved for ions with the best isochronicity and the accuracy rangedfrom 140-400 keV. The nuclide with the shortest known half-life (17 ms)was 13B, however, we can investigate nuclides with much lower half-lives,since the method allows to go down to a few hundreds microseconds. Comparisons of our experimental results with different masspredictions reveal large deviations particularly for the most neutron-richnuclides. A remarkable result is that the pure microscopic theoreticalmodel is better (sigma(rms)=575 keV) in this new territory than themicroscopic-macroscopic FRDM description (sigma(rms)=667 keV). In therecentlymeasured neutron-deficient new mass surface the FRDM prediction was stilla factor of two superior due to the method of parameter adjustment toexperimental data. This reflects the advantage of microscopic theories forunknown mass areas far from the valley of beta stability. Much room forimprovements is also observed from the comparison with the Atomic MassEvaluation (AME). The AME has for our previously measured newneutron-deficient mass surface a sigma(rms)-deviation of 148 keV and hasnow forthe 41 new masses in this work 651 keV. For individual nuclides thedeviation is even larger, e.g. for 109Nb and 114Tc isotopes thedifferences from AME reach 1.5 MeV. The region of the new masses from this experiment can also contributeto the knowledge of nucleosynthesis for r-process nuclei and help todetermine the corresponding path. In summary this pioneering experiment performed at the FRS-ESRfacility at GSI contributes a lot to improve the knowledge on neutron-richnuclides. In future experiments our goals are to increase the resolutionand accuracy of the method and to reach more exotic nuclei, particularlyalong the predicted r-process path for Z>30.

Experimente zur genauen Massenmessungen von kurzlebigen exotischenKernen sind von großer Bedeutung, um die Kernmodelle überprüfen und verbessern zu können.Besonders sind diese Beiträge bei den neutronenreichen Kernen wertvoll, da dort die Dripline nur biszum Sauerstoff erreicht wurde und somit diese Kerne das größteEntdeckungspotential für neue Eigenschaften darstellen. Die Kombination des Fragmentseparators FRS mit dem Speicherring ESRist eine einmalige und sogleich universelle Anlage zur Untersuchungvon exotischen Kernen.Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst das Computerprogramm TOFSIM entwickelt,um die Experimentplanung, Durchführung und Datenanalyse effektiv zu unterstützen.Solche Simulationsprogramme sind unentbehrlich für die Forschungsarbeiten mit den komplexen Anlagen,wie FRS und ESR bei GSI. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Experimente zur direkten Massenmessungmit gespeicherten kurzlebigen Kernen durchgeführt.Neutronenreiche, mittelschwere Nuklide wurden zum einen durch Fragmentationvon 456 A MeV 70 ZnProjektilen und durch Spaltung von 238 U Strahlen im Energiebereich von 380-415 A MeV produziert.Die Reaktionsprodukte wurden mit dem FRS im Fluge separiert und in den Speicherring injiziert.Der ESR wurde für diese Messungen in der isochronen ionenoptischen Einstellung betrieben.Diese Betriebsart ermöglicht, dass die Umlauffrequenz für ein bestimmtesMasse-zu-Ladungsverhältnis unabhängig von der Geschwindigkeitsbreite der gespeicherten Ionen ist.Die Fragmentstrahlen haben von ihrer Entstehungsreaktion her eine unvermeidlicheGeschwindigkeitsbreite, die eine Präzisionsmassenmessungmit Hilfe der Umlauffrequenz im Speicherring vereiteln würde.Der Vorteil der isochronen Massenmessung ist, dass keine Kühlung im ESR notwendigist und somit auch die interessanten kurzlebigen Kerne im Experiment erfasst werden können. In den isochronen Massenmessungen dieser Arbeit wurdenfür 41 neutronenreiche Kerne im Elementbereich von Sauerstoff bis Promethiumdie Massen erstmals gemessen und für 20 Kerne die Literaturwerte verbessert.Dabei wurden die Zeitverteilungen von 280 Isotopen gemessen und analysiert.Im Bereich der untersuchten Kerne hatte das kurzlebigste Isotop eine Halbwertszeitvon 17 ms (13 B), jedoch ist die isochrone Massenmessung prinzipiell bis hinunterin den Zeitbereich von einigen hundert Mikrosekunden voll einsetzbar. In den Massenmessungen konnte eine Auflösung von 200000 für dieisochron umlaufenden Teilchen erreicht werden.Die Genauigkeit betrug 140-400 keV und war hauptsächlich durchdie erreichte Statistik und die Eigenschaften der Referenzmassen bestimmt. Vergleiche mit theoretischen Vorhersagen zeigen,dass im untersuchten Massenbereich die mikroskopischen Hatree-FockTheorien den makro-mikroskopischen Vorhersagen überlegen sind.Dieser Trend wurde nicht bei unseren früheren Messungen in der Bleigegend imBereich der neutronenarmen Kerne beobachtet.Der Vergleich mit semiempirischen Tabellen zeigt ebenfalls fürdie neutronenreiche Gegend größere Abweichungen.Beispielsweise wurden Abweichungen für einige neue Massen bis 1500 keV gemessen. Die erzielten neuen und verbesserten Massenwerte können nicht nur zur Verbesserungder Kernmodelle einen Beitrag leisten, sondern sind auch wichtig zum Verständnisdes r-Prozesses und vor allem auch zum Festlegen des entsprechenden Pfades auf der Nuklidkarte. Die Experimente dieser Arbeit liefern die ersten umfassenden Messungenvon neutronenreichen Kernmassen mit der isochronen Technik im ESR.Die nächsten Ziele in diesen Experimenten sind,die Auflösung und Genauigkeit der Methode zu erhöhen.Dies soll durch Modifikationen des Flugzeitdetektors und durchionenoptische Verbesserungen bei der Einstellung und Diagnose erfolgen.In der ferneren Zukunft eröffnet die NUSTAR Anlage mit dem Super-FRSund dem Ringkoplex CR-RESR-NESR ganz neue Möglichkeiten,da die Intensität der neutronenreichsten Kerne um mehrals einen Faktor 1000 gesteigert werden kann und die Auslegungdes Kollektorrings für isochrone Messungen besser geeignet ist als der ESR.Damit wird die NUSTAR Anlage ein wichtiges Gerät zur Erforschung derr-Prozess Kerne im Labor.
Isochronische Massenmessungen von kurzlebigen, neutronenreichen Nukliden an der FRS-ESR Anlage
Keywords: Kernmassen; exotische Kerne; Speicherringe; Nuclear masses; exotic nuclei; storage rings; ddc:530