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Isotopic distribution of fission fragments in multi- nucleon transfer reactions in inverse kinematics with VAMOS F. Rejmund, M. Caamaño, X. Derkx, O. Delaune,

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1 Isotopic distribution of fission fragments in multi- nucleon transfer reactions in inverse kinematics with VAMOS F. Rejmund, M. Caamaño, X. Derkx, O. Delaune, C. Golabek, T. Roger, A. Navin, M. Rejmund, C. Schmitt, A. ShrivastavaGANIL, France G. Barreau, B. JuradoCENBG, France K.-H. Schmidt GSI, Germany B. Fernandez Liverpool Univ., UK D. Doré, S. PanebiancoSPhN, France J. Benlliure, E. Casarejos, USC, Spain L. Audouin, C.-O. Bacri, IPNO, France L. Gaudefroy, J. TaiebCEA DIF, France 2 actions2 ans post-doc9 mois post-doc1/2 thèse Ministère De lEnseignement et de la Recherche 1 thèse flêchée

2 Principle of the experiment Multi-nucleon transfer induced fission: systematic of fissioning systems Inverse kinematics: complete distribution of the fission fragments Spectrometer: isotopic identification of the fission fragments 238 U MeV/u transfer recoil g lab ~30° fissioning system U beam heavy fission fragment light fission fragment C target transfer - fission ~ 100 mbarn Angle de grazing ~35° fusion - fission ~ 1000 mbarn transfer U, N p, P u, A m, C m different E* fission A: Z: q: E: MeV/u D.C. Biswas et al. PRC 56 (1997) 1926 inverse kinematics - restricted angular distribution<25°

3 reconstruction Experimental set-up at VAMOS 21 Si detectors ionization chamber drift chamber SeDSeD SPIDER Aside E res X,Y ToF dE E, dE, recoil angle acceptance: 14 deg Θ ~ 3 deg Φ 10 % Bρ 20 deg at 20 deg Bρ Path Θ lab, Φ lab MM/qZKE β, γ M. Rejmund 238 U beam EXOGAM

4 65 µm Si dE 1 mm Si E Θ ~ 1deg E* ~ 2 MeV target-like recoil Identification of the fissioning system with SPIDER Wide systematic of actinides High population of the 2p channel No isotopic identification Different channels can be estimated from the Q reac 238 U (inelastic) and few % 237 U (1n) 239 Np (1p) and few % of 240 Np (1p1n) ~ 70% of 240 Pu (2p) and ~ 30% of 241 Pu (2p1n) ~ 60% 243 Am (3p2n) and ~ 40% of 244 Am (3p3n) Eje RecQ(MeV) (mb) 13 C 237 U B 239 Np B 240 Np Be 240 Pu Be 241 Pu Li 244 Am -19 3

5 2 nd fission : fission after n emission Below fission barrier 2 nd chance 1 st chance ! ! ! Preliminary results ! ! ! (*) 238 U(α,α)f Burke et al., Phys. Rev. C 73, (*)ENDF Fission probability

6 Fragments range from Z 30 to Z 60 in an energy range of 600 MeV Z/Z 1.5 ·10 -2 Identification of fission fragments: Z q eff βZ^ 1/3 + q shift dE (q eff ) 2 /β 2 f(β)

7 A/q = Bρ/(βγ) A = E/(γ-1) A/A 0.6·10 -2 Fragment distribution from A 90 à A 150 Isotopic resolution of fission fragments with VAMOS: A, A/q

8 Identification non ambigue en A, Q et Z Calibration of the identification with EXOGAM Z=44 Ru M= Ru EXOGAM

9 Velocity of fission fragments

10 Fusion-inudced and transfer-induced fission E*~ 45 MeV Minor shell effect E*~ few MeV Shell effects dominants

11 Isotopic yields for different transfer channel Isotopic identification (mass and charge) and kinetic energy of fission fragments over the entire fragment production is done for the first time.

12 Perspectives : 1. Repeat the experiment identification isotopique des actinides neutrons en coïncidence – SPhN Longer term: 1. Enlarge stematic other targets (more complex processes) Other beams Th beam Radioactive actinide beams produced in SPIRAL2 target, HIE Isolde 2. FAIR

13 HiE ISOLDE: an opportunity for fissionists 10 MeV/u actinide beams Already available: Rn, 10 ^3 -10 ^8 pps » Fr, 10 ^5 -10 ^9 pps » Ra 10 ^4 -10 ^8 pps Possibility to extend to other actinides (Th,U,…) Simple set-up to measure precisely element yields as a function of excitation energy D Ac p IC,E,ToF telescope

14 Additional diapositives

15 Single particle and vibrational states in 133Sn A. Navin, M. Rejmund et al.,

16 RDDS lifetime measurement after fusion fission A. Goergen et al., Q Q D 18° 238 U, 6.15 MeV/u 116 Pd 12 C Mg v1v1 v2v2 4 x 135° 7 x 90° 134 Te Cologne Plunger at VAMOS (E553) focus on nuclei in the valley near Z 46 (where data is scarce) obtain lifetimes in >50 isotopes cover a wide range of lifetimes 62 Fe RDDS after multi-nucleon transfer in 238 U+ 64 Ni nuclear shapes in the transitional region are very complex transition from deformed (Zr) to spherical (Sn) transition from prolate to oblate along isotopic chain triaxial shapes: rigid or gamma soft ? sensitive test for configuration mixing calculations suitable for approximations, e.g. E(5), IBM B(E2) values are key observables obtain consistent data over wide range of isotopes and lifetimes in one experiment extend lifetime data to: higer spin non-yrast states (gamma bands !) more neutron-rich isotopes odd-A nuclei: absolute B(M1) and B(E2)

17 Distributions de masse expérimentales Mass distribution n Fission: phénomène macroscopique Distribution des fragments fortement influencée par les effets de couche Stabilisation des fragments lourds par les effets de couche dans les nombres de neutron PF1 E,ToF =>M dM/M ~2 A~140

18 Goutte liquide : Fission symmétrique en fragments également déformés Effets de couches: Minima des courbes de potentiel sont modifiés Spherical shell Deformed shell Shell gap à N=86,88,92 ?? Toujours controversé! Taux de fragments de fission impossibles à prédire (AIEA a abandonné lévaluation des Y(Z,A) Description de la distribution des fragments de fission

19 Distributions isotopiques (Z,A) expérimentales Spectromètre (Lohengrin, ILL) Mesure précise de A Mesure de Z avec une chambre à ionisation -Energie cinétique des fragments très basse =>méthode limitée aux fragments légers (pas dinformation sur les effets de couche dans les fragments lourds) 238U(n,F) EXFOR Data tables Spectroscopie Rapports de branchement, isomères inconnus… Distribution isotopique complète difficile à mesurer Conclusions sur le rôle des neutrons restent incomplètes

20 Cinématique inverse: Fission électromagnétique de faisceaux secondaires distribution E* ~12 MeV pour tous les pré-actinides K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221

21 Z distributionTKE distribution Besoin de données en Z,A ! Z, N moyen C. Böckstiegel et al. NPA 802 (2008) 12 Cinématique inverse : distribution en Z complète 233 U 232 Pa 228 Pa 229 Th 226 Th 220 Th Standard I : Z ~ 52.5 Standard II : Z ~ 55 Charge constante moyenne: Shell gap mouvant ? Influence dun nombre magique en protons ? Contradiction avec la compréhension générale de la distribution des fragments de fission A H =Z H +N H Z H /N H =Z C /A c

22 Cheifetz et al,, Th( 12 C, 8 Be) 236 U 234 U(t,pf) 235 U(n,f) Multi-nucleon transfer reaction 236 U( 12 C, 8 Be) 240 Pu 238 Pu(t,pf) 239 U(n,f) Large range of transfer Channels 238 U+ 12 C Eje RecQ(MeV) (mb) 13 C 237 U C 236 U B 239 Np B 238 Np B 237 Np Be 240 Pu Be 241 Pu Be 242 Pu Be 239 Pu Li 243 Am Li 244 Am He 246 Cm He 244 Cm High resolution of the fissioning system

23 Transfer-induced fission reactions: wide range of fissioning systems Neutron-rich actinides : 238 U beam, 12 C Target Energy range 0-40 MeV

24 Even-odd staggering in odd-Z nuclei Zero staggering at symmetry: Unpaired nucleon chooses both fragments with equal probability Negative staggering at asymmetry: unpaired nucleon chooses the heaviest fragment S. Steinhaüser, Nucl. Phys. A 634(1998)89 Evidence for the influence of the fission-fragment phase space

25 Seeking for information.. We propose to use multi-nucleon transfer induced fission in inverse kinematics in order to Identify isotopic fission yields in complete fragment distribution Define the fissioning system in excitation energy, mass, charge Over a broad range of neutron-rich actinides Study the structure effects as a function of excitation energy and fissioning nucleus These data would complement GSI data Important results on shell effects and pairing effects are expected !!

26 High radioactivity : the production of samples for irradiation is difficult (=>systematics in direct kinematics is limited) Combined with a spectrometer isotopic resolution of the full isotopic distribution (light and heavy fragments) in-flight measure of the isotopic distribution (before beta decay) Using transfer reaction to induce fission precise knowledge of the excitation energy Advantage of inverse kinematics

27 It is not a question of Q value Q=M(F 1 )+M(F 2 )-M( CN ) Statistical consideration: P(Z 1,Z 2 ) (Z 1 ) (Z 2 ) Dependence with E* : e-o effect disappears very fast when pairing is still present in binding energy (E crit >11MeV) ZeZe ZoZo ZeZe (Z e )= (Z o ) E

28 Fission process: if the nucleus would be a simple liquid drop Liquid drop model: nucleus described as a drop of charged liquid E = E v + E S + E cb + E sym = - A + r 0 2 A 2/3 (1+ 2 ) + Z 2 /(r 0 A 1/3 (1+ )) + (N-Z) 2 /A Bohr and Wheeler 1939 Fission barriers at 10% of the Evaluated up-to-date values J.-F. Berger, Ecole Joliot Curie 2006

29 Transfer-induced fission in inverse recoil 238 U 12 C heavy FF light FF FF

30 Experimental isotopic distribution (Z,A) Isotopic distribution –Spectrometer (Lohengrin, ILL) Precise measure of A - Ionisation Chamber E= Z 2 /v 2 -low kinetic energy of fission fragments =>limited to light fragments ( no information on shell effects in heavy fragments ) Element yield Z H =Z CN -Z L =54 Average proton number constant A H =Z H +N H =140 Average mass constant Theory Influence of neutron number =>Influence of moving neutron shell gap? =>Existence of proton shell gap? J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A

31 Fluctuations paire-impaires dans les fragments de fission: une observable de la dissipation Effet pair-impair global z = Y z e - Y z o /( Y z e + Y z o ) z =40% J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A

32 Explication qualtitative des effets pair-imapirs 229 Th+n Pairing gap saddlescission ? Th MeV Lamplitude des effets pair-impairs reflète la probabilité quaucune paire soit brisée à la scission Fission de noyaux pair: pas de fragment impair sans dissipation E intr +E coll Effet pair-impair : une conséquence de la dissipation dans la descente

33 Les effets pair-impairs dépendent de la fissilité du système Global even-odd effect z = Y z e - Y z o Comme la répulsion Coulombienne au sein du noyau augmente, la forme au point selle devient de plus en plus compacte Saddle Cm Saddle Th La descente du point selle au point de scission augmente, comme E diss, avec la fissilité Z 2 / A 1/3

34 Les effets pair-impair dépendent de la symétrie Notions de: Fission froide asymétrique, déformation extrême Fission symétrique chaude Pourtant associée à de grandes déformations (modèle de la goutte liquide) Effets pair-impairs non mesurés à la symétrie Effets pair-imapirs locaux: déviation dune distribution Gaussienne Q = TKE + TXE TXE = Q - TKE = E def (Z 1 ) + E def (Z 2 ) + E intr Bilan energétique:

35 Systématique sur les effets pair-impair Effets pair-impairs constants pour les distributions symétriques Pourtant énergie dexcitation similaire, et fissilité basse =>Effet de lasymétrie ? S. Steinhaüser, PhD Thesis, TU Darmstadt, 1998

36 Systématique sur leffet pair-imapirs local Yields Z Symmetry: Z = 0.5 Z CN Asymmetry: Z = 54 Pour la première fois leffet pair- impair est observé sur la distribution complète en Z, sur une large systématique de systèmes fissionants

37 Effets pair-impair à la symétrie et à lasymétrie Fission e-m en cinématique inverse Accès aux effets pair-impair à la symétrie pour la première fois Effet pair-impair constant à la symétrie forte influence de lasymétrie sur lamplitude de leffet pair-impair p global p local asymmetry p local reachable sym Fission induite par n en cinématique directe -chute du est provoquée par la chute de local à lasymétrie -chute de avec la fissilité correspond à une perte progressive de lasymétrie quand le noyau fissionant devient plus lourd F. Rejmund, Seminar on Fission, Corsendonk 2007, Wagemans M. Caamano, Proc. Int. Conf. Fission and Fission Fragment Spectroscopy, Sanibel, Florida, 2008

38 La fission : modèle de la goutte liquide Bf Q E* deformation energy saddle point scission point A 1,Z 1 A 2,Z 2 TKE, evaporation A fiss, Z fiss, E* E = E V + E S + E Cb + E sym = - aA + br 0 2 A 2/3 (1+ 2 ) + cZ 2 /(r 0 A 1/3 (1+ )) + d(N-Z) 2 /A

39 Influence de la structure en couche des nucléons Létat fondamental nest pas sphérique (si couche in complète) Second minimum dans la PES à grande déformation(fission isomers) Fission asymétrique es favorisée

40 Z/Z 1.5 ·10 -2 Distribution isotopique avec VAMOS : Z q eff βZ^ 1/3 + q shift dE (q eff ) 2 /β 2 f(β) fragments identifiés de Z 36 à Z 60 dans une gamme dénergie de 600 MeV

41 Faisceaux secondaires: grande systématique K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221

42 Description de la distribution des fragments de fission La théorie prédit -une barrière double et des isomères de fission -une fission asymétrique Standard I (N=82) et II (N~90) (asymétrie) Standard Superlong (symetrie) Une description précise manque car: -description complexe des paramètres de déformation -interaction nucléon nucléon à déformation extrême inconnue (shell gaps) Wilkins et al. PRC 14 (1976) 1832

43 238 U+ 12 C fission induite par transfert: perspectives identification isotopique (masse et charge) et mesure de lénergie Sur la production entière des fragments est faite pour la première fois -Systématique des sections efficaces de fission du Pa au Cm -Identification isotopique dépend dune stabilisation du signal -distributions en masse, charge et energie des fragments de fission en fonction of E* fusion-fission transfer-fission


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