Nukleare Photonik

Nukleare Photonik

Die Nukleare Photonik ist ein neues Forschungsfeld und vereint die beiden Felder Kernphysik und Physik hoher Energiedichte in Materie. Dabei nutzt die nukleare Photonik erstmals die einzigartigen Eigenschaften neuer Höchstleistungslaser-basierten Strahlungsquellen für die Grundlagenforschung und Anwendung. Unsere Arbeitsgruppe untersucht im Rahmen der Aktivitäten zur Nuklearen Photonik am Institut für Kernphysik vor allem Kernspaltungsprozesse. Der Schwerpunkt liegt dabei auf mit Gammastrahlung induzierter Spaltung. Dazu werden schwere Atomkerne wie 238U mit Gammastrahlung im Bereich von 5-10 MeV in Zwischenzustände angeregt. Spalten die Kerne, können die Spaltfragmente z.B. mit einer Ionisationskammer gemessen werden. Ziel ist es, die Eigenschaften der Fragmente in einer Reihe von Kernen möglichst genau zu untersuchen, um eine detaillierte Beschreibung des hoch komplexen Spaltprozesses zu ermöglichen. Eine solche Beschreibung ist u.a. von Relevanz für die nukleare Astrophysik („r-Prozess“) oder technische Aspekte (z.B. Transmutation). Mit Einrichtungen wie der im Bau befindlichen Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics in Rumänien (ELI-NP) werden neue, einzigartige Strahlungsquellen zur Verfügung gestellt.

Detektorentwicklung

Spalt-Ionisationskammer im ELIGANT Set-up an ELI-NP
Abbildung: CAD-Zeichnung der Spalt-Ionisationskammer im ELIGANT-Array an ELI-NP.

Eigenschaften des Kernspaltungs-Prozesses und der entstehenden Spaltfragmente liefern wichtige Erkenntnisse über die Struktur der Zwischenzustände des Spaltkerns sowie der potentiellen Energie in Abhängigkeit von Deformation und Kernform. Um die verschiedenen Kenngrößen wie Massen-, Energie- und Winkelverteilung der Spaltfragmente zu messen werden Spalt-Ionisationskammern genutzt. Zur simultanen Messung von prompter Gamma- und Neutronenstrahlung können zusätzliche LaBr3-Detektoren sowie HPGe-Detektoren verwendet werden. In der nebenstehenden Abbildung ist eine von unserer Arbeitsgruppe entwickelte Ionisationskammer im Detektor-Array ELIGANT an der Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics Anlage dargestellt. In diesem geplanten Experiment sollen alle oben erwähnten Spaltobservablen erstmals simultan und an einem monochromatischen, polarisierten Gammastrahl gemessen werden.

Pulshöhendefekt in einem 80:20 Ar+CF4 Gasgemisch
Abbildung: Gemessener mittlerer Pulshöhendefekt in einem Ar+CF4 Gasgemisch mit Mischungsverhältnis 80:20.

Um kompakte Detektoren zu konzipieren, wurde im Sommer 2017 eine Studie zur Untersuchung unterschiedlicher Ar+CF4-Gasgemische im Hinblick auf Elektronenmobilität und Pulshöhendefekt in Kooperation mit dem Joint Research Centre der Europäischen Kommission (JRC) in Geel, Belgien, durchgeführt. Dabei wurde der Spaltprozess 252Cf(sf) in einer Ionisationskammer unter Verwendung verschiedener Detektorgase untersucht. In nebenstehender Abbildung ist eine Verteilung des mittleren Pulshöhendefekts, gemessen in 80% Argon und 20% CF4, zu sehen. Die im Experiment gemessenen Prä-Neutronen-Massen- und Energiespektren stimmten exzellent mit etablierten Daten der Literatur überein.

 

Kollaborationspartner

 

Förderung

 

Publikationen

A. Göök et al., Correlated mass, energy, and angular distributions from bremsstrahlung-induced fission of 234U and 232Th in the energy region of the fission barrier, Phys. Rev. C 96, 044301 (2017)

A. Göök et al., Particle emission angle determination in Frisch grid ionization chambers by electron drift-time measurements, Nucl. Instr. Meth. A 621, 401 (2010)