Die Verzweigung des Nukleosynthesepfades am ¹²⁸I - ein stellares Thermometer [report]

R. Reifarth
2002
Das Ziel der Arbeit war eine präzise quantitative Analyse der s-Prozessverzweigung am 128 I. Dafür ist die Kenntnis der Neutroneneinfangquerschnitte der reinen s-Kerne 128, 130 Xe im stellaren Energiebereich sowie der Einfluss eventueller zusätzlicher Verzweigungen an den ungeraden Tellurisotopen und 129 I nötig. Deshalb wurden die (n,γ)-Raten von 128, 129, 130 Xe im Energiebereich von 3 bis 225 keV mit der Flugzeitmethode, relativ zum Goldstandard, differentiell gemessen. Die Neutronen wurden
more » ... m Van-de-Graaff-Beschleuniger des Instituts für Kernphysik am Forschungszentrum Karlsruhe via 7 Li(p,n) erzeugt und die Einfangereignisse mit dem Karlsruher 4π-BaF 2 -Detektor nachgewiesen. Die Herstellung von Hochdruckgasproben ermöglichte den Einsatz von bis zu 0,7 g schweren isotopenreinen Xenonproben, eine wesentliche Voraussetzung für kleine systematische Unsicherheiten. Umfangreiche Monte-Carlo-Simulationen mit dem am CERN entwickelten Programm GEANT begleiteten die Messung wie die Auswertung des Experimentes. Sie erlaubten erstmals die Interpretation der bis dahin unverstandenen Verbreiterung der Goldlinie im Einfangspektrum als Folge der starken Elektronenkonversion. Die resultierenden Maxwell-Boltzmann-gemittelten Querschnitte weisen Fehler zwischen einem und zwei Prozent auf. Des weiteren wurden mehrere Neutronenaktivierungen mit natürlichem Tellur durchgeführt. Zunächst konnten nach einer Aktivierung mit thermischen Neutronen am Forschungsreaktor TRIGA-HD II des Deutschen Krebsforschungszentrums Heidelberg neben den partiellen Querschnittsverhältnissen einiger Tellurisotope auch eine Reihe kernphysikalischer Daten der Isomerzerfälle mit deutlich verbesserter Genauigkeit bestimmt werden. Am Karlsruher Van-de-Graaff-Beschleuniger wurden zwei weitere Bestrahlungen mit Neutronen quasistellarer Energieverteilung vorgenommen, um die bis dahin unbekannten Verhältnisse der Partialquerschnitte der schweren Tellurisotope zu bestimmen. Mit der erfolgreichen Messung der stellaren Einfangquerschnitte von 147 Pm und 129 I konnte gezeigt werden, dass die Kombination von Aktivierungstechnik und Clover-Detektoren, granulierten Germaniumdetektoren hoher Ansprechwahrscheinlichkeit, die Messung der (n,γ)-Querschnitte radioaktiver Isotope erlaubt. In beiden Fällen stand weniger als 1 µg Probenmenge zur Verfügung. Die Diskriminierung der probeneigenen Radioaktivität erforderte die Analyse von γ−γ-Koinzidenzen. Die komplex zusammengesetzte Ansprechwahrscheinlichkeit für solche Ereignisse, unter Berücksichtigung eventueller Korrekturen für weitere koinzident emittierte Photonen, wurde durch detaillierte Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Für die astrophysikalischen Fragenstellungen ergeben sich aus dieser Arbeit folgende wichtige Ergebnisse: • Die mit den neu gewonnenen Querschnitten durchgeführten Netzwerkrechnungen bestätigen das stellare Modell für den s-Prozess in AGB-Sternen von 1-3 M , wogegen die klassische Beschreibung auch bei dieser Verzweigung versagt. • Der von den p-Prozessmodellen vorhergesagte signifikante p-Anteil an 128 Xe kann aufgrund der s-Analyse eingeschränkt werden. • Die Xe-Häufigkeit im Sonnensystem kann mit einer Genauigkeit von 4 % festgelegt werden. Abstract The goal of the present work was a precise, quantitative analysis of the s-process branching at 128 I. For this purpose an accurate knowledge of the (n,γ)-cross sections of the s-only isotopes 128, 130 Xe in the stellar energy range as well as of the possible impact of additional branchings at the odd Te isotopes and 129 I is necessary. Therefore, the differential (n,γ)-rates of 128, 129, 130 Xe have been measured relative to the gold standard for neutron energies between 3 and 225 keV using the time of flight technique. Neutrons were produced via the 7 Li(p,n) reaction at the Van-de-Graaff accelerator of the "Institut für Kernphysik" at the Forschungszentrum Karlsruhe. Capture events were detected with the Karlsruhe 4π BaF 2 detector. Using high pressure gas samples allowed to use isotopically enriched xenon samples of up to 0.7 g -a substantial prerequisite for small systematic uncertainties. Detailed Monte-Carlo simulations with the GEANT code were accompanying experiment as well as data analysis and allowed to interpret the previously unexplained broadening of the gold peak as a result of electron conversion. In this way the stellar cross sections could be determined with typical uncertainties between 1 and 2 %. Furthermore, neutron activation measurements with natural tellurium have been carried out. As a result of an activation with thermal neutrons at the research reactor TRIGA-HD II at Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg partial capture cross sections and a number of other nuclear data could be determined with significantly improved accuracy. In order to determine the unknown partial capture cross sections of the heavy tellurium isotopes, two activations with stellar neutrons were carried out at the Karlsruhe Van-de-Graaff accelerator as well. The successful measurement of the stellar (n,γ)-cross sections of 147 Pm and 129 I showed, that a combination of activation technique and germanium clover-detectors allows to determine cross sections of radioactive isotopes. In both cases less than 1 µg material was sufficient. The discrimination of the intrinsic background required a γ−γ-coincidence analysis, which was again accompanied by GEANT simulations including complex cascade corrections. The following important astrophysical results could be achieved: • New network calculations including the cross sections presented in this work confirm the stellar model of the s-process in AGB-stars of 1 to 3 solar masses, while the classical approach fails also for this branching. • The significant p-process contribution to 128 Xe predicted by the respective models can be restricted by the s-process analysis. • The solar Xe abundance can be determined with 4 % uncertainty.
doi:10.5445/ir/270051965 fatcat:tbsuuywytzhvtislhkzv47nzpm