Forschungsthemen

Unsere Gruppe widmet sich Kernstrukturexperimenten in verschiedenen Regionen der Nuklidkarte. Das AGATA-Spektrometer mit der neuartigen γ-Tracking-Methode bietet hierzu eine noch nie dagewesene Detektionssensitivität für In-Beam-Spektroskopie. Aktuelle Beispiele sind Ergebnisse zu schweren Aktinidenkernen sowie neutronenreichen Kernen nahe der Schalenabschlüsse Z=50 and N=82, die in Experimenten am LNL in Italien gewonnen wurden. Aktuell befindet sich AGATA am Forschungszentrum GANIL in Frankreich.

• L. Kaya et al. Isomer spectroscopy in ¹³³Ba and high-spin structure of ¹³⁴Ba. Phys. Rev. C 100, 024323 (2019).
• L. Kaya et al. Identification of high-spin proton configurations in ¹³⁶Ba and ¹³⁷Ba. Phys. Rev. C 99, 014301 (2019).
• L. Kaya et al. Millisecond 23/2⁺ isomers in N=79 isotones ¹³³Xe and ¹³⁵Ba. Phys. Rev. C 98, 054312 (2018).
• L. Kaya et al. High-spin structure in the transitional nucleus ¹³¹Xe: Competitive neutron and proton alignment in the vicinity of the N = 82 shell closure. Phys. Rev. C 98, 014309 (2018).
• J. Dudouet et al. ⁹⁶Kr–Low-Z Boundary of the Island of Deformation at N = 60. Phys. Rev. Lett. 118, 162501 (2017).
• A. Vogt et al. Isomers and high-spin structures in the N = 81 isotones ¹³⁵Xe and ¹³⁷Ba. Phys. Rev. C 93, 054325 (2017).
• K. Hadyńska-Klȩk et al. Superdeformed and Triaxial States in ⁴²Ca. Phys. Rev. Lett. 117, 062501(2016).
• Zs. Podolyák et al. Role of the Δ Resonance in the Population of a Four-Nucleon State in the ⁵⁶Fe → ⁵⁴Fe Reaction at Relativistic Energies. Phys. Rev. Lett. 117, 222302 (2016).

Das ultimative Detektordesign für γ-Spektroskopie ist eine geschlossene Schale aus hochreinem Germanium (HPGe). Ein solcher Ansatz wird in der AGATA-Kollaboration in Europa verfolgt. Die AGATA-Detektoren umfassen jeweils drei hochsegmentierte Ge-Kristalle in einem gemeinsamen Kryostaten. Forschung und Entwicklung zu diesen komplexen und hochintegrierten Detektorsystemen werden in der Kölner AGATA-Detektorgruppe vorangetrieben. Sowohl neuartige Technologien als auch grundlegende Detektorphysik sind die Basis für den Aufbau und erfolgreichen Betrieb von ultrasensitiven γ-Detektorsystemen. Unsere Forschungsergebnisse sind in einer Vielzahl von Publikationen zusammengefasst:

• A. Wiens et al. Improved energy resolution of highly segmented HPGe detectors by noise reduction. 
  Eur. Phys. J. A 49:47 (2013).
• B. Bruyneel et al. The liquid nitrogen fill level meter for the AGATA triple cluster detector. 
  Nucl. Inst. Meth. Phys. Res A 640 (1) 133-138 (2011).
• D. Lersch et al. The liquid nitrogen fill level meter for the AGATA triple cluster detector. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 640, 133-138 (2011).
• A. Wiens et al. The AGATA triple cluster detector. 
  Nucl. Inst. Meth. Phys. Res A 618 (1-3) 223-233 (2010).
• B. Bruyneel et al. Crosstalk properties of 36-fold segmented symmetric hexagonal HPGe detectors. 
  Nucl. Inst. Meth. Phys. Res A 599 (2–3) 196-208 (2009).
• B. Bruyneel et al. Characterization of large volume HPGe detectors. Part II: Experimental results. 
  Nucl. Inst. Meth. Phys. Res A 569 (3) 774-789 (2006).
• B. Bruyneel et al. Characterization of large volume HPGe detectors. Part I: Electron and hole mobility parameterization. 
  Nucl. Inst. Meth. Phys. Res A 569 (3) 764-773 (2006).

Experimente mit den positionssensitiven und hochsegmentierten AGATA-HPGe-Detektoren basieren auf der neuartigen Methode des Gamma-Ray-Tracking (GRT). Dieses erlaubt die genaue Bestimmung der einzelnen Wechselwirkungspunkte und damit die Rekonstruktion der Energie und aller Streupfade von γ-Strahlen im Detektor-Array. Das Tracking erfordert eine Pulsformanalyse (pulse-shape analysis, PSA) der Vorverstärkersignale aller 36 Segmente sowie der Zentralelektrode jedes Detektors. Die gemessenen Signale werden mit Simulationen verglichen um die einzelnen γ-Interaktionspunkte im Detektor mit einer Ortsauflösung von ca. 4 mm zu bestimmen. Eine wichtige Anwendung der Positionssensitivität ist die Korrektur von Ladungsträger-Trapping. HPGe-Detektoren sind in Experimenten zwangsläufig schnellen Neutronen ausgesetzt und erleiden hierdurch Kristalldefekte. Diese machen sich in einer verschlechterten Energieauflösung durch reduzierte Ladungssammlung bemerkbar. Software-basierte Korrekturen können die ursprüngliche Energieauflösung des Detektors nach Neutronenschädigung wieder herstellen.

• L. Lewandowski et al. Pulse-Shape Analysis and position resolution in highly segmented HPGe AGATA detectors. Eur. Phys. J. A 55, 81 (2019).
• B. Bruyneel, B. Birkenbach, and P. Reiter: Pulse shape analysis and position determination in segmented HPGe detectors: The AGATA detector library. Eur. Phys. J 52:70 (2016).
• B. Bruyneel et al. Correction for hole trapping in AGATA detectors using pulse shape analysis. Eur. Phys. J 49:61 (2013).

Der neue HIE-ISOLDE-Beschleunigerkomplex am Forschungszentrum CERN bei Genf bietet neue Möglichkeiten zur Untersuchung sehr exotischer Kerne mittels radioaktiver Ionenstrahlen. Experimente mit Kernen weitab des Tals der Stabilität sind relevant für das Verständnis der grundlegenden Kernstruktur und ihrer Wechselwirkungen, sowie für Fragestellungen der nuklearen Astrophysik. Unserer Gruppe gelang eine anspruchsvolle Messung mit nachbeschleunigten Ionen des doppelt-magischen Isotops ¹³²Sn. Die γ-Übergänge von angeregten Zuständen wurden mit dem MINIBALL-Spektrometer detektiert. Dieses bietet eine hohe Detektionssensitivität für Experimente mit kleinsten Strahlintensitäten.

• D. Rosiak, et al. Escape-suppression shield detector for the MINIBALL ɣ-ray spectrometer. Eur. Phys. J. A (2019) 55:48.
• D. Rosiak, et al. Enhanced quadrupole and octupole strength in doubly magic ¹³²Sn. Phys. Rev. Lett. 121, 252501 (2018).
• P. Butler, J. Cederkall, and P. Reiter: Nuclear-structure studies of exotic nuclei with MINIBALL. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 44, 044012 (2017).
• J.N. Wilson et al. Anomalies in the Charge Yields of Fission Fragments from the ²³⁸U(n,f) Reaction. Phys. Rev. Lett. 118, 222501 (2017).
• E. Clément et al. Spectroscopic Quadrupole Moments in ^96,98Sr: Evidence for Shape Coexistence in Neutron-Rich Strontium Isotopes at N = 60. Phys. Rev. Lett. 116, 022701 (2016).
• B. Siebeck et al. Testing refined shell-model interactions in the sd shell: Coulomb excitation of ²⁶Na. Phys. Rev. C 91, 014311 (2015).

Das Lund-York-Cologne-Kalorimeter (LYCCA) ist ein Teilchendetektor für die FAIR/NUSTAR-Kollaboration zum Nachweis schwerer Ionen, die in Kernreaktionen mit relativistischen radioaktiven Ionenstrahlen (radioactive ion beams, RIB) produziert werden. Die Kernladung Z sowie die Masse A der Reaktionsprodukte können durch Messung der Flugzeit (Time-of-Flight, ToF), Energieverlusten und totaler kinetischer Energie bestimmt werden. Die hohe Granularität und Positionssensitivität von LYCCA erlaubt die Rekonstruktion der einzelnen Trajektorien der Reaktionsprodukte. Dies ist notwendig um hochauflösende Gamma-Spektroskopie an Kernen fernab der Stabilität durchführen zu können. Nach dem erfolgreichen ersten Einsatz während der NUSTAR-PreSPEC-Kampagne an der GSI in Darmstadt wurde ein Upgrade der Elektronik und des Datenaufnahme-Systems am STFC Daresbury durchgeführt. Hochintegrierte AIDA Front-End-Elektronik Module mit Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) werden eingesetzt, um die Signale von mehr als tausend Spektroskopie-Kanälen zu verarbeiten. Nach der Testphase in Daresbury wurde der LYCCA-Detektor mit der neuen Elektronik am Tandembeschleuniger des IKP in Köln aufgebaut und aktuell betrieben.

• D. Ralet et al. Lifetime measurement of neutron-rich even-even molybenum isotopes. Phys. Rev. C 95, 034320 (2017).
• A. Wendt et al. Isospin symmetry in the sd shell: Transition strengths in the neutron-deficient sd shell nucleus ³³Ar. Phys. Rev. C 90, 054301 (2014).

Bildgebung hochenergetischer γ-Strahlung ist mit einer Compton-Kamera möglich. In unserer Gruppe wird ein solcher Aufbau, bestehend aus einem hochsegmentierten HPGe-Detektor und einem doppelseitig segmentierten Siliziumdetektor (DSSSD) entwickelt. Zur Rekonstruktion des Herkunftsortes von γ-Strahlung wird der Nachweis der individuellen Wechselwirkungsorte und Energien nach einer Compton-Streuung innerhalb des Ge-Kristalls genutzt. Hierzu kommen moderne digitale Spektroskopieelektronik und umfangreiche Softwarebibliotheken zum Einsatz. Eine optimierte Winkelauflösung wird durch den Einsatz des Si-Detektors in Koinzidenz mit dem Ge-Detektor erzielt. Für das Funktionsprinzip ist eine gute Energieauflösung der Detektoren und eine optimale Bestimmung der Wechselwirkungsorte mit Hilfe von Pulsformanalyse und des γ-ray-Trackings notwendig. Die ersten Ergebnisse sind in einer Publikation zusammengefasst:

• T. Steinbach, R. Hirsch et al. Compton imaging with a highly-segmented, position-sensitive HPGe detector. Eur. Phys. J. A 53, 23 (2017).

Lebensdauern von angeregten Zuständen sind wichtige Observablen des Atomkerns. Mithilfe von Gamma-Übergangsenergien und nuklearen Lebensdauern können reduzierte Übergangsstärken bestimmt werden. Diese Signaturen geben Aufschluss über die Struktur, also die Übergangsmatrixelemente und die beteiligten nuklearen Wellenfunktionen, sowie über die Kollektivität der untersuchten Kerne. Um eine breite Lebensdauerspanne zu studieren werden unterschiedliche Techniken verwendet: Die Dopplerverschiebungsmethode (kurz: DSAM) und die Plungermethode (auch: RDDS) werden für kürzeste Lebensdauern (0,1 ps - 1000 ps) verwendet während die Fast-Timing-Methode für längere Lebensdauern (<100 ns) genutzt wird. Lebensdauermessungen mit gepulstem Ionenstrahl ermöglichen die Untersuchung von Lebensdauern im Bereich von 100 ns bis zu einigen Sekunden. Experimente zur Messung unterschiedlichster Lebensdauern werden am FN-Tandem-Beschleuniger des Instituts für Kernphysik zusammen mit speziell dafür vorgesehenen Aufbauten durchgeführt.

• M. Droste et al. Lifetime measurements in the ground-state band in ¹⁰⁴P . Phys. Rev. C 106 024329 (2022).
• K. Arnswald et al. Enhanced quadrupole collectivity in doubly-magic ⁵⁶Ni: Lifetime measurements of the  4⁺ and 6⁺ states. Phys. Lett. B 820 (2021) 136592.
• H. Kleis et al. Lifetime measurements of excited states in ⁵⁵Cr. Phys. Rev. C 104, 034310 (2021).
• K. Arnswald et al. Lifetime measurements in ⁴⁴Ti. Phys. Rev. C 102, 054302 (2020).
• M. Queiser et al. Cross-shell excitations from the fp shell: Lifetime measurements in ⁶¹Zn. Phys. Rev. C 96, 044313 (2017).
• K. Arnswald et al. Enhanced collectivity along the N=Z line: Lifetime measurements in ⁴⁴Ti, ⁴⁸Cr, and ⁵²Fe. Phys. Lett. B 772, 599-606 (2017).

Ein neuer dedizierter Experimentalaufbau am Kölner γ-Spektrometer HORUS erlaubt komplementäre und detaillierte Messungen zu Ergebnissen, die mit dem AGATA-Tracking-Array erzielt wurden. Insbesondere leicht neutronenreiche Xe- und Ba-Isotope nahe der Schalenabschlüsse bei Z=50 und N=82 sind in Fusionsverdampfungsreaktionen mit stabilen Strahl-Target-Kombinationen nur schwer zugänglich. Saubere und selektive Triggerbedingungen sind insbesondere für Evaporationkanäle notwendig, in denen geladene Teilchen beteiligt sind. Ein doppelseitig segmentierter Siliziumdetektor (DSSSD) wird zum Nachweis geladener Teilchen in Koinzidenz zum Gammaspektrometer HORUS eingesetzt. Mit diesem Setup konnten Hochspinzustände in verschiedenen Xe- und Ba-Isotopen spektroskopiert und bestehende Termschemata zu höheren Energien erweitert werden. Die Ergebnisse werden mit neuesten Schalenmodellrechnungen verglichen.

• A. Vogt et al. Isomers and high-spin structures in the N=81 isotones ¹³⁵Xe and ¹³⁷Ba. Phys. Rev. C 95, 024316 (2017).
• L. Kaya et al. Characterization and calibration of radiation-damaged double-sided silicon strip detectors. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 855 109-117 (2017).
• B. Fu et al. γ-ray spectroscopy of ³³P and ³³S after fusion-evaporation reactions. Phys. Rev. C 94, 034318 (2016).