Study of fission of exotic actinides by relativistic reactions

178 Pages·2017·22.63 MB·English

by  Yiman Yan

Study of fission of exotic actinides by relativistic
reactions
Yiman Yan
To cite this version:
YimanYan. Studyoffissionofexoticactinidesbyrelativisticreactions. NuclearExperiment[nucl-ex].
Université Paris-Saclay, 2016. English. ￿NNT: 2016SACLS258￿. ￿tel-01507094￿
HAL Id: tel-01507094
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
NNT : 2016SACLS258
T D
HÈSE DE OCTORAT

DE
’U P -S
L NIVERSITÉ ARIS ACLAY

PRÉPARÉE À
L’UNIVERSITÉ PARIS SUD
ÉCOLE DOCTORALE N°576
Particules, Hadrons, Énergie, Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et
Simulation (PHENIICS)
Spécialité de doctorat : Structure et réactions nucléaires
Par
Mme Yiman YAN
Study of fission of exotic actinides by relativistic reactions
Thèse présentée et soutenue à Orsay, le 28 septembre 2016 :
Directrice de Thèse :
Mme Dominique Jacquet,Directrice de Recherche, CNRS
Composition du Jury :
M. Fadi Ibrahim, Directeur de Recherche, CNRS (IPNO), Président du Jury
Mme Héloïse Goutte, Directrice de Recherche, CEA, Rapporteure
M. Stephan Oberstedt, Directeur de Recherche, Joint Research Center, Rapporteur
M. Julien Taïeb, Chargé de Recherche, CEA, Examinateur
M. Grégoire Kessedjian, Maître de Conférences, INP Grenoble, Examinateur
M. Laurent Audouin, Maître de Conférences, Université Paris Saclay, Encadrant de Thèse
M. Laurent Tassan-Got, Directeur de Recherche, CNRS (IPNO), Invité

CNRS - UNIVERSITÉ PARIS SUD
e
r
i
a
28 septembre 2016 IPNO-T-16-05
é
l
Thèse de Doctorat
c
u École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie, Noyau, Instrumentation,
Imagerie, Cosmos et Simulation (PHENIICS)
N
Laboratoire : Institut de physique nucléaire d’Orsay
Discipline : Physique
e
u
Présentée et soutenue par
q
Yiman YAN
i
s
y
Pour obtenir le grade de Docteur ès Sciences
h
De l’Université Paris Sud
P
Study of fission of exotic actinides by relativistic
e
reactions
d
t Directrice de thèse : Dominique Jacquet, CNRS
u
Composition du jury :
t
Président du jury : Fadi Ibrahim - CNRS (IPNO)
i
t Rapporteurs : Héloïse Goutte - CEA
s Stephan Oberstedt - Joint Research Center
n Examinateurs : Julien Taïeb - CEA
Grégoire Kessedjian - INP Grenoble
I
Encadrant de thèse : Laurent Audouin - Université Paris Saclay
Invité : Laurent Tassan-Got - CNRS (IPNO)

v
Acknowledgements
WhenIstartwritingthispart,allthosepeoplewhohelped,supportedandencouragedme
ofpursuingadoctoraldegree, andallthemomentsIsharedwiththemduringthethreeyears
ofmyPhDtrainingcometomymind. HereIwanttosaytoallofthemthatIamreallygrateful.
First of all, I want to sincerely thank Laurent Tassan-Got for his dedicated supervision,
withoutwhichIwouldnotbeabletopresentamanuscriptofthecurrentqualityintime. Ialso
want to thank him for his detailed and understandable explanations to all kinds of questions
I raised, especially those about the nuclear physics. He was always willing to help, and his
confidenceinmehelpedmetocalmdownandmotivatedmetofacethechallenges.
IwouldliketothankLaurentAudouinforhisadviceincoding,hisguidancewhichhelped
me to be prepared for the thesis, his corrections of the manuscript, and his assist in all the ad-
ministrativestuff,especiallythoserequiringagoodFrenchlevel.
Iwouldalsoliketoexpressthankstoallthejurymembersfortheirreadingofthemanuscript
and the suggestions they made during the defense, and particularly to the two reviewers,
Héloïse Goutte and Stephan Oberstedt, for their constructive comments and their agreeing
towritethereportundertimepressure.
IwanttothanktheentireSOFIAteamaswell. Ifeelveryluckytobeamemberofthisteam,
and it was an exciting and precious experience to perform such a complicated nuclear fission
experimentwithagroupofpeoplewhoareprofessional,hard-workingandenthusiasticabout
theirresearchwork. IreallyappreciatethatIhavelearnedalotfromthesepeople: Julien,Au-
drey, Gilbert, Benoît, Guillaume, Andreas, Fanny, Beatriz, Carme, Jose-Luis... In particular, I
wouldliketothankJulie,ThomasandLucieforallthediscussionswehadtohelpmesolvethe
problems, and their generous sharing of experience in assembling detectors, coding and data
analysis. Besides, Iam gratefulthat theteammembers shareda pleasantmemoryof enjoying
beers,deliciousdinnersandkaraokeeveningstogetherinthebreaksoftheexperimentperiod.
Ialsowanttothankallthecolleaguesinthelab: Maud,mydear"office-mate",withwhom
I not only shared the office for 3 years, but also exchanged knowledge, ideas and experience;
Aurélie, who cared about me, encouraged me and gave me advice on many things; Alice,
whopatientlyhelpedmeonseveralissues;Claude,awarm-heartedladywhodrovemehome
many times and invited me and my husband to her home; Yonghao, the other Chinese in the
group,whointroducedmetoanumberofhisfriendsandwithwhomIdiscussedvarioussub-
jects;Xavier,whowasverykindtoreadmymanuscriptandgivecomments;Dominique,who
helpedmeinthepaperworkbyagreeingtobemydirectorofthesisinanadministrativepoint
ofview;andIdonotforgetClaireandMarc.
vi
I would like to thank all the Chinese friends I made in the university: Lousai, for hav-
ing welcomed me to the lab; Yu, Binsong and Mengze, for their advice and encouragement;
Gaoyang, Zizhao, Ying, Yanzhou, Yaqiong, Yiting and Feng, for their help in preparing the
"pot"andtheiraccompanyinseveralrelaxingparties.
Additionally,manythankstomybestfriends—Jinling,XinandQi,fortheiralwaysbeing
availablewhenIneedthemandtheirfirmconfidenceinmeofsuccessfullyobtainingthedoc-
toral degree. In particular, I would like to thank Qi for understanding my situation very well
asbeingaPhDstudentherselfandforthepracticalsuggestionsshemade.
Finally,IwanttosaythatIamextremelygratefultomyfamily—myparents,myhusband,
and my parents-in-law, for their patient listening to my worries and concerns, their under-
standingandsupport,andtheirbeingasourceofcomfortandinspiration. Especially,Iwantto
thankmyhusbandforhisaccompany, hiseffortstohelpmeinallaspects, andhistakingcare
ofmeintheverylastperiodofwritingthismanuscript. Withouthim, thosethreeyearscould
havebeenmuchtougher.
vii
Contents
1 Introduction 1
1.1 Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Discoveryoffission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 FissionModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2.1 Liquiddropmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2.2 Shellmodel,andshellcorrectionmethod . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Fissionyields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Motivationtomeasurefissionyields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1.1 Importanceoffissionyieldsfortheory . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1.2 Importanceoffissionyieldsforapplication . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Experimentaltechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2.1 Radiochemicalmethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2.2 2Eand2vmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2.3 Recoilmassspectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2.4 Experimentsusinginversekinematics . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 theSOFIAexperiment 19
2.1 OverviewoftheSOFIAexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 OverviewoftheGSIfacility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Methodofidentifyingions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 FissionMechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 Coulomb-inducedfission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1.1 CalculationofCoulomb-inducedexcitationenergy . . . . . . . . 24
2.4.2 Nuclear-inducedfission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.3 ExtractionofCoulomb-inducedfission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 TwoSOFIAexperiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Outlineofthefollowingchapters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 Secondarybeamidentification 31
3.1 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Fragmentationoftheprimarybeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 TheGSIFRagmentSeparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2.2 A/Zselectionprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
viii
3.1.2.3 Energydegrader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.2.4 Zselectionprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.3 TripleMUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.3.1 GeneralaspectsasaMUSICdetector . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.3.2 SpecificsoftheTripleMUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.4 Scintillationdetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.5 MWPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.1 Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.2 Nuclearcharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2.1 Alignmentofgainsofallanodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2.2 Correctionsofenergylosspersection . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.2.3 Combinationofcorrectedenergylosses . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.2.4 Extractionofnuclearcharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Mass-over-chargeratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.3.1 Magneticrigiditymeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.3.2 Positionmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3.3 Dispersions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.3.4 A/qcorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.4 Fullidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.5 PerformanceofnewPMTsunderextremecountingrate . . . . . . . . . . 74
4 Identificationoffissionfragments 79
4.1 Experimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.2 Activetarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.3 TwinMUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.4 ToFwall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.5 MWPCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 Determinationofthefissionlocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1.1 Energylossineachsection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1.2 Principleofthemeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.2 Nuclearchargeidentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.2.1 HorizontalangleupstreamALADIN . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.2.2 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.2.3 Trajectoryreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.2.4 Timeofflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.2.5 Energylosscorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.2.6 ExtractionofZfrom∆E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.2.7 Optimizationofthenuclearchargedistribution . . . . . . . . . . 110
ix
5 Extractionoftheelementalfissionyieldanddiscussion 115
5.1 Extractionoftheelementalfissionyield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.1 ExtractionofCoulomb-inducedfission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.1.1 Rejectionofeventsinwhichthetotalchargeisnotequalto92 . 116
5.1.1.2 Subtractionofresidualcontributionofnuclear-inducedfission . 119
5.1.2 Efficiencyoftheexperimentalsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.2.1 LimitationsduetotheTwinMUSIC . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.2.2 LimitationsduetoMWPCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.1.2.3 LimitationsduetotheToFwall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.1.2.4 Efficiencyofthesetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1.3 Elementalfissionyield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1.3.1 Elementalyield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1.3.2 Calculationofuncertaintyontheyield . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.1 ComparisonwithotherSOFIAdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.2 Meanpositionoftheheavyfragments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.2.3 Comparisonwithevaluateddata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.3.1 LibraryENDF/B-VII.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2.3.2 LibraryJEFF3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2.4 Evaluationoftheelementalyieldlevelatsymmetry . . . . . . . . . . . . . 136
6 Conclusion 143
ListofTables 147
ListofFigures 149
A Schemeoftheexperimentalsetup 159