Study of (n,x) reactions on Ge isotopes

Abstract

Neutron-induced reaction cross sections are of major importance concerning both practical applications and fundamental research in the Nuclear Physics field. Practical applications include dosimetry, astrophysical projects, reactor technology, nuclear medicine, and the wide use of Ge in γ-ray detectors. Regarding the fundamental research interest, some (n,x) reaction channels on Ge isotopes produce residual nuclei in high-spin isomeric states. The de-excitation of such nuclei is heavily dependent on the spin distribution of the continuum phase space and the spins of the respective discrete levels involved. Accurate experimental cross-section data of (n,x) reactions that produce such residual nuclei can play a significant role in the study of the residual compound nucleus. A plethora of reaction channels is produced from the five natural occurring isotopes of Ge (70,72,73,74,76Ge), revealing very interesting systematics, crucial for the optimization of statistical model calculations. The simultaneous reproduction of all the experimentally studied reaction channels, with the same set of input parameters, can act as a very important constraint in statistical model calculations. In addition, accurate cross-section data above 15 MeV are very important, since in this energy region, the contribution of the prequilibrium effect in the de-excitation of the compound nucleus becomes more significant. Most of the experimental cross-section data of (n,x) reactions on Ge isotopes found in literature, are measured with natGe targets and are limited to energies below 15 MeV, with large discrepancies among them. It should also be underlined that similar discrepancies are observed among the different evaluation libraries, that become more prominent at higher energies. In this scope, in the present work the 70Ge(n,2n)69Ge, 72Ge(n,p)72Ga, 72Ge(n,α)69mZn, 73Ge(n,p)73Ga, 73Ge(n,np/d)72Ga, 73Ge(n,nα)69mZn,74Ge(n,α)71mZn, 74Ge(n,np/d)73Ga and 76Ge(n,2n)75Ge reactions have been studied in the energy range between 14-18.9 MeV. The cross sections were experimentally measured via the activation technique implementing five isotopically enriched Ge targets provided by then_TOF collaboration (CERN). The irradiations were performed at the neutron beam facilities of:• The 5.5 MV Tandem Van de Graaff Accelerator of NCSR “Demokritos” (Athens, Greece).• The 2 MV Tandetron Accelerator of AMANDE, IRSN (France).The quasi-monoenergetic neutron beams were produced via the 3H(d,n)4He (D-T) reaction in both facilities, while the necessary neutron flux was determined via the 27Al(n,α)24Na reference reaction. The induced radioactivity on the Ge targets and Al reference foils was measured by γ-ray spectroscopy employing HPGe detectors. The combined use of the NeuSDesc and MCNP5 codes, was implemented for the simulation of the propagation of the neutron beam through the consecutive stack of targets and reference foils. Finally, a subsequent theoretical study of the nine aforementioned reactions was performed by Hauser-Feshbach calculations via the EMPIRE 3.2.3 code.

Οι αντιδράσεις νετρονίων σε ισότοπα του Γερμανίου (Ge) είναι πολύ σημαντικές τόσο για πρακτικές εφαρμογές, όσο και για τη θεμελιώδη έρευνα στον Τομέα της Πυρηνικής Φυσικής. Οι πρακτικές εφαρμογές περιλαμβάνουν τη δοσιμετρία, την αστροφυσική, τεχνολογία αντιδραστήρων, την πυρηνική ιατρική καθώς και την ευρεία χρήση του Ge σε ανιχνευτές ακτινοβολίας-γ. Όσον αφορά στη θεμελιώδη έρευνα, κάποιες από τις αντιδράσεις (n,x) σε ισότοπα του Ge, παράγουν πυρήνες σε ισομερείς καταστάσεις υψηλού σπιν. Η αποδιέγερση τέτοιου είδους πυρήνων εξαρτάται σημαντικά από την κατανομή των σπιν στο συνεχή χώρο των φάσεων, καθώς και των αντίστοιχων τιμών σπιν των διακριτών καταστάσεων. Ακριβή πειραματικά δεδομένα ενεργών διατομών (n,x) αντιδράσεων που παράγουν τέτοιου είδους πυρήνες, παίζουν σημαντικό ρόλο στη μελέτη του παραγόμενου σύνθετου πυρήνα. Μια πληθώρα καναλιών αντίδρασης είναι διαθέσιμα προς μελέτη από τα πέντε σταθερά ισότοπα του Ge (70,72,73,74,76Ge), αποκαλύπτοντας ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες συστηματικές, σημαντικές για τη βελτιστοποίηση υπολογισμών στατιστικών μοντέλων. Η ταυτόχρονη αναπαραγωγή όλων των πειραματικά μετρούμενων καναλιών αντίδρασης, χρησιμοποιώντας το ίδιο σύνολο παραμέτρων εισόδου, μπορεί να δράσει ως ένα πολύ ισχυρός περιορισμός σε υπολογισμούς στατιστικών μοντέλων. Επιπροσθέτως, ακριβή δεδομένα ενεργών διατομών σε ενέργειες νετρονίων μεγαλύτερες από τα 15 MeV, είναι πολύ σημαντικές, εφόσον σε αυτή την ενεργειακή περιοχή, η συνεισφορά φαινομένων προ-ισορροπίας στην αποδιέγερση του σύνθετου πυρήνα, γίνεται σημαντική. Τα περισσότερα από τα υπάρχοντα δεδομένα ενεργών διατομών για αντιδράσεις (n,x) σε ισότοπα του Ge που βρίσκονται στη βιβλιογραφία, έχουν μετρηθεί με χρήση φυσικών στόχων Γερμανίου (natGe) και είναι περιορισμένα σε ενέργειες κάτω από 15 MeV, με μεγάλες αποκλίσεις μεταξύ τους. Πρέπει επίσης να υπογραμμιστεί ότι αντίστοιχες αποκλίσεις παρατηρούνται μεταξύ των υπαρχόντων βιβλιοθηκών αξιολόγησης, οι οποίες γίνονται σημαντικές σε μεγαλύτερες ενέργειες.Βάσει των παραπάνω, στην παρούσα εργασία, οι αντιδράσεις 70Ge(n,2n)69Ge, 72Ge(n,p)72Ga, 72Ge(n,α)69mZn, 73Ge(n,p)73Ga, 73Ge(n,np/d)72Ga,73Ge(n,nα)69mZn, 74Ge(n,α)71mZn, 74Ge(n,np/d)73Ga και 76Ge(n,2n)75Ge μελετήθηκαν στο ενεργειακό εύρος 14.0 - 18.9 MeV.Οι ενεργές διατομές μετρήθηκαν πειραματικά βάσει της μεθόδου της νετρονικής ενεργοποίησης, αξιοποιώντας πέντε ισοτοπικά εμπλουτισμένους στόχους, τους οποίους παρείχε το n_TOF collaboration (CERN). Οι ακτινοβολήσεις έλαβαν χώρα στις νετρονικές εγκαταστάσεις:• Του επιταχυντή 5.5 MV Tandem Van de Graaff του ΕΚΕΦΕ “Δημόκριτος” (Αθήνα, Ελλάδα).• Του επιταχυντή 2 MV Tandetron στην εγκατάσταση ”AMANDE”, IRSN (Γαλλία).Η παραγωγή των οιονεί-μονοενεργειακών δεσμών νετρονίων βασίστηκε στην αντίδραση 3H(d,n)4He (D-T) και στις δύο νετρονικές εγκαταστάσεις, ενώη απαραίτητη νετρονική ροή προσδιορίσθηκε μέσω της αντίδρασης αναφοράς 27Al(n,α)24Na. Η ραδιενέργεια που προκλήθηκε στους στόχους Ge καθώς και στα φύλλα αναφοράς Al, μετρήθηκε μέσω φασματοσκοπίς-γ, αξιοποιώντας ανιχνευτές HPGe. Έγινε επίσης συνδυαστική χρήση των κωδίκων NeuSDesc και MCNP5 για την προσομοίωση της διάδοσης της νετρονικής δέσμης, στους στόχους Ge και στα φύλλα αναφοράς.Τέλος, ακολούθησε μια θεωρητική μελέτη των 9 αντιδράσεων που αναφέρθηκαν παραπάνω μέσω υπολογισμών Hauser-Feshbach μέσω του κώδικα EMPIRE 3.2.3.