Systematic studies of heavy-ion reactions in the Fermi energy domain for the production of rare isotopes

Abstract

Multinucleon transfer reactions at Fermi energies (15 – 35 MeV/nucleon) provide an advantageous approach for the effective production of neutron-rich isotopes and for the elucidation of the reaction dynamics. In this thesis, we performed a systematic study of peripheral reactions of medium-mass nuclei in the Fermi energy regime, with focus on the reactions of 86Kr with 64Ni and 124Sn at 15 and 25 MeV/nucleon. Experimental distributions on reactions with neutron-deficient targets 58Ni and 112Sn are presented in the Appendix A. Experimental data were obtained with the “optimum” settings for each target and reaction with the Momentum Achromat Recoil Separator (MARS) spectrometer at the Cyclotron Institute of Texas A&M University in previous works of our group. We focus on the study of mass and momentum per nucleon (p/A) distributions. The momentum per nucleon (p/A) distributions of the ejectiles are characterized by a quasielastic peak near (below) the projectile velocity and a region at lower velocities corresponding to dissipative events. Two-body kinematics was employed to extract the total excitation energies of these regions. Special attention is paid to multiple charge exchange channels that can produce n-rich nuclei, especially the triple charge exchange (TCE) channel. This is the first time we have reported experimental data on momentum per nucleon distributions from a TCE channel. The experimental data are compared with model calculations based on a two-step approach, in which the dynamical stage of the collision is described with either the phenomenological Deep Inelastic Transfer model (DIT) or with the microscopic Constrained Molecular Dynamics model (CoMD). The deexcitation of the hot heavy projectile-like fragments is performed with the binary deexcitation model GEMINI. Both models appear to describe the overall features of the data fairly well at 25 MeV/nucleon, whereas they show larger deviations at 15 MeV/nucleon. This can be attributed to the presence of direct transfer and cluster transfer mechanisms in addition to the main mechanism of independent nucleon exchange. The detailed comparison of the experimental data with the model calculations offered valuable insights into the reaction mechanisms within this energy domain, indicating that in addition to independent nucleon exchange, other processes may also play a role. This research establishes a foundation for systematically exploring the mechanisms of multinucleon transfer reactions with medium-mass heavy ions at energies below the Fermi energy, thus offering insights for the production of exotic, neutron rich nuclei.

Οι αντιδράσεις μεταφοράς πολλαπλών νουκλεονίων σε ενέργειες Fermi (15–35 MeV/νουκλεόνιο) παρέχουν μια επωφελής προσέγγιση για την παραγωγή πλούσιων σε νετρόνια ισοτόπων και για τη διαλεύκανση της δυναμικής των αντιδράσεων. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μια συστηματική μελέτη περιφερειακών αντιδράσεων πυρήνων ενδιάμεσων μαζών στην περιοχή ενεργιών Fermi, με έμφαση στις αντιδράσεις 86Kr + 64Ni και 124Sn στα 15 και 25 MeV/νουκλεόνιο. Τα πειραματικά δεδομένα αποκτήθηκαν σε προηγούμενες εργασίες της ερευνητικής μας ομάδας με τις “βέλτιστες” ρυθμίσεις για κάθε στόχο και αντίδραση, χρησιμοποιώντας το φασματόμετρο Momentum Achromat Recoil Separator (MARS) στο Ινστιτούτο Κύκλοτρου του πανεπιστημίου Texas A&M. Εστιάζουμε στη μελέτη των κατανομών μάζας και ορμής ανά νουκλεόνιο (p/A). Οι κατανομές ορμών χαρακτηρίζονται από μια ψευδο-ελαστική κορυφή κοντά (ή κάτω) από την ταχύτητα του βλήματος και μια περιοχή σε χαμηλότερες ταχύτητες που αντιστοιχεί σε διεργασίες με μεγαλύτερη απώλεια ενέργειας. Μέσω κινηματικής δύο σωμάτων εξήχθησε η συνολική ενέργεια διέγερσης αυτών των περιοχών. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε σε κανάλια πολλαπλής ανταλλαγής φορτίου που οδηγούν σε πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια, και ειδικά στοκανάλι τριπλής ανταλλαγής φορτίου. Αυτή είναι η πρώτη φορά που αναφέρονται δεδομένα κατανομών ορμής σε αυτό το κανάλι για όλα τα συστήματα που μελετήθηκαν. Τα πειραματικά δεδομένα συγκρίνονται με υπολογισμούς μοντέλων βασισμένων σε προσέγγιση Monte Carlo δύο σταδίων, όπου το δυναμικό στάδιο της σύγκρουσης περιγράφεται είτε με το φαινομενολογικό μοντέλο Deep Inelastic Transfer (DIT) είτε με το μικροσκοπικό μοντέλο Constrained Molecular Dynamics (CoMD). Η αποδιέγερση των θερμών, βαρεών, ψευδο-βλημάτων πραγματοποιείται με το δυαδικό μοντέλο αποδιέγερσης GEMINI. Και τα δύο μοντέλα φαίνεται να περιγράφουν αρκετά καλά τα συνολικά χαρακτηριστικά των δεδομένων στα 25 MeV/νουκλεόνιο, ενώ παρουσιάζουν μεγαλύτερες αποκλίσεις στα 15 MeV/νουκλεόνιο. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία μηχανισμών άμεσης μεταφοράς και μεταφοράς συσσωματωμάτων (cluster), επιπλέον του κυρίαρχου μηχανισμού ανεξάρτητης ανταλλαγής νουκλεονίων. Η λεπτομερής σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τους υπολογισμούς των μοντέλων και η επακόλουθη μελέτη της εξάρτησης από την ενέργεια της δέσμης παρείχαν πολύτιμες πληροφορίες για τους μηχανισμούς των αντιδράσεων σε αυτό το ενεργειακό πεδίο, υποδεικνύοντας ότι εκτός από την ανεξάρτητη ανταλλαγή νουκλεονίων, μπορεί να παίζουν ρόλο και η ανελαστική διέγερση του στόχου και οι άμεσες διεργασίες ανταλλαγής νουκλεονίων. Η έρευνα αυτή θέτει τα θεμέλια για τη διερεύνηση των μηχανισμών μεταφοράς πολλαπλών νουκλεονίων σε ενέργειες κάτω από την ενέργεια Fermi, προσφέροντας νέες προοπτικές για την παραγωγή πλούσιων σε νετρόνια πυρήνων.