Academia.eduAcademia.edu

ASTROPHYSICAL S FACTOR FOR PROTON CAPTURE ON Sm-147 AND Sm-149

The cross sections of the 147 Sm(p,γ) 148 Eu and 149 Sm(p,γ) 150 Eu reactions have been measured with the activation method, in the Gamow window for the astrophysical p process. The experiments were carried out at the IFIN-HH Tandem accelerator. The cross sections have been derived by measuring the decay γ radiations of the reaction products. The results are compared with the predictions of the Hauser -Feshbach statistical model calculations performed with the code NON-SMOKER.

Dedicated to Professor Oliviu Gherman’s 80th Anniversaryă ASTROPHYSICALăSăFACTORăFORăPROTONăCAPTUREăă ONă147SmăANDă149Smă M.ăIVAŞCU1,ăI.ăC TA-DANIL1,ăD.ăFILIPESCU1,ăL.ăSTROE1,2,ăT.ăGLODARIU1,ăă D.ăBUCURESCU1,ăG.ăC TA-DANIL1,2,ăD.ăDELEANU1,2,ăD.G.ăGHI 1,ăN.ăM RGINEAN1,ăă R.ăM RGINEAN1,ăC.ăMIHAI1,ăS.ăPASCU1,2,ăT.ăSAVA1,ăG.ăSULIMAN1,ăN.V.ăZAMFIR1ă 1 ăNationalăInstituteăforăNuclearăPhysicsăandăEngineering,ăP.O.BoxăMG-6,ăRO-077125ăBucharestMagurele,ăRomania,ăE-mail:ă[email protected];ăE-mail:ă[email protected]ăă 2 ăUniversityă“Politehnica”ăofăBucharest,ăPhysicsăDepartment,ăBucharest,ăRomaniaă Received August 24, 2010 Theă crossă sectionsă ofă theă 147Sm(p,γ)148Euă andă 149Sm(p,γ)150Euă reactionsă haveă beenămeasuredăwithătheăactivationămethod,ăinătheăGamowăwindowăforătheăastrophysicală păprocess.ăTheăexperimentsăwereăcarriedăoutăatătheăIFIN-HHăTandemăaccelerator.ăTheă crossă sectionsă haveă beenă derivedă byă measuringă theă decayă γă radiationsă ofă theă reactionă products.ă Theă resultsă areă comparedă withă theă predictionsă ofă theă Hauseră –ă Feshbachă statisticalămodelăcalculationsăperformedăwithătheăcodeăNON-SMOKER.ă Key words:ăactivationămethod,ăfusionăreactions,ăcross-section,ăSăfactor.ă 1. INTRODUCTION TheăstudyăofăEuănucleiăisăveryăimportantăinăorderătoăobtainănewăinformationă concerningătheăsynthesisăofăpătypeănuclei.ăTheănuclearăsynthesisăofăpătypeănucleiăisă definedă ină nucleară astrophysicsă asă aă “pă process”ă [1,2].ă Thisă processă consistsă ofă differentănuclearăsynthesisăscenarios,ăinăwhichăeachăpătypeănucleusăisăprecededăbyăaă (γ,ăn),ă(γ,ăp)ăoră(γ,ăα)ăreactions.ăInăsomeăofătheseăscenariosă(p,ăγ),ă(α,γ),ă(p,ănγ)ăandă (α,ă nγ)ă reactionsă mayă beă present.ă Thereă areă 32ă stableă pă typeă nucleiă heavieră thană iron,ălocatedăbetweenă 74Seăandă 136Hg.ăTheă 148Euăandă 150Euăbelongătoăthisăfamilyăofă nuclei.ăOneăofătheămajorăenigmasăofăallătheănuclearăsynthesisă păprocessămodelsăisă theăpredictionăofătheăpătypeănucleiăabundances.ăAtătheăpresentătime,ăităisăwellăknownă thatătheănuclearăsynthesisămodelsăareăcapableătoăreproduceătheăpănucleiăabundancesă withinăaăfactorăofăthreeă[3,4].ăTheseădiscrepanciesăoccurădueătoăuncertaintiesăinătheă astrophysicalăsideăofămodelingătheă păprocessesăorăcanăresultăfromăuncertaintiesăofă theăinputăsideăofănucleară physicsăusedăinăabundanceăcalculations.ăWeăhaveătoăsayă thată captureă crossă sectionă measurementsă areă stillă rareă dueă toă theă measurementă difficulties.ăIfăweăreferătoă(p,γ)ămeasurementsăforănucleiăhavingăAă>ă140,ăweăhaveă toăunderlineăthatătheyăhaveătoăbeădoneăusingăenergiesăsmallerăthată3ăMeVăforăprotonă Rom.ăJourn.ăPhys.,ăVol.ă55,ăNos.ă9–10,ăP.ă1006–1012,ăBucharest,ă2010ă 2ă AstrophysicalăSăfactorăforăprotonăcaptureăonă147Smăandă149Smă 1007ă andă 12ă MeVă foră alphaă particles,ă thată is,ă ină theă regionă ină whichă theă reactionă crossă sectionsăareăveryăsmall.ăInăthisăcase,ătheăbeamăintensityămustăbeăinătheăinătheărangeă ofămicroamperes,ăandătheăirradiationătimeăhasătoăbeăinătheătenthsăofăhoursărange.ăInă conceivingăandăbuildingăanăexperimentalăsetupăforămeasuringătheătotalăcrossăsectionă forăprotons,ăwhichămayătakeăintoăaccountătheăpreviouslyămentionedădifficulties,ăoneă hasă toă respectă threeă importantă aspects:ă a)ă studyă suchă experimentală setupsă usedă ină thisămomentăinăotherălaboratories,ăb)ăselectăandătestătheăequipmentăhavingăoptimumă parameters,ăandăc)ăfinishăbuildingătheăexperimentalăsetupăwhichămayăbeătestedăandă usedăinăourăgroup’săprojectsăregardingănuclearăastrophysics.ă Ităisătheăgoalăofătheăpresentăworkătoăpresentătheămeasuredăcrossăsectionsăofătheă 147 Sm(p,γ)148Euăandă 149Sm(p,γ)150Euăreactionsăinătheăenergyărangeărelevantăforătheă astrophysicalăpăprocess,ăandătoăcompareăthemăwithătheăpredictionsăofătheăHauseră–ă Feshbachăstatisticalămodelăcalculations.ă 2. EXPERIMENTAL SETUP AND PROCEDURES Theăexperimentalăsetupăandătheăentireăexperimentalăprocessăareă presentedăină ourăpreviousăarticleă[5].ăTheăcharacteristicăactivitiesăofă 148Euă(5–ăgroundăstate)ăandă 150 Euă(0–ăisomericăstate)ăwereămeasuredăwithăaăpairăofălargeăvolumeăGeădetectorsăină closeăgeometryătoămaximizeătheădetectorăefficiency.ăDuringăirradiationătime,ă 148Euă nucleiăareăobtainedăinăgroundăstateă(5–,ă54.5ăd)ăwhileă 150Euănucleiăareăobtainedăină isomerică stateă (0–,ă 12.8ă h).ă Theă totală numberă ofă nucleiă populatedă onă groundă oră isomericăstateăatătheăendăofătheăirradiationătimeă ta ăcanăbeăobtainedăas:ă ă N M (ta ) = σM ρh a NA I (t ) p e−λM ta ∫ eλM t dt ă AT Z pe 0 t (1)ă whereă σM ăisătheăpartialăcaptureăcrossăsectionătoăgroundăorăisomericăstate,ă λM ăisătheă correspondingă decayă constantă pă isă theă isotopică enrichmentă ofă theă target,ă ρ hă –ă target’săspecificăthickness,ă N A –ăAvogadroănumber,ă Z P –ăprojectileăatomicănumber,ă AT ă –ă targetă meană massă number,ă eă –ă electronă charge,ă andă I (t ) ă –ă electricală beamă intensity.ă Ifătheătargetăisămeasuredăafterăaăwaitingătimeă t w ,ăoverătheămeasuringătimeă tm ,ă theăfollowingănumberăofăactivatedănucleiăwillăbeădisintegrated:ă ă NMdez (tw , tm ) = NMi e−λM tw (1 − e−λM tm ) ă (2)ă withă N Mi ăobtainedăfromăEq.ă(1).ă Thisănumberăcanăbeăconnectedădirectlyăwithătheăpeakăsurfaceă Ai ăofăaăcertaină gammaăradiationăγi,ăwhichăhaveătoăbeăemittedăonlyăinătheădecayăofăpopulatedăstateă ă Ai = I γi εi N Mdez,G (tw , tm ) ă (3)ă M.ăIvaşcuăet al. ă 1008ă 3ă whereă εi ă representsă absoluteă peakă efficiencyă foră γiă radiationă ină theă specifiedă detectionăgeometry,ăandă I γi ăisătheăabsoluteăgammaărayăintensityăofăγiăradiation.ă Besidesă 148Euăandă 150Eu,ăgroundăstatesăofă147Euă(5/2+,ă24.1ăd)ăandă149Euă(5/2+ă 93.1ăd)ăareăalsoăpopulatedăthroughă(p,n)ăreactionsăthusămakingăpossibleătoămeasureă theăcorrespondingăcrossăsectionăusingătheăsameătechnique.ă Basedă onă theă totală experimentală cross-sectionă valuesă oneă cană calculateă theă astrophysicalăfactorsăS,ăusingătheăfollowingăequation:ă S ( E ) = σT ( E ) ⋅ E ⋅ e2 πη ă ă (4)ă whereă ηă isă theă Somerfeldă parameter,ă σTă isă theă totală reactionă cross-sectionă ină theă centerăofămass.ă Enrichedă 147Smă andă 149Smă targetsă havingă moreă thană 95%ă isotopică abundances,ăinătheăformăofăselfăsupportingăfoilsăofă~ă1.8ămg/cm2ăwereăusedăinăthisă experiment.ăTheăsamariumăfoilsăwereămountedăonăcircularăAlăholdersăwithătheăholeă diameterăofă12ămm.ăAăstackăwasăpreparedăhavingătwoăsamariumătargetsăinterspacedă byăaluminumăfoilsăofăthicknessă~ă80µm.ăTheăaluminumăfoilsăservedăasăincidentăαbeamăenergyădegradersăandăalsoăasăcatchersăforărecoilănucleiăfromătheăSmăfoilsăusedă forăestimatingătheărecoilăfraction.ă TheăstackăwasămountedăinăaăFaradayăcup,ăisolatedăfromătheărestăofătheăbeamă line,ă andă bombardedă withă aă protonă beamă deliveredă byă IFIN-HHă Tandemă Accelerator.ăToăgetăanăaccurateămeasurement,ăaăringăwasăplacedăatătheăFaradayăcupă entranceăhavingăaă–300ăVăbiasăvoltageădesignatedătoăsuppressăsecondaryăelectrons.ă Ană importantă parameteră neededă toă performă theă calculationsă isă theă beamă intensityăandăitsătimeădependence.ăTheăbeamăcurrentăwasăacquiredăinărealătime,ăină stepsăofăoneăsecond,ăsmallăenoughătoăperformătheăintegration,ăusingăanăORTECă439ă digitalăcurrentăintegrator.ăTheătypicalăcurrentăwasăbetweenă100ăandă500ănAăasăcană beăseenăinăFigureă1.ă 700 p+ Beam current (nA) 600 149 Sm 500 400 300 200 100 0 0 3 6 8 11 14 17 Irradiation time (hours) Fig.ă1ă–ăTimeădependenceăofăbeamăintensity.ă 19 ă AstrophysicalăSăfactorăforăprotonăcaptureăonă147Smăandă149Smă 4ă 1009ă Absolute efficiency (%) Allă measurementsă haveă beenă performedă withă aă speciallyă designedă lowbackgroundăsetupă–ăbothădetectorsăwereăsurroundedăwithăPbăwallsăclothedăwithăCuă andăAlăplatesăonătheăinside.ăForătheădead-timeăcorrection,ăweăusedăaăpulseăgeneratoră withăaăfixedăfrequencyăofătheăoutputăsignală(20ăHz).ăEfficiencyăcalibrationăofăGeHPă detectorsăwasădoneăusingăcalibratedăpointăsourcesăofă 152Eu,ă 133Ba,ă 241Am,ă 60Coăandă 137 Cs,ă placedă ină theă sameă geometryă asă theă targets.ă Theă calibrationă curveă foră oneă HPGeădetectorăusedăinătheăexperimentăisăpresentedăinăFigureă2.ă ă 1 10 Calibration sources: 152 Eu 133 Ba 60 Co 137 Cs 241 Am 0 10 2 3 10 10 Eγ (keV) ă Fig.ă2ă–ăAbsoluteăpeakăefficiencyăforăoneăHPGeădetectorăusedăinăourăexperiment.ă 3. THEORETICAL CALCULATIONS Theăpredictionăofătheătotalăreactionăcrossăsectionsăandătheă Săfactorsăfromătheă NONSMOKERă code,ă asă weă previouslyă stated,ă encouragedă usă byă itsă promisingă resultsă ină usingă theă (p,γ)ă reactionă foră obtainingă astrophysicală informationă concerningă148Euăandă150Eu.ăInăFigureă3ăweăshowătheă(p,γ)ăcross-sectionăvariationăasă aăfunctionăofăECM(MeV)ăforătheăenergyărangeăfromă1ătoă15ăMeV.ăOneăcanăfindăoută thatăforăthisăenergyăintervalătheăσTăvariesăfromă10-12ătoă10-1ămillibarns.ăThisăbringsă oută theă difficultyă ină doingă suchă sortă ofă experiments,ă interestingă fromă theă astrophysicalăpointăofăview.ăThisădifficultyăisăevenămoreăobviousăfromătheăfactăthată foră onlyă 1ă MeVă variationă ofă ECMă (fromă 2ă toă 1ă MeV),ă aă 5ă ordersă ofă magnitudeă changeăofătheătotalăcrossăsectionăisăregisteredă(fromă10-7ătoă10-12ămillibarn).ăFromă theseă difficultiesă ită resultsă oură bigă effortă toă obtaină higheră intensityă (tenthsă ofă µA)ă M.ăIvaşcuăet al. ă 1010ă 5ă protonă andă alphaă particleă beamsă ină orderă toă maintaină theă irradiationă withină reasonableălimitsă(tenthsăofăhoursăofătargetăirradiation).ă 10 1 1 0.1 0.1 0.01 0.01 1E-3 1E-3 Cross section (mb) Cross section (mb) 10 414 keV 550 keV 571 keV 629 keV 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-4 1E-5 1E-7 1E-8 1E-9 Sm(p,γ) Eu (54.5(5) d) 147 1E-10 1E-11 333 keV 406 keV 831 keV 1165 keV 1E-6 148 1E-10 Sm(p,γ) Eu (12.8(1) h) 149 1E-11 150 1E-12 5 10 5 15 ăăă Ep (MeV) Fig.ă3ă–ăExperimentală(p,γ)ăcrossăsectionsăonă 10 15 ă Ep (MeV) 147,149 SmăcomparedăwithăNONSMOKERăresults.ă Additională pointsă foră (p,n)ă crossă sectionsă areă representedă ină Figureă 4,ă ină comparisonăwithăNONSMOKERăcalculations.ă InăFigureă5ăweăpresentătheăvariationăofătheăastrophysicalăfactorăS.ăAsăităcanăbeă seen,ă thisă variationă isă smallă ină comparisonă withă thată ofă theă 147Sm(p,γ)148Euă andă 149 Sm(p,γ)150Euăcrossăsectionsăforăaăsimilarăenergyăinterval.ăOtherwise,ăweăhaveătoă emphasizeă thată discrepanciesă ofă theă theoreticală valuesă ină comparisonă withă theă experimentală onesă areă muchă biggeră ină thisă massă region.ă Therefore,ă moreă preciseă andădetailedămeasurementsăareărequiredăinătheăfutureăforătheseătwoăSamariumăisotopes.ă Theseăfirstăresultsăpresentedăinăpresentăwork,ăencouragedăusătoăprepareăfutureă experimentsă concerningă theă sameă targets,ă whichă willă beă performedă ată loweră incidentăenergiesăthatăareămoreăinterestingăfromătheăastrophysicalăpointăofăview.ă 10 1 -1 10 Cross Section (b) 0.1 Cross section (b) 0 0.01 197 keV 601 keV 798 keV 856 keV 933 keV 1E-3 1E-4 178 keV 277 keV 327 keV 535 keV 558 keV -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 1E-5 147 1E-6 0 149 5 10 Eα (MeV) 149 Sm(p,n) Eu (93.1(4) d) 148 Sm(p,n) Eu (24.1(2) d) -6 10 15 ăă 0 5 10 Ep (MeV) 15 ă Fig.ă4ă–ăExperimentală(p,n)ăcrossăsectionsăonă147,149SmăcomparedăwithăNONSMOKERăresults.ă AstrophysicalăSăfactorăforăprotonăcaptureăonă147Smăandă149Smă 10 14 10 13 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 414 keV 550 keV 571 keV 629 keV S factor (keV * barn) S factor (keV * barn) 6ă Sm(p,γ) Eu (54.5(5) d) 147 0 148 5 10 Ep (MeV) 15 10 14 10 13 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 1011ă 333 keV 406 keV 831 keV 1165 keV Sm(p,γ) Eu (12.8(1) h) 149 150 0 ăă 5 10 Ep (MeV) Fig.ă5ă–ăExperimentalăastrophysicalăSăfactorsăforăstudiedăreactionsăcomparedăă withăNONSMOKERăevaluations.ă 15 ă 4. DISCUSSION AND CONCLUSIONS Ină theseă measurementsă theă activationă techniqueă wasă shownă toă representă ană efficientătoolăforătheădeterminationăofătheă(p,γ)ăcrossăsectionsăforă p-processăstudies.ă Thoughă restrictedă toă measurementsă onăstableă targetă nuclei,ă thisămethodă offersă theă possibilityă toă establishă ană extendedă setă ofă dataă foră testingă andă normalizingă theă parameteră systematică foră Hauser-Feshbachă interpolationă toă theă actuală networkă ofă theă p-process.ăDespiteătheirăsimplicity,ămeasurementsăwithătheăactivationătechniqueă requireăgreatăcareăinătechnicalădetailsăifăthisăfullăpotentială isătoăbeăexploited.ăMostă importantăinăthisărespectăareătheăpreparationăandăcharacterizationăofătheătargetsăandă alsoătheă monitoringăofătheăprotonăbeamăandăofătheătargetăperformanceăthroughoută theă irradiationă period.ă Theă subsequentă γă countingă requiresă carefullyă calibratedă detectors,ă includingă countingă rateă correctionsă dueă toă cascadeă effectă and/oră coincidentă observationsă ofă theă relatedă γ-rays.ă Theă crossă sectionsă areă determinedă withăuncertaintiesăofăfewăpercentăifătheseăprecautionsăareăconsidered.ă ă Acknowledgements. Theă resultsă reportedă ină thisă paperă wereă obtainedă ină theă frameăofătheăPNII-IDEIăProgram,ăthroughătheăexploratoryăresearchăprojectăID-362,ă theă contractă 48/28.09.2007,ă financedă byă theă Executiveă Unită foră Financingă theă HigherăEducationăandăUniversityăScientificăResearch.ă REFERENCESă 1.ăG.ă Wallerstein,ă I.ă Iben,ă P.ă Parker,ă A.M.ă Boesgaard,ă G.M.ă Hale,ă A.E.ă Champagne,ă C.A.ă Barnes,ăă F.ă Käppeler,ă V.V.ă Smith,ă R.Dă Hoffman,ă F.X.ă Timmes,ă C.ă Sneden,ă R.N.ă Boyd,ă B.S.ă Meyer,ă D.L.ăLambert,ăG.ăMünzenberg,ăRev.ăMod.ăPhys.ă69,ă995–1084ă(1997).ă 2.ăM.ăArnould,ăS.ăGoriely,ăPhys.ăRep.ă384,ă1–84ă(2003)ă ă 1012ă M.ăIvaşcuăet al. 7ă 3.ăM.ăRayet,ăM.ăArnould,ăN.ăPrantzos,ăinăOrigin and Distribution of the Elements,ăed.ăG.J.ăMathewsă (WorldăScientific,ăSingapore),ăp.ă625,ă1988.ă 4.ăT.ăRauscher,ăA.ăHeger,ăR.D.ăHoffman,ăS.E.ăWoosley,ăAstrophys.ăJ.ă576,ă323ă(2002).ă 5.ăI.ăC ta-Danil,ăN.V.ăZamfir,ăD.ăBucurescu,ăG.ăC ta-Danil,ăD.ăGhi ,ăT.ăGlodariu,ăM.ăIvaşcu,ăC.ăMihai,ă T.ăSava,ăL.ăStroe,ăG.ăSuliman,ăRom.ăRep.ăPhys.ă58,ă397–408ă(2006).ă 6.ăT.ăRauscher,ăF-KăThielemann,ăAt.ăDataăNucl.ăDataăTables,ă75,ă1–351ă(2000);ăAt.ăDataăNucl.ăDataă Tables,ă79,ă47–64ă(2001).ă View publication stats