Isotopic distribution of fission fragments in multi-nucleon transfer reactions in inverse

kinematics with VAMOS

F. Rejmund, M. Caamaño, X. Derkx, O. Delaune, C. Golabek,T. Roger, A. Navin, M. Rejmund, C. Schmitt, A. Shrivastava GANIL, France G. Barreau, B. Jurado CENBG, FranceK.-H. Schmidt GSI, GermanyB. Fernandez Liverpool Univ., UKD. Doré, S. Panebianco SPhN, FranceJ. Benlliure, E. Casarejos, USC, SpainL. Audouin, C.-O. Bacri, IPNO, FranceL. Gaudefroy, J. Taieb CEA DIF, France

2 actions 2 ans post-doc 9 mois post-doc 1/2 thèse

MinistèreDe l’Enseignement et de la Recherche

1 thèseflêchée

Principle of the experiment

Multi-nucleon transfer induced fission: systematic of fissioning systemsInverse kinematics: complete distribution of the fission fragmentsSpectrometer: isotopic identification of the fission fragments

238U + 12C @ 6.1 MeV/u

transfer recoil glab~30°

fissioning system

U beam

heavy fission fragment

light fission fragment C target

transfer - fission~ 100 mbarn

Angle de grazing ~35°

fusion - fission~ 1000 mbarn

transfer• U, Np, Pu, Am, Cm• different E*

fission• A: 90 - 150 • Z: 30 - 60• q: 30 - 45 • E: 2 - 10 MeV/u

D.C. Biswas et al. PRC 56 (1997) 1926

inverse kinematics- restricted angular distribution<25°

reconstruction

Experimental set-up at VAMOS

21 Sidetectors

ionization chamber

drift chamber

drift chamber

SeD

SPIDER

Aside

Eres

X,Y

X,YToF

dE

E, dE, recoil angle

acceptance: • 14 deg Θ• ~ 3 deg Φ

• 10 % Bρ

20 deg

at 20 deg

• Bρ• Path • Θlab, Φlab

•M •M/q•Z•KE

• β, γ M. Rejmund

238U beam EXOGAM

65 µm Si dE1 mm Si E

∆Θ ~ 1deg∆E* ~ 2 MeV

target-like recoil

Identification of the fissioning system with SPIDER

Wide systematic of actinidesHigh population of the 2p channelNo isotopic identification

Different channels can be estimated from the Qreac

238U (inelastic) and few % 237U (1n)

239Np (1p) and few % of 240Np (1p1n)

~ 70% of 240Pu (2p) and ~ 30% of 241Pu (2p1n)

~ 60% 243Am (3p2n) and ~ 40% of 244Am (3p3n)

Eje Rec Q(MeV) (mb)13C 237U -1.2 2311B 239Np -10 2510B 240Np -17 0.510Be 240Pu -15 109Be 241Pu -17 56Li 244Am -19 3

)(

)(E/)()( 12

actinidevamos12

*

238

238

allC

fissionCEP

U

U

f

Ω=

2nd fission :

fission after n emission

Below

fission barrier

2nd chance1st chance

! ! ! Preliminary results ! ! !! ! ! Preliminary results ! ! !

(*) 238U(α,α’)f Burke et al., Phys. Rev. C 73, 054604

(*) ENDF

Fission probability

Fragments range from Z ≈ 30 to Z ≈ 60 in an energy range of 600 MeV

∆Z/Z ≈ 1.5 ·10-2

Identification of fission fragments: Z

qeff β∝ Z^1/3 + qshift

dE (∝ qeff)2/β2 f(β)

A/q = Bρ/(βγ)

A = E/(γ-1)

∆A/A ≈ 0.6·10-2

Fragment distribution from A ≈ 90 à A ≈ 150

Isotopic resolution of fission fragments with VAMOS: A, A/q

Identification non ambigue en A, Q et Z

Calibration of the identification with EXOGAM

Z=44 Ru

M=108 108Ru

EXOGAM

Velocity of fission fragments

Fusion-inudced and transfer-induced fission

E*~ 45 MeVMinor shell effect E*~ few MeV

Shell effects dominants

Isotopic yields for different transfer channel

Isotopic identification (mass and charge) and kinetic energy of fission fragments over the entire fragment production is done for the first time.

Perspectives

2010-2011: 1. Repeat the experiment identification isotopique des actinides neutrons en coïncidence – SPhN

Longer term: 1. Enlarge stematic

other targets (more complex processes) Other beams

Th beam Radioactive actinide beams produced in SPIRAL2 target, HIE

Isolde2. SOFIA@GSI, FELISE @ FAIR

HiE ISOLDE: an opportunity for fissionists

D

Ac

p

IC,E,ToF

telescope

Additional diapositives

Single particle and vibrational states in 133SnA. Navin, M. Rejmund et al.,

RDDS lifetime measurement after fusion fissionA. Goergen et al.,

QQ

D

18° 238U, 6.15 MeV/u

116Pd

12C

Mgv1

v2

4 x 135°7 x 90°

134Te

Cologne Plunger at VAMOS (E553)

focus on nuclei “in the valley” near Z 46 (where data is scarce) obtain lifetimes in >50 isotopes cover a wide range of lifetimes

focus on nuclei “in the valley” near Z 46 (where data is scarce) obtain lifetimes in >50 isotopes cover a wide range of lifetimes

62Fe RDDS spectra @VAMOSaftermulti-nucleontransfer in 238U+64Ni

nuclear shapes in the transitional region are very complex transition from deformed (Zr) to spherical (Sn) transition from prolate to oblate along isotopic chain triaxial shapes: rigid or gamma soft ?

sensitive test for configuration mixing calculations suitable for approximations, e.g. E(5), IBM

B(E2) values are key observables

obtain consistent data over wide range of isotopes and lifetimes in one experiment extend lifetime data to:

higer spin non-yrast states (gamma bands !) more neutron-rich isotopes

odd-A nuclei: absolute B(M1) and B(E2)

obtain consistent data over wide range of isotopes and lifetimes in one experiment extend lifetime data to:

higer spin non-yrast states (gamma bands !) more neutron-rich isotopes

odd-A nuclei: absolute B(M1) and B(E2)

Distributions de masse expérimentales

• Mass distribution

n

• Fission: phénomène macroscopique• Distribution des fragments fortement

influencée par les effets de couche• Stabilisation des fragments lourds par

les effets de couche dans les nombres de neutron

PF1

PF1

E,ToF =>MdM/M ~2

A~140

Goutte liquide : Fission symmétrique en fragments également déformés

Effets de couches:Minima des courbes de potentiel sont modifiés

Spherical shell

Deformed shell

Shell gap à N=86,88,92 ?? Toujours controversé!Taux de fragments de fission impossibles à prédire (AIEA a abandonné l’évaluation des Y(Z,A)

Description de la distribution des fragments de fission

Distributions isotopiques (Z,A) expérimentales

• Spectromètre (Lohengrin, ILL)Mesure précise de AMesure de Z avec une chambre à ionisation

-Energie cinétique des fragments très basse =>méthode limitée aux fragments légers(pas d’information sur les effets de couche dans les fragments lourds)

238U(n,F) EXFOR Data tables

• Spectroscopie Rapports de branchement, isomères inconnus…Distribution isotopique complète difficile à mesurerConclusions sur le rôle des neutrons restent incomplètes

Cinématique inverse:Fission électromagnétique de faisceaux

secondaires

distribution E*<E*> ~12 MeV pour tous les pré-actinides

K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221

Z distribution TKE distribution

Besoin de données en Z,A !

Z, N moyen

C. Böckstiegel et al. NPA 802 (2008) 12

Cinématique inverse : distribution en Z complète

233U

232Pa

228Pa

229Th

226Th

220Th

Standard I : Z ~ 52.5Standard II : Z ~ 55

Charge constante moyenne:Shell gap mouvant ?Influence d’un nombre magique en protons ?Contradiction avec la compréhension générale de la distribution des fragments de fission

AH=ZH+NH

ZH/NH=ZC/Ac

Cheifetz et al,,1981

232Th(12C,8Be) 236U234U(t,pf) 235U(n,f)

Multi-nucleon transfer reaction

236U(12C,8Be) 240Pu238Pu(t,pf)239U(n,f)

•Large range of transfer Channels 238U+12CEje Rec Q(MeV) (mb)13C 237U -1.2 2314C 236U 1.8 811B 239Np -10 2512B 238Np -13 513B 237Np -14 0.810Be 240Pu -15 109Be 241Pu -17 58Be 242Pu -12 511Be 239Pu -21 0.87Li 243Am -26 0.56Li 244Am -19 3 4He 246Cm -17 3 6He 244Cm -24 0.5

•High resolution of the fissioning system

Transfer-induced fission reactions: wide range of fissioning systems

• Neutron-rich actinides : 238U beam, 12C Target• Energy range 0-40 MeV

Even-odd staggering in odd-Z nuclei

Zero staggering at symmetry: Unpaired nucleon chooses both fragments with equal probability

Negative staggering at asymmetry: unpaired nucleon chooses the heaviest fragment

S. Steinhaüser, Nucl. Phys. A 634(1998)89

Evidence for the influence of the fission-fragment phase space

Seeking for information..

We propose to use multi-nucleon transfer induced fission in inverse kinematics in order to

•Identify isotopic fission yields in complete fragment distribution•Define the fissioning system in excitation energy, mass, charge•Over a broad range of neutron-rich actinides•Study the structure effects as a function of excitation energy and fissioning nucleus

These data would complement GSI data

Important results on shell effects and pairing effects are expected !!

• High radioactivity : the production of samples for irradiation is difficult (=>systematics in direct kinematics is limited)

• Combined with a spectrometer isotopic resolution of the full isotopic distribution

(light and heavy fragments)in-flight measure of the isotopic distribution

(before beta decay)• Using transfer reaction to induce fission precise knowledge of the excitation energy

Advantage of inverse kinematics

It is not a question of Q valueQ=M(F1)+M(F2)-M(CN)

•Statistical consideration: P(Z1,Z2) (Z1)(Z2)

•Dependence with E* : e-o effect disappears very fast when pairing is still present in binding energy (Ecrit>11MeV)

Ze Zo Ze

(Ze)= (Zo)

E

Fission process: if the nucleus would be a simple liquid drop

Liquid drop model: nucleus described as a drop of charged liquidE = Ev + ES + Ecb + Esym

= - A + r02A2/3(1+2) + Z2/(r0A1/3(1+)) + (N-Z)2/A

Bohr and Wheeler 1939Fission barriers at 10% of theEvaluated up-to-date values

J.-F. Berger, Ecole Joliot Curie 2006

Transfer-induced fission in inverse kinematics@GANIL

recoil

238U

12C

heavy FF

light FF

FF

Experimental isotopic distribution (Z,A)

• Isotopic distribution– Spectrometer (Lohengrin, ILL)Precise measure of A- Ionisation Chamber ∆E=Z2/v2

-low kinetic energy of fission fragments=>limited to light fragments

(no information on shell effects in heavy fragments)

•Element yield

•ZH=ZCN-ZL=54 Average proton number constant•AH=ZH+NH=140 Average mass constant•Theory Influence of neutron number

=>Influence of moving neutron shell gap?=>Existence of proton shell gap?

J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A

Fluctuations paire-impaires dans les fragments de fission:

une observable de la dissipation

Effet pair-impair global

z = Yze- Yz

o/(Yze+Yz

o)z =40%

J.P. Bocquet, R. Brissot Nucl. Phys. A

Explication qualtitative des effets pair-imapirs

229Th+n

Pairing gap

saddle scission ?

23090Th

0

5

-25

MeV

•L’amplitude des effets pair-impairs reflète la probabilité qu’aucune paire soit brisée à la scission

Fission de noyaux pair: pas de fragment impair sans dissipation

Eintr

+Ecoll

•Effet pair-impair : une conséquence de la dissipation dans la descente

Les effets pair-impairs dépendent de la fissilité du système

Global even-odd effect z = Yz

e- Yzo Comme la répulsion

Coulombienne au sein du noyau augmente, la forme au point selle devient de plus en plus compacte

Saddle CmSaddle Th

La descente du point selle au point de scission augmente, comme Ediss, avec la fissilité

Z2/ A1/3

Les effets pair-impair dépendent de la symétrie

Notions de:•Fission froide asymétrique, <=>déformation extrême•Fission symétrique chaudePourtant associée à de grandes déformations (modèle de la goutte liquide)Effets pair-impairs non mesurés à la symétrie

Effets pair-imapirs locaux: déviation d’une distribution Gaussienne

€

YG (Z) ≈YG (Z)(1±Z (Z))

Z (Z + 32) = 1

8−1( )

Z +1lnY (Z + 3) −lnY (Z) −3 lnY (Z + 2) −lnY (Z + 1)

Q = TKE + TXE

TXE = Q - TKE = Edef(Z1) + Edef(Z2) +

Eintr

Bilan energétique:

Systématique sur les effets pair-impair

Effets pair-impairs constants pour les distributions symétriquesPourtant énergie d’excitation similaire, et fissilité basse=>Effet de l’asymétrie ?

S. Steinhaüser, PhD Thesis, TU Darmstadt, 1998

Systématique sur l’effet pair-imapirs local

Yie

lds

Z

Symmetry: Z = 0.5 ZCN

Asymmetry: Z = 54

Pour la première fois l’effet pair-impair est observé sur la distribution complète en Z, sur une large systématique de systèmes fissionants

Effets pair-impair à la symétrie et à l’asymétrie

Fission e-m en cinématique inverse •Accès aux effets pair-impair à la symétrie pour la première fois•Effet pair-impair constant à la symétrie •forte influence de l’asymétrie sur l’amplitude de l’effet pair-impair

p globalp local asymmetryp local reachable sym Fission induite par n en cinématique

directe-chute du est provoquée par la chute de local à l’asymétrie -chute de avec la fissilité correspond à une perte progressive de l’asymétrie quand le noyau fissionant devient plus lourdF. Rejmund, Seminar on Fission, Corsendonk 2007, WagemansM. Caamano, Proc. Int. Conf. Fission and Fission Fragment Spectroscopy, Sanibel, Florida, 2008

La fission : modèle de la goutte liquide

Bf

Q

E*

deformation

ener

gy saddle point

scission point

A1,Z1 A2,Z2

TKE, evaporationAfiss, Zfiss,E*

E = EV + ES + ECb + Esym

= - aA + br02A2/3(1+2) + cZ2/(r0A1/3(1+)) + d(N-Z)2/A

Influence de la structure en couche des nucléons

•L’état fondamental n’est pas sphérique (si couche in complète)•Second minimum dans la PES à grande déformation(fission isomers)•Fission asymétrique es favorisée

∆Z/Z ≈ 1.5 ·10-2

Distribution isotopique avec VAMOS : Z

qeff β∝ Z^1/3 + qshift

dE (∝ qeff)2/β2 f(β)

fragments identifiés de Z ≈ 36 à Z ≈ 60 dans une gamme d’énergie de 600 MeV

Faisceaux secondaires: grande systématique

K.-H. Schmidt et al., NPA665(2000)221

Description de la distribution des fragments de fission

La théorie prédit-une barrière double et des isomères de fission-une fission asymétrique Standard I (N=82) et II (N~90) (asymétrie) Standard Superlong (symetrie)

Une description précise manque car: -description complexe des paramètres de déformation-interaction nucléon nucléon à déformation extrême inconnue (shell gaps)

Wilkins et al. PRC 14 (1976) 1832

238U+12C fission induite par transfert: perspectives

identification isotopique (masse et charge) et mesure de l’énergie

Sur la production entière des fragments est faite pour la première fois

-Systématique des sections efficaces de fission du Pa au Cm-Identification isotopique dépend d’une stabilisation du signal

-distributions en masse, charge et energie des

fragments de fission en fonction of E*

fusion-fission

transfer-fission