Study of the surrogate-reac1on method via the simultaneous - PowerPoint PPT Presentation

Study ¡of ¡the ¡surrogate-­‑reac1on ¡method ¡via ¡the ¡ simultaneous ¡measurement ¡of ¡fission ¡and ¡gamma-­‑ decay ¡probabili1es ¡ (ACTISUR-­‑>ACTInides-­‑SURrogate) ¡ P. ¡Marini , ¡B. ¡Jurado, ¡L. ¡Mathieu, ¡M. ¡Aiche, ¡G. ¡Barreau, ¡S. ¡Czajkowski, ¡ ¡I. ¡Tsekhanovich, ¡ CENBG, ¡Bordeaux, ¡France ¡ L. ¡Audouin, ¡M. ¡Lebois, ¡L. ¡Tassan-­‑Got, ¡J. ¡Wilson, ¡ IPN-­‑Orsay, ¡France ¡ G. ¡Boutoux, ¡D. ¡Denis-­‑PeFt, ¡V. ¡Méot, ¡O. ¡Roig, ¡O. ¡Sérot, ¡ CEA-­‑DAM ¡& ¡CEA-­‑DEN, ¡France ¡ S. ¡Oberstedt, ¡ IRMM, ¡Belgium ¡ A. ¡Oberstedt, ¡ Chalmers ¡University, ¡Sweden ¡ M. ¡GuLormsen, ¡ University ¡of ¡Oslo, ¡Norway ¡ G. ¡Kessedjian , ¡LPSC, ¡Grenoble, ¡France ¡ 1 ¡

Need for neutron-induced cross sections on short-lived nuclei : transmutation of nuclear waste Minor actinides Neutron-induced fission and capture cross sections of short-lived nuclei needed. Very difficult or even impossible to measure! 2 ¡

Surrogate-­‑reac1on ¡method ¡ Cramer and Britt (Los Alamos 1970…!!) Surrogate reaction Neutron-induced reaction Transfer w n + A (A+1)* X + Y A A 1 surro ( E *) ( E *) P ( E *) + σ = σ ⋅ n , decay CN decay Theory ¡ Experiment ¡ 3 ¡ Op1cal ¡model ¡

Validity of the surrogate method A A 1 surro ( E *) ( E *) P ( E *) + σ = σ ⋅ n , decay CN decay Neutron-induced and surrogate reaction must achieve statistical equilibrium (compound nucleus formation): Decay only depends on E* , J and π !! Populated J and π distributions are equal surro n P ( E *) P ( E *) OR = decay decay Decay independent of J and π (Only valid at high E* in the Weisskopf-Ewing limit) Not ¡possible ¡to ¡say ¡a ¡priori ¡if ¡a ¡reac1on ¡meets ¡these ¡ condi1ons. ¡ Data ¡obtained ¡with ¡the ¡surrogate ¡method ¡need ¡ ¡ to ¡be ¡compared ¡to ¡neutron-­‑induced ¡data! ¡ 4 ¡

Results for fission 3 He+ 243 Am � 4 He+ 242 Am ¡ General ¡finding: ¡the ¡cross ¡ sec1ons ¡obtained ¡with ¡ surrogate ¡method ¡are ¡in ¡ good ¡agreement ¡with ¡n-­‑ induced ¡data ¡for ¡fission! ¡ G. ¡Kessedjian ¡et ¡al., ¡ ¡Phys. ¡Le[. ¡B ¡692 ¡(2010) ¡297 ¡ G. ¡Kessedjian ¡et ¡al., ¡Phys. ¡Rev. ¡C ¡91 ¡(2015) ¡044607 ¡ 5 ¡

Does ¡the ¡surrogate ¡method ¡work ¡also ¡for ¡ radia1ve ¡capture? ¡ Objec1ve: ¡ ¡ Simultaneous ¡measurement ¡of ¡fission ¡and ¡ gamma-­‑decay ¡probabili1es. ¡ Never ¡done ¡before! ¡

Setup for simultaneous measurement of fission and gamma-decay probabilities Gamma detectors Fission (scintillators or Ge) Detector Fission Fragment 3He Beam 238U Target Si Telescope Ejectile coin N ( E *) ejec decay surro P ( E *) − = decay sing N ( E *) ( E *) Δ E ⋅ ε E ejec decay decay − Challenge: ¡subtrac1on ¡of ¡gamma ¡rays ¡emi[ed ¡by ¡the ¡fission ¡fragments ¡! ¡ 7 ¡

Setup ¡used ¡for ¡experiment ¡at ¡the ¡Orsay ¡tandem ¡in ¡April ¡2015 ¡ Funded ¡by ¡NEEDS! ¡ 8 ¡

Preliminary ¡results! ¡ ¡ 3He ¡+ ¡238U-­‑> ¡d ¡+ ¡239Np ¡↔ ¡n ¡+ ¡238Np ¡(2,1d) ¡ P ¡ P γ ¡ P f ¡ ¡ 238 U( 3 He, ¡ d) ¡ ¡ P f ¡ P γ ¡ ¡ 238 U( 3 He, ¡ d) ¡ ¡ P γ ¡+ ¡P f ¡ ¡ P f ¡+ ¡P γ ¡ S n ¡ P f + P γ = 1 at E* < S n : Validation of analysis procedure!

P γ ¡ P f ¡ 238U(3He,4He) ¡ 238U(3He,4He) ¡ n-­‑induced ¡JEFF ¡ n-­‑induced ¡JEFF ¡ n-­‑induced ¡JENDL ¡ n-­‑induced ¡JENDL ¡ n-­‑induced ¡ENDF ¡ n-­‑induced ¡ENDF ¡ S n ¡

Focus ¡on ¡the ¡overlap ¡region ¡ Preliminary ¡results! ¡ ¡ 3He ¡+ ¡238U-­‑> ¡4He ¡+ ¡237U ¡↔ ¡n ¡+ ¡236U ¡ P ¡ P γ ¡surrogate ¡ P γ ¡n-­‑induced ¡JEFF ¡ P f ¡ ¡ surrogate ¡ P f ¡n-­‑induced ¡JEFF ¡ Fission is much less sensitive to the entrance channel than gamma-decay!

Can ¡the ¡sta1s1cal ¡model ¡explain ¡these ¡results? ¡ P γ Spin ¡distr. ¡ Spin ¡distr. ¡ surrogate ¡ from ¡P f ¡ from ¡P γ ¡ n-­‑induced ¡ ¡ ¡(JENDL) ¡ ¡ Deduce ¡spin ¡distribu1on ¡ ¡ with ¡the ¡help ¡of ¡monte-­‑ carlo ¡Hauser ¡Feshbach ¡ S n ¡ code ¡EVITA ¡ (Based ¡on ¡TALYS ¡and ¡run ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ E*(237U) ¡(MeV) ¡ by ¡CEA ¡evaluator ¡B. ¡ Morillon) ¡ P f ¡ surrogate ¡ n-­‑induced ¡ The calculations (JENDL) ¡ predict a strong sensitivity of the fission probability calculated ¡with ¡ to angular spin ¡distrib. ¡from ¡ P γ ¡ ¡ momentum in and ¡Hauser-­‑Feshbach ¡ ¡ contradiction with code ¡ our results! ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡E*(237U) ¡(MeV) ¡

Perspec1ves ¡ 3He ¡+ ¡240Pu-­‑> ¡3He’ ¡+ ¡240Pu ¡↔ ¡n ¡+ ¡239Pu ¡ 240Pu: Even-even fissioning nucleus expected to be more sensitive to spin/parity differences! Good-quality n-induced data available! S1ll ¡some ¡uncertain1es ¡on ¡the ¡availability ¡of ¡the ¡240Pu ¡target! ¡

Fission-­‑probability ¡measurements ¡in ¡ ¡ inverse ¡kinema1cs ¡with ¡radioac1ve ¡ion ¡beams ¡

Fission-­‑probability ¡measurements ¡inside ¡a ¡storage ¡ring ¡ • Beam-energy resolution of few hundreds keV, beam size 1 mm!! • In-ring measurements with gas-jet targets (H2, D2, 3He, 4He): Pure targets (no contaminants, no backing), limited straggling • Increased intensity by 10 6 due to revolution frequency Fission- Gas-Jet fragment target detector Beam Beam and Target-like beam-like telescopes nuclei Systematic measurement of fission probabilities in other regions, also of purified isomeric beams!! Experiments at GSI and in the longer term HIE-ISOLDE (2023) 15 ¡

Conclusions… ¡ § First simultaneous measurement of gamma-decay and fission probabilities for surrogate reactions § The fission probability is much less sensitive than the gamma- decay probability to the differences in the entrance channel. § This finding cannot be explained by statistical model calculations with standard ingredients. … ¡Perspec1ves ¡ § Pursue theoretical efforts to understand our results § Measurement P f and P γ for even-even 240Pu § Perform systematic studies in other regions of the chart of nuclei, isomeric beams � Experiments in inverse kinematics inside storage rings with the RIBs of GSI and HIE-ISOLDE

Results for radiative capture 3He ¡+ ¡174Yb ¡-­‑> ¡4He ¡+ ¡173Yb ¡ 172Yb(n, γ ) The ¡cross ¡sec1ons ¡ obtained ¡with ¡surrogate ¡ method ¡are ¡in ¡clear ¡ disagreement ¡with ¡n-­‑ induced ¡data ¡for ¡capture! ¡ G. ¡Boutoux ¡et ¡al., ¡Phys. ¡Le[. ¡B ¡712 ¡(2012) ¡319 ¡ 17 ¡

Why ¡do ¡we ¡obtain ¡such ¡discrepancies? ¡ E* ¡ J>>0 ¡ 4+ ¡ n ’ ¡ 2+ ¡ S n =6.4MeV ¡ 0+ ¡ 172 Yb ¡ γ 0 ¡ 5/2-­‑ ¡ 173 Yb* ¡ Strong sensitivity of neutron emission to J π 18 ¡

¡ Preliminary ¡results! ¡ 3He ¡+ ¡238U-­‑> ¡4He ¡+ ¡237U ¡↔ ¡n ¡+ ¡236U ¡ P γ P f ¡ Oslo ¡surrogate ¡ Orsay ¡surrogate ¡ Oslo ¡surrogate ¡ Orsay ¡surrogate ¡ n-­‑induced ¡JEFF ¡ n-­‑induced ¡JEFF ¡ n-­‑induced ¡JENDL ¡ n-­‑induced ¡JENDL ¡ n-­‑induced ¡ENDF ¡ n-­‑induced ¡ENDF ¡ x3 ¡ S n ¡

Transfer-­‑induced ¡reac1ons ¡in ¡inverse ¡kinema1cs ¡ ¡with ¡radioac1ve ¡ion ¡beams ¡ HIE-­‑ISOLDE , ¡ac1nide ¡and ¡pre-­‑ac1nide ¡beams: ¡ Element Isotopic ¡chain Half ¡lifes 204-212 Rn 2.4h ≤ T 1/2 ≤ 28.5min Rn (Z=86) 219-221 Rn 3.96s ≤ T 1/2 ≤ 25min 207-213 Fr 14.8s ≤ T 1/2 ≤ 20min Fr (Z=87) 220-228 Fr 27.4s ≤ T 1/2 ≤ 21.8min Ra (Z=88) 221-222,224-226,228 Ra 28s ≤ T 1/2 ≤ 1600y ¡ 10 ¡A ¡MeV ¡and ¡high ¡intensi1es ¡ ¡ BUT… ¡ Limited ¡beam ¡quality: ¡dispersion ¡in ¡energy ¡> ¡2MeV ¡and ¡size ¡> ¡few ¡mm ¡ ¡ 20 ¡

Preliminary ¡results! ¡ ¡ 3He ¡+ ¡238U-­‑> ¡d ¡+ ¡239Np ¡↔ ¡n ¡+ ¡238Np ¡(2,1d) ¡ P f ¡ P γ Oslo ¡surrogate ¡ Orsay ¡surrogate ¡ n-­‑induced ¡JEFF ¡ n-­‑induced ¡ENDF ¡& ¡JENDL ¡ Oslo ¡surrogate ¡ Orsay ¡surrogate ¡ n-­‑induced ¡JEFF ¡ n-­‑induced ¡ENDF ¡& ¡JENDL ¡ S n ¡ S n ¡ P ¡ P f + P γ = 1 at E*<Sn : validation of analysis procedure!! P f ¡Orsay ¡surrogate ¡ P γ ¡Orsay ¡surrogate ¡ P f ¡ + ¡P γ ¡ ¡ S n ¡