Search

Nuklearna reakcija je proces interakcije dvije atomske jezgre u kojem dolazi do izmjene energije i nukleona između jezgara. Zbog vrlo kratkog dosega nuklearne sile i jakog kulonskog odbijanja između jezgara, do izmjene nukleona može doći ako je relativna brzina između reaktanata dovoljno velika da vodi na značajnu vjerojatnost tuneliranja kroz kulonsku barijeru. Dinamika nuklearne reakcije ovisi prvenstveno o dostupnoj ukupnoj energiji u procesu, ali i značajnim dijelom o gradi jezgara koje sudjeluju u reakciji. Istovremeno nuklearne reakcije su važan alat za proučavanje grade jezgara. Ogroman dio danas poznatih podataka o atomskim jezgrama nađen je proučavanjem reakcija. Porastom količine poznatih podataka o nuklearnim reakcijama i gradi jezgara razvijene su mnoge analitičke metode bazirane na nuklearnim reakcijama koje se danas standardno koriste u brojnim područjima istraživanja. Nuklearne reakcije se danas često koriste u kvantitativnim istraživanjima raznih uzoraka, a napredne metode omogućuju relativno brzo 2D i 3D mapiranje vrlo malih količina izotopa velikog broja kemijskih elemenata u širokom spektru uzoraka. Mjerenja nuklearnih reakcija obavljena u sklopu ovog rada dio su šire eksperimentalne kampanje mjerenja udarnih presjeka nuklearnih reakcija izazvanih snopom 3He na različitim metama u rasponu energija snopa od 1.2 do 5 MeV u širokom području kutova od 110° - 170°. U ovom radu je prikazan prvi set mjerenja u kojem je postavljen i testiran eksperimentalni postav za mjerenje nuklearnih reakcija na akceleratorskom postrojenju Instituta Ruđer Bošković. U ovoj eksperimentalnoj kampanji prikupit će se kvalitetni podaci udarnih presjeka za niz nuklearnih reakcija s 3^He snopom koji trenutno ili nisu dostupni ili su dostupni, ali s velikim pogreškama mjerenja i za ograničene skupove energija snopa i kutova. Ti udarni presjeci su ključni podaci potrebni za karakterizaciju širokog spektra uzoraka medu kojima su i uzorci potrebni za razvoj fuzijskih postrojenja u okviru međunarodnog projekta Eurofusion financiranog od strane Europske komisije. Konkretno u ovom radu izmjerene su reakcije na metama 9^Be, CD_2 i 12^C. Energije snopa iznosile su 2.4 i 4 MeV. Produkti reakcija detektirani su u dva dvostruko segmentirana silicijska vrpčasta detektora (DSSSD). Na svakoj od meta promatrani su sljedeći procesi: elastično raspršenje na podlozi od zlata, elastično raspršenje na meti, reakcija s 1^H kao jednim od produkata, te reakcija s 4^He kao jednim od produkata. Kalibracija detektora izvršena je izvorom koji emitira čestice na tri različite energije. Navedene reakcije, pobuđena stanja nedetektiranih jezgara i ispravnost kalibracije promatrani su 2D histogramima ovisnosti energije pobuđenja o kutu detekcije. Dobiveni rezultati diskutirani su u kontekstu mehanizma nuklearne reakcije i strukture jezgara uključenih u reakcije. Nuclear reaction is a process of interaction of two nuclei in which energy and nucleons exchange between nuclei takes place. Because of the very short nuclear force range and the strong Coulomb repulsion between the nuclei, the nucleons exchange can occur if the relative velocity between the reactants is large enough to lead to a significant probability of tunneling through Coulomb barrier. The dynamics of the nuclear reaction depends primarily on the available total energy in the process, but also significantly on the nucleus structure of nuclei that take part in the reaction. At the same time, nuclear reactions are an important tool for studying nuclear structure. The vast part of today’s known atomic nuclei data was found by studying nuclear reactions. By the enlarge of known nuclear reaction and nuclear structure data, many analytical methods based on nuclear reactions have been developed, which are nowadays standardized tools in numerous researches. Nuclear reactions are often used in quantitative analysis of various material samples, and advanced methods allow for relatively fast 2D and 3D mapping of very small quantities of isotopes of a large number of chemical elements in a wide spectrum of material samples. Measurements of nuclear reactions carried out within the frame of this thesis are part of a wider experimental campaign of measuring cross-sections of nuclear reactions induced by the 3^He beams on different targets in energy range of 1.2 to 5 MeV on the wide-angle area of 110° - 170°. This thesis presents the first set of measurements in which an experimental setup was set and tested for measuring nuclear reactions at the accelerator facility of the Ruđer Bošković Institute. In this experimental campaign, high-quality data of the cross-sections for a number of nuclear reactions induced with the 3^He beam, which were not measured yet or existing results have large measurement errors and cover only small range of energies and angles, will be collected. Those cross sections represent key data required for the characterization of a wide spectrum of material samples, including samples required for the development of fusion plants within the framework of the Eurofusion international project funded by the European Commission, are listed. In this thesis reactions on the 9^Be, CD_2 and 12^C targets were measured. The beam energies were 4 and 2.4 MeV. The reaction products were detected with two double sided silicon strip detectors (DSSSD). The following processes were observed on each target: elastic scattering on a gold backing, elastic scattering on the target, reaction with 1^H as one of the products and reaction with 4^He as one of the products. The calibration of the detectors was performed by a source emitting particles of three different energies. Mentioned reactions, the excited states of the not detected nuclei and the calibration accuracy were observed by the 2D histograms of the excitation energy on the detection angle dependence. The obtained results are discussed in the context of the mechanism of nuclear reaction and the structure of nuclei involved in the reactions.

Nuklearnu fuziju, koja se u Suncu konstantno odvija priskrbljujući nam ogromne količine energije, nije moguće objasniti klasičnom mehanikom obzirom na to da čestice u procesu fuzije moraju prijeći energetsku barijeru za koju nemaju dovoljno energije. Temperature na kojima se u Suncu odvijaju reakcije nuklearne fuzije su mnogo niže od onih koje su nam potrebne kako bi iste reakcije ostvarili na Zemlji. Razlog leži u ogromnom broju atoma vodika koji se nalaze u Suncu i sudjeluju u ovom procesu, pa se iznimno malo vjerojatni prijelazi energetske barijere odvijaju stalno i Sunce proizvodi energiju. Kvantni efekt koji objašnjava ovaj proces se zove tuneliranje., Nuclear fusion, which occurs constantly in the Sun and supplies us with enormous amounts of energy, can’t be explained in terms of classical mechanics since particles which participate in the fusion process must tunnel through energy barrier without enough energy to do so. The temperatures at which nuclear reactions are taking place in the Sun are much lower than those we need to accomplish the same reactions on Earth. The explanation lies in the huge number of hydrogen atoms that are involved in this process in the Sun, so extremely unlikely transitions of energy barriers take place all the time and the Sun produces energy. The quantum effect that explains this process is called tunneling.

U ovom radu proučavane su nuklearne reakcije izazvane snopom litijevih iona 7Li, energije 16 MeV na metama 12C, 7LiF i 6LiF. Izlazne čestice detektirane su dvostranim silicijskim vrpčastim detektorom (Micron Semiconductor tip W1 debljine 1000 μm) čije je središte bilo postavljeno na kutu od 21,8° u odnosu na smjer ulaznog snopa. Iz prikupljenih podataka rekonstruirani su energijski spektri pobuđenja jezgara 6,7Li, 9,10Be, 12C, 19F i 15N te su identificirana pobuđena stanja u rasponu energija 0-10 MeV. Detekcijom izlaznih čestica identificirani su procesi raspršenja iona 7Li na jezgrama meta 7Li, 12C, 19F i 27Al, elastično raspršenje (6Li(7Li, 6Li)7Li) sa detektiranim ionima 7Li i 6Li te procesi prijenosa tritona 7Li(7Li, α)10Be, 6Li(7Li, α)9Be, 12C(7Li, α)15N. The Diploma thesis examines nuclear reactions studied on multiple targets (12C, 7LiF, 6LiF) induced by the 7Li beam at energy of 16 MeV. The emitted particles were detected with double sided silicon strip detector (Micron Semiconductor type W1, 1000 μm of thickness) whose center was positioned at an angle of 21,8°to incident beam. Collected data was used for excitation energy spectra reconstruction of 6,7Li, 9,10Be, 12C, 19F and 15N nuclei. Based on the data, excitation states were identified in energy range of 0-10 MeV. Detected nuclear reactions include elastic and inelastic scattering of 7Li on 7Li, 12C, 19F and 27Al, detection of scattered 6Li from 6Li(7Li, 6Li)7Li reaction and triton cluster transfer reactions 7Li(7Li, α)10Be, 6Li(7Li, α)9Be, 12C(7Li, α)15N.

Learning how 19F is produced and destructed in AGB-stars is crucial. Fluorine abundance is in fact important, given that it is strongly tied to standard and extra-mixing processes taking place in AGB-stars. This kind of objects are considered to be the main sources of fluorine in galactic environment, in which experimental abundances are far overestimated. For this reason the reaction 19F(α, p)22Ne, that represents the main destruction channel in He-rich environment, was studied at energies corresponding to T~2·10^8 K.

U ovom se radu proučavaju nuklearne reakcije ulaznog kanala 10B+12C s ciljem istraživanja građe lakih atomskih jezgara oko nukleonskog broja A=10. Za jezgre iz tog masenog područja, poznata su mnoga stanja na bliskim energijama, koja se ne mogu opisati unutar istog modela. U ovom se radu stoga opisuju razni modeli, od običnog modela ljusaka do egzotičnih modela nuklearnih molekula i Bose-Einsteinovih kondenzata. S ciljem pronalaženja novih takvih stanja, izabrana je jezgra 10B kao projektil, s obzirom da su već njena niskoležeća stanja kombinacija modela ljusaka i klasterskih konfiguracija, a spin osnovnog stanja, iznimno je visok i iznosi Jπ =3+. Mjerenja su provedena na energiji snopa od 50 MeV-a, dok su produkti reakcije bilježeni sustavom od četiri ΔE-E silicijska detektora velikog prostornog kuta, koji omogućavaju mjerenja jednostrukih događaja, ali i dvo- i tročestičnih koincidencija. Analiza jednostrukih događaja, omogućila je rekonstrukciju spektara jezgri 12C, 13N, 15N, 15O i 16O, dok su iz dvočestičnih koincidencija rekonstruirani spektri 8Be i 14N. Na temelju tih spektara i recentnih eksperimentalnih i teorijskih radova, diskutirana je selektivnost pobuđivanja pojedinih stanja i struktura samih jezgara na koju ona ukazuju. In this work we study the nuclear reactions 10B+12C, with the goal of exploring the structure of light atomic nuclei around the nucleon number A=10. It is well known that those nuclei have many energy levels which are very close yet their structure and properties cannot be modeled in the same framework. For this reason we describe several different models, ranging from a simple Shell Model to several exotic ones, including the Nuclear Molecule model and the Bose-Einstein Condensate model. With the goal of finding states which correspond to these models, we have chosen the nucleus 10B as the projectile, because its low-lying states already have a mixture of shell model and cluster configurations and the spin of its ground state is extremely high, namely Jπ =3+. The projectile energy used was 50 MeV, while the detector system was made from four ΔE-E silicon detectors, covering a very wide solid angle. Both single-particle and multi-particle detection was possible. From the single particle detection, we have reconstructed the spectra of the following nuclei 12C, 13N, 15N, 15O and 16O, while the two particle detection was used to reconstruct the spectra of 8Be and 14N. A discussion on the selective activation of energy states and the corresponding structure of the nuclei is performed, based on the reconstructed spectra and the recent theoretical and experimental work in the field.

Još od prvih proučavanja sustava 12C+12C, gdje su uočene izražene rezonancije u udarnom presjeku mjerenja elastičnog raspršenja te reakcijama prijenosa, ovaj sustav i dalje privlači pažnju. Posebno zato što reakcija 12C+12C, ima vrlo važnu ulogu u zvjezdanim sustavima bogatim ugljikom, kao što su super AGB zvijezde, supernove tipa Ia te superbljeskovi. Astrofizički značajno područje energije ovog sustava, za ove zvjezdane objekte, je između 1.5 i 3.3 MeV u energiji u sustavu centra mase sistema 12C+12C, što je ekvivalentno području između 15.4 i 17.2 MeV u energiji pobuđenja jezgre 24Mg. Dosadašnja mjerenja udarnog presjeka ove reakcije pokrivaju područje do 2.10 MeV. Kako se ovo područje energija od astrofizičke važnosti, nalazi ispod kulonske barijere, očekuje se da su samo stanja niskog spina, 0+ ili 1−, važna za proces gorenja ugljikom. Kod stanja višeg spina, postaje značajan i doprinos centrifugalne barijere, što čini udarni presjek još manjim. Mjerenje udarnog presjeka reakcije 12C+12C, u astrofizičkom području energija, je vrlo zahtjevno i dugotrajno. Komplementarni pristup ovom problemu je korištenje indirektnih tehnika mjerenja. U ovom radu su predstavljene dvije indirektne tehnike mjerenja, metoda rezonantne čestične spektroskopije pomoću koje je proučavana reakcija 16O(12C,α)24Mg*, te metoda rezonantnog elastičnog raspršenja za mjerenje reakcije 4He(20Ne,4He)20Ne. Glavna ideja ovog rada je proučavanje rezonantnih struktura jezgre 24Mg, s posebnim naglaskom na stanja opažene u astrofizički značajnom području energija, spina 0+ ili 1−. Analiza rezonancija opaženih u različitim kanalima raspada 24Mg, te izračunati omjeri grananja tih stanja, su pomogli u razumijevanju karakteristika niza pobuđenih stanja 24Mg. Detaljnom analizom je utvrđeno, da u ova dva mjerenja, nije opaženo stanje spina 0+ ili 1− u astrofizički značajnom području energija. No ne može se isključiti mogućnost postojanja takvog stanja, koje nije moglo biti opaženo radi prevelike gustoće stanja te nedovoljno dobre rezolucije mjerenja. Analiza predstavljena u ovom radu, ukazuje na probleme koji postoje u traženju astrofizički značajnog stanja, primjenom indirektnih metoda rezonantne čestične spektroskopije i rezonantnog elastičnog raspršenja. Dobiveni rezultati mjerenja metodom rezonantne čestične spektroskopije su ukazali na značajan doprinos strukture u kojoj je 20Ne u svojim pobuđenim stanjima, za stanja 24Mg koja se raspadaju u kanal α+20Ne. Ta informacija je značajno olakšala analizu mjerenja metodom rezonantnog elastičnog raspršenja. Analizom mjerenja izvršenog metodom rezonantnog elastičnog raspršenja, određeni su parametri više pobuđenih stanja 24Mg, a koji do sad, nisu bili dostatno poznati. Since the first study of the 12C+12C system, which showed prominent resonances in the elastic scattering and the transfer reaction cross section measurements, study of this system is relevant even today. Especially because of the important role that the 12C+12C reaction has on the carbon-rich stellar systems, such as super AGB stars, supernovae Type Ia and superbursts. The relevant energy range of the cross section measurements for these stellar systems is between 1.5 and 3.3 MeV in the energy of the center of the mass of the 12C+12C system, which is equivalent to 15.4-17.2 MeV in the excitation energy of 24Mg. Current cross section measurements of the 12C+12C system extend down to 2.10 MeV. Since this region of astrophysical interest is far below Coulomb barrier, it is expected that only 0+ or 1− state is relevant for the carbon burning process. The cross section measurement of the 12C+12C reaction, in the astrophysical region of interest, is difficult and long lasting. Different approach to this problem is made by using indirect techniques of measurement. In this work, two indirect techniques of measurement are presented, the resonant particle spectroscopy method that studied 16O(12C,α)24Mg* reaction, and the resonant elastic scattering method, that studied the 4He(20Ne,4He)20Ne reaction. The main idea of this work was to study the resonance structures of 24Mg, with strong emphasis on the resonances observed in the astrophysical region of interest, with spin 0+ or 1−. The analysis of the resonances observed in different decay channels, their branching ratios, has been performed in order to understand the structure of 24Mg excited states. Detailed analysis showed that in both measurements, the 0+ or 1− state in the astrophysical region of interest, was not observed. Although one can not exclude the existence of that kind of state, that could not be observed due to the high density of the states and not high enough resolution of the experiments. Analysis presented in this work, showed the problems that one experiences by using indirect methods of measurement, the resonant particle spectroscopy method and the resonant elastic scattering method, to observe the astrophysical relevant state. The results of the analysis of the resonant particle spectroscopy method measurement, showed high contribution of the structures, in which 20Ne is in its excited states, for the states in 24Mg that decay into the α+20Ne channel. This information made the analysis of the measurement done by the resonant elastic scattering method much easier. The analysis of the resonant elastic scattering method measurement determined parameters of many of the 24Mg excited states, that weren’t well known before.

Lake atomske jezgre u okolici A = 10 pokazuju vrlo različite strukture na bliskim energijama pobuđenja, od ljuskastih do sasvim egzotičnih, kao što su molekulska stanja s više valentnih nukleona, ili Bose-Einsteinovi kondenzati. Eksperimentalni podaci u tom području nepotpuni su i često kontroverzni. S ciljem proučavanja jezgri iz tog masenog područja, nuklearne reakcije 10B + 10B mjerene su na dvije energije snopa = 50 i 72.2 MeV. Produkti reakcija bilježeni su detektorskim sustavom sastavljenim od četiri silicijska ΔE-E teleskopa, koji je pokrivao veliki prostorni kut i omogućavao mjerenje jednostrukih događaja, te dvo- i tročestičnih koincidencija. Proučavana je selektivnost pobuđivanja pojedinih stanja, te njihov sekvencijalni raspad. U skladu sa složenom strukturom jezgre 10B, čija su niskoležeća stanja mješavina ljuskastih (jednočestičnih) i klasterskih konfiguracija tipa 6Ligs + α ili 6Li(0+2 , 1) + α, te visoki spin osnovnog stanja jezgre 10B (Jπ = 3+), pobuđen je čitav niz stanja na visokim energijama pobuđenja, vjerojatno visokog spina, od kojih se mnoga uklapaju u modele koji predviđaju neobične klasterske strukture tih jezgara, a neka tek ugrađuju u novije teorijske modele. Mehanizmom prijenosa neutrona, odnosno protona, vrlo je jako pobuđeno nekoliko stanja u jezgrama 11B i 11C, na visokim energijama pobuđenja, za koja dosad nije zabilježeno pobuđivanje prijenosom jednog nukleona. U spektrima pobuđenja 9Be i 9B nedostaje prvo pobuđeno stanje izrazito klasterske građe, no s druge strane javljaju se stanja koja se vrlo lijepo uklapaju u rotacijske vrpce osnovnih stanja tih jezgra, kao članovi 9/2−. Prijenosom dva nukleona intenzivno je pobuđen kanal 8Be + 12C. Detekcija tri α- čestice nastale kroz ovaj kanal omogućila je rekonstrukciju detalja procesa 10B + 10B → 5α, koji se odvija preko Hoyleovog stanja u jezgri 12C, ali i rijetko isticanog stanja na Ex = 24.4 MeV, kojemu još nisu poznati spin i paritet. U tročestičnom izlaznom kanalu 10B + d + 8Be, pobuđeno je i rijetko viđeno stanje na visokoj energiji pobuđenja u 12C (na 30.33 MeV), koje se raspada kroz egzotični kanal 10B + d. Dobiveni spektri pokazuju veliku selektivnost pri prijenosu tri nukleona u stanja jezgre 13C, a jaki su i prijenosi α-čestice u pojedina stanja jezgre 14N, te 6Li u stanja jezgre 16O. Naročito je jako izraženo α-stanje na 18.9 MeV u 13C, te stanja 14N na 13.2 i 15.39 MeV, koja se uklapaju u vrlo nedavne AMD račune za jezgru 14N, kao glava i pobuđeno 5+ stanje rotacijske vrpce Kπ = 3+ bazirane na 10B(3+) + α strukturi. Još jedan rezultat ovog rada svakako je doprinos na području kalibracije DSSSD detektora, gdje je razvijena nova metoda i posebni programski paket prilagođen za njeno jednostavno korištenje. A rich variety of nuclear structures occur in light nuclei, in the vicinity of the A = 10 region, at similar excitation energies: from shell-model states to very exotic ones, e.g. molecular states with multiple valence nucleons or Bose-Einstein condensate states. Experimental data for this region is incomplete and often controversial. In order to study the structure of nuclei in this mass region, 10B + 10B reactions were measured at beam energies of 50 and 72.2 MeV. Reaction products were detected using a detector setup that consisted of four ΔE-E silicon detector telescopes, covering a large solid angle and allowing for the detection of single events as well as two- and three-particle coincidences. The selectivity of this reaction for populating different excited states was studied, together with a sequential decay of states in question. The complex structure of the low-lying states of the 10B nucleus, which can be described as a mixture of shell model and cluster configurations of the type 6Ligs + α or 6Li(0+2 , 1) + α, together with a high spin of the ground state Jπ = 3+, enables this reaction to populate a range of different high-spin states at high excitation energies. The theories predicting an existence of exotic structures of the A = 10 nuclei can model many of these states, while some of the states are yet to be studied using new theoretical models. One nucleon transfer reactions populated a few well defined high excitation energy states of the 11B and the 11C. Some of these states were populated in a one nucleon transfer reaction for the first time. In the excitation energy spectra for the 9B and the 9Be the first excited states, characterized as highly clustered structures, are missing. On the other hand, states that nicely fit into rotational bands of first excited states of these nuclei are clearly observed as their 9/2− members. Two nucleon transfer reactions strongly populated the 8Be + 12C channel. A coincident detection of three α-particles provided the information necessary to reconstruct the details of the 10B + 10B→5α reaction. That exotic reaction proceeds not only through the Hoyle state of the 12C, but also through a rarely mentioned 12C state at Ex = 24.4 MeV, whose parity and spin of are still unknown. In the three particle channel 10B + d + 8Be a seldom observed high energy state in 12C (Ex = 30.33 MeV) that decays through an exotic channel 10B + d was populated. Excitation energy spectra of 13C show a high selectivity in the three nucleon transfer channel. An α-transfer into states of the 14N is very strong, as well as 6Li transfer reaction to the states of the 16O. A very strong α-decaying state is seen at the Ex = 18.9 MeV in the 13C. Excited states of the 14N at 13.2 and 15.39 MeV of excitation energy fit nicely to a recent AMD calculations as the head and the 5+ state of the 10B(3+) + α rotational band (Kπ = 3+). For the needs of this theses a novel calibration method was developed. It was implemented in a set of tools that allow an easy and accurate calibration of DSSSD detectors.

Nuklearne reakcije su detaljno istraživane od svog otkrića, kojemu je prethodilo otkriće radioaktivnosti. Dvije su vrste nuklearnih reakcija: fisija i fuzija i uključuju transmutaciju jezgre jednog elementa u jezgre dugih elemenata. U ovom radu opisano je korištenje fisije i fuzije s naglaskom na energetsko iskorištavanje. Fisija je trenutno glavni izvor energije, no fuzija se intenzivno istražuje jer je isplativija.

Rad opisuje razliku između klasične i relativističke fizike te uvodi pojmove Q-vrijednosti i sustava centra centra mase u svrhu konkretne primjene jednostavnih relativističkih računa.

U radu su opisane nuklearne reakcije koje doprinose nukleosintezi, što uključuje fuziju lakših atomskih jezgara u evoluciji zvijezde i stvaranje težih elemenata u eksploziiji supernove i sustavima binarnih zvijezda.

Lake jezgre često pokazuju znatna odstupanja od sfernog oblika i ne mogu se dobro opisati unutar modela ljuski. Posebnu klasu među njima čine stanja kod kojih se pojavljuje kovalentni efekt vezanja između sredica (najčešće alfa čestica) i valentnih nukleona. Po analogiji s atomskom fizikom, takva stanja nazivamo nuklearnim molekulama. Bobo eksperiment je potraga za stanjima u jezgrama 10B i 10C koja bi odgovarala nedavno potvrđenim molekulskim stanjima u jezgri 10Be. Ime Bobo dolazi od „Boron On BOron“, što znači da su mjerene nuklearne reakcije 10B + 10B i to na dvije energije snopa: 50 i 72MeV. Segmentiranim detektorskim sustavom koji se sastoji od četiri nuklearna teleskopa i pokriva velik prostorni kut, proučavana su pobuđenja i raspadi stanja u A=10 izobarnim jezgrama. Takvo mjerenje vrlo je pogodno za pobuđivanje molekulskih stanja visokog spina u izlaznom kanalu, s obzirom da jezgra 10B ima grozdovsku strukturu i spin 3+ u osnovnom stanju. Preliminarni rezultati bit će prikazani.

Mjerenjem nuklearnih reakcija izazvanih lakim projektilima dobiva se uvid u strukturu i mehanizam nastanka jezgri. Mogućnost upotrebe radioaktivnih snopova omogućila je proučavanje i teže dostupnih lakih jezgara, udaljenih od doline stabilnosti. Na postrojenju za proizvodnju radioaktivnih snopova u Louvain-la- Neuveu napravljena su prva mjerenja nuklearnih reakcija izazvanih radioaktivnim snopom 6He energije 16.8 MeV na meti 9Be. Nabijene čestice u izlaznim kanalima detektirane su pomoću 224 silicijska strip detektora grupirana u dva niza detektora uz pokrivanje velikog prostornog kuta. Ovdje ćemo predstaviti rezultate koji se odnose na elastično i kvazi-slobodno raspršenje. Rezultati za elastično raspršenje uspoređeni su s eksperimentalnim rezultatima za raspršenje 6Li na istoj meti i sličnoj energiji te s teorijskim računima. Zadovoljavajuće slaganje dobiveno je s CDCC računom, što potvrđuje da učinci rascjepa slabo vezanog 6He imaju značajnu ulogu u procesu. Jasno je opaženo kvazi-slobodno raspršenje 6He na α- klasteru u 9Be što potvrđuje tvrdnju postavljenu u [2] za 6Li da čak i slabo vezani projektil niske energije može sudjelovati u takvom raspršenju.

Programski paket "POVRAY" (od engl. Persistence of Vision Raytracer) iskorišten je za izradu rutine za vizualizaciju nuklearnih reakcija. Rutine su izrađene poštujući zakone sačuvanja energije i impulsa, te simulirajući karakteristične kutne raspodjele za direktne nuklearne reakcije. Dobivene animacije su jednostavne za upotrebu i pogodne za primjenu u srednjoškolskoj nastavi fizike.

I nakon više od pola stoljeća intenzivnog istraživanja, atomska jezgra ostaje fascinantan kvantno-mehanički laboratorij. Lake jezgre (A

Moderni detektori u nuklearnoj fizici pokrivaju sve veći prostorni kut, te sa sve većom efikasnošću bilježe jednostruke i višestruke događaje nakon nuklearnih reakcija, što omogućuje proučavanje procesa vrlo malene vjerojatnosti odvijanja. Među takve spada i višestruko nuklearno raspršenje, tj. proces u kojem se jezgra iz snopa više puta rasprši na raznim jezgrama mete. Još je manje vjerojatan proces u kojem bi se u jednom koraku umjesto raspršenja odigrala reakcija prijenosa nukleona. U okviru diplomskog rada eksperimentalno je proučena mogućnost detekcije takvih procesa na konkretnom primjeru, reakciji 12C+d->13C*+p praćenoj raspršenjem 13C*+12C. Mjerenje je izvršeno na ubrzivaču Tandem Van de Graaff Instituta "Ruđer Bošković" u Zagrebu uz upotrebu poluvodičkih detektora nabijenih čestica. Analiza podataka je napravljena kako bi se pokazao potencijal ovakvih mjerenja za primjene u spektroskopiji egzotičnih nuklearnih stanja.

Nuklearne reakcije izazvane radioaktivnim snopom 6He na 9Be

Programski paket "POVRAY" (od engl. Persistence of Vision Raytracer) vrlo je sofisticiran besplatan alat za računalno dizajniranje slike kao niza objekata u trodimenzionalnom prostoru. Unutar paketa se jednostavnim programskim kodom definiraju položaji objekata, izvora svjetlosti i kamere, na osnovu čega se konačna slika računa poštujući zakone geometrijske optike. Zbog svoje egzaktnosti, POVRAY se može koristiti za ilustraciju znanstvenih rezultata. U okviru diplomskog rada izrađen je niz rutina za vizualizaciju atomske jezgre te reakcija među njima. U modeliranje reakcija uključen je račun zakona sačuvanja energije i impulsa. Pokazan je potencijal upotrebe ovako generiranih slika i animacija u srednjoškolskoj nastavi fizike.

Moderni detektori u nuklearnoj fizici pokrivaju sve veći prostorni kut te sa sve većom efikasnošću bilježe jednostruke i višestruke događaje nakon nuklearnih reakcija. To danas omogućuje proučavanje procesa vrlo malene vjerojatnosti odvijanja. Među takve spada i višestruko nuklearno raspršenje, tj. proces u kojem se jezgra iz snopa više puta rasprši na raznim jezgrama mete. U okviru diplomskog rada proučena je mogucnost detekcije takvih procesa za nekoliko odabranih sistema mete i projektila. Istražila se i vjerojanost odvijanja uzastopnih nuklearnih reakcija (procesa kod kojih jezgra stvorena nuklearnom reakcijom izaziva drugu reakciju ili rasprsenje), te eventualna primjena u modernim istraživanjima egzotičnih nuklearnih struktura.

Preciznom rekonstrukcijom putanja nabijenih čestica u nuklearnim reakcijama mnogožičane proporcionalne komore omogučile su novu generaciju eksperimenta u nuklearnoj fizici. U radu je sastavljena i ispitana vertikalna mnogožičana komora i pripadajuća elektronika.

Verikalna posmična komora je detektorski sustav za precizno određivanje putanja čestica u nuklearnim reakcijama. Bitna komponenta sustava je scintilacijski detektor za određivanje vremena prolaska čestice. U diplomskom je izgrađen i ispitan prikladan scinitilacijski detektor za vertikalnu posmičnu komoru.

U ovom eksperimentalnom radu proučavali smo nuklearne reakcije p+9Be na energijama snopa 5.5 - 9.5 MeV s ciljem pobuđivanja visokoležećih stanja jezgre 10B. Ekscitacijske funkcije izmjerili smo za osam izlaznih kanala p+9Be (g.s.), p2+9Be*(2.429MeV), p3+9Be(3.049MeV), d+8Be(g.s.), d1+8Be*(3.03MeV), alfa+6Li(g.s.), alfa1+6Li*(2.186MeV) i alfa2+6Li*(3.563MeV). Rezonancije nisu uočene niti u jednom kanalu. Što se tiče strukture visokoležećih stanja 10B, možemo zaključiti da ona imaju bitno različitu strukturu od p+9Be, te da korišteni ulazni kanal nije pogodan za njihovo istraživanje.

Iako jezgre bogate neutronima zauzimaju najveći dio nuklearnog krajolika, do nedavno su eksperimentalni podaci o njima bili vrlo oskudni. Mogućnost uputrebe radioaktivnih snopova omogućila je njihovo eksperimentalno proučavanje te dovela i do otkrića nekih novih pojava (halo, koža, ..). Usprkos vrlo intenzivnom istraživanju, o strukturi i mehanizmima nastanka mnogih takvih egzotičnih jezgri još uvijek se vrlo amlo zna, a s druge strane, mnogi rezultati čekaju svoju dodatnu potvrdu. Cilj našeg proučavanja bile su jezgre 7He te 9, 10, 11Be. U tu svrhu, na postrojenju za proizvodnju radioaktivnih snopova u Louvain- la-Neuveu napravljena su mjerenja nuklearnih reakcija izazvanih radioaktivnim snopom 6He energije 17 MeV na meti 9Be. Za detekciju nabijenih čestica u izlaznim kanalima korištena su 224 silicijska strip detektora grupirana u dva niza (LEDA i LAMP). Mjereni su inkluzivni te koincidentni energijski spektri. Dosadašnjom analizom podataka iz sustava LEDA proučen je niz izlaznih kanala. Najvažniji rezultati su: 1. U reakciji prijenosa jednog neutrona 9Be(6He, 7He)8Be dobiven je energijski spektar 7He u kojem dominira osnovno stanje. Pobuđena stanja nisu uočena. 2. Na temelju analize reakcije prijenosa dva neutrona 9Be(6He, 4He)11Be proučen je niz pobuđenih stanja jezgre 11Be. 3. Proučavanjem neelastičnog raspršenja uočena su prva dva člana rotacijske vrpce 9Be zasnovane na osnovnom stanju.

U prvom poglavlju su obrađene nuklearne reakcije. Pod nuklearnom reakcijom podrazumijevamo proces pri kojem dolazi do vanjskog utjecaja na nuklearnu jezgru, što izaziva njezinu transformaciju. Vanjsko djelovanje događa se se naletom ili prodiranjem u atomsku jezgre neke čestice odnosno druge jezgre. Energija oslobođena u nuklearnim procesima naziva se nuklearna energija. Iz zakona očuvanja energije za nuklearne reakcije vidi se da se tijekom procesa dio mase pretvara u energiju. U nuklearnim reakcijama vrijedi i zakon očuvanja električnog naboja i zakon očuvanja ukupnog broja nukleona. Prvo poglavlje opisuje i nuklearne reakcije s neutronima: elastični sudar, neelastični sudar, uhvat neutrona i fisiju. Pokazatelj vjerojatnosti da će doći do određene nuklearne reakcije su udarni presjeci, koji su obrađeni u drugom poglavlju. Ukratko je opisan i grafički predočen izvod formule za udarni presjek. Glavni dio rada obuhvaćaju treće i četvrto poglavlje, u kojima je obrađena nuklearna fuzija u laboratoriju i zvijezdama. Radi boljeg razumijevanja nuklearne fuzije, u prvom i drugom poglavlju su dane osnove nuklearnih reakcija i udarnih presjeka. Treće poglavlje obrađuje termonuklearnu fuziju u laboratoriju. Govori se o nuklearnim reakcijama fuzije koje bi mogle biti upotrijebljene kao energetski izvori budućnosti. Nuklearna fuzija se postiže na temperaturama od 108 K što stvara velike poteškoće za ostvarenje u nuklearnim reaktorima. Taj se problem rješava tako što se fuzija postiže u plinskoj plazmi, tj. neutralnoj smjesi pozitivnih i negativnih iona, gdje se mogu postići temperature veće od 108 K. Tu se javlja problem održanja tlaka plazme. Taj se problem nastoji riješiti magnetskim ograničenjem plazme ili inercijskim ograničenjem plazme. Za razliku od termonuklearne fuzije u laboratoriju, termonuklearna fuzija u zvijezdama se odvija spontano, što je opisano u četvrtom poglavlju. Kako je većina zvijezda izgrađena od lakših elemenata vodika i helija, najzastupljeniji u Svemiru su proton-proton procesi, u kojima se vodik pretvara u helij u nizu reakcija. Ti se procesi odvijaju na nižim temperaturama do 20*106 K. Na višim temperaturama značajnu ulogu imaju reakcije nazvane CNO-ciklus, kod kojih je proces izgradnje helija (4He) znatno drukčiji. Kod zvijezda većih masa mogu gorjeti ugljik, kisik, neon i sve do željeza. Svi ti izvori energije ne mogu se ostvariti na svim zvijezdama, već samo u zvijezdama većih masa.

Reakcije 6He+6, 7Li i 6He+12C izmjerene su sa snopom 6He energije 18 MeV. Mjerenje je izvršeno na postrojenju za proizvodnju radioaktivnih snopova u Louvain-la-Neuveu. Nabijeni produkti reakcija detektirani su u 3 niza s ukupno 320 silicijskih strip-detektora. Određene su kutne raspodjele za elastično raspršenje, te niz izlaznih dvočestičnih reakcija. Jasno je uočen i niz višečestičnih reakcija. Analizom relativnog gibanja izlaznih čestica u tim reakcijama, prepoznata su stanja izražene klasterske građe. Tako je za jezgru 10Be uočen niz stanja grupiranih u rotacijsku vrpcu vrlo velike deformacije. Dobivene su i nove spoznaje o strukturi nekih stanja jezgara 9Be i 14C. Sve u svemu, demonstrirana je upotrebljivost radioaktivnih snopova u nuklearnoj spektroskopiji neobičnih stanja, usprkos njihovom malom intenzitetu i slaboj kvaliteti. Jezgre 6He pokazale su se odličnim ulaznim česticama za proizvodnju egzotičnih stanja lakih jezgara.

Postojeci rezultati daju dovoljno dokaza za razvijenu klastersku gradju ^8, 9, 10Be kao i njene indikacije za ^11, 12, 14Be. 3a klasterska gradja 12C omogucuje proširenje te slike na teže jezgre. Detaljna spektroskopska mjerenja tehnikama za reakcije prijenosa i raspada daju podatke o gradji jezgara u podrucju energija pobudjenja u kojima se javljuju klasterske strukture. Mjerenja su izvršena na tandem Van de Graaff akceleratoru Australskog nacionalnog sveucilišta u Canberri. Upotrebljeni detektorski sustav omogucio je da zanimljiva konacna stanja reakcije budu jednoznacno odredjena. U spektrima pobudjenja ^14C iz reakcije ^7Li(^9Be, ^14C*->^10Be+alfa)^2H po prvi put su detektirana stanja koja se raspadaju emisijom alfa-cestice. U mjerenjima su nadjeni raspadi u osnovno i pobudjena stanja ^10Be. Reakcija ^7Li(^9Be, ^13C*->^9Be+alfa)^3H omogucila je mjerenje pobudjenih stanja ^13C koja se raspadaju u alfa+^9Be(gs). Mjerenja daju prve rezultate alfa-raspada za visoko-pobudjena stanja. Detektirani procesi raspada stanja ^13, 14C su upotrebljeni za odredjivanje njihove moguce klasterske gradje. Rezultati su usporedjeni s predvidjanjima lancane gradje izotopa ugljika.

xxx

Mjerene su kutne raspodjele za elastično raspršenje ^6He+^6Li i reakciju prijenosa ^6Li(^6He,^10Be)^2H na energiji snopa od 17 MeV. Mjerenje je izvršeno na postrojenju za proizvodnju radioaktivnih snopova Sveučilišta u Louvain-la-Neuveu. Nabijeni produkti reakcija detektirani su u 3 niza detektora (LEDA, LAMP1, LAMP2) s ukupno 320 silicijskih strip-detektora (debljine 300 mikrometara). Eksperimentalni podaci analizirani su koristeci formalizam FRDWBA (uz pretpostavku alpha-prijenosa u jednom koraku). Rezultati za elasticno rasprsenje u dobrom su slaganju s teorijskim predvidanjima uz upotrebu parametara optickih potencijala dobivenih iz analize elasticnih rasprsenja 6Li+6Li i 7Li+7Li na energijama E= 5-40 MeV. Rezultati za reakciju 6Li(6He,10Be)2H pokazuju veliki udarni presjek za alpha-prijenos (sto nije karakteristicno za reakcije prijenosa 4 nukleona) u stanja jezgre 10Be na energiji pobudenja od oko 7.5 MeV. U eksperimentu nije bilo moguce razluciti stanje 3- na energiji pobudenja od 7.371 MeV od stanja 2+ na energiji pobudenja od 7.542 MeV, no vrlo je vjerojatno udarni presjek puno veci za pobudenje stanja 2+.Ovo bi stanje imalo, dakle, izrazenu klastersku strukturu alpha+6He, te bi bilo clan rotacijske vrpce bazirane na stanju 0+ (E= 6.18 MeV). Ta bi rotacijska vrpca imala iznimno velik moment inercije (k= 0.21 MeV), odnosno parametar deformacije (beta= 0.85). Ovaj rezultat potvrduje teorijske ideje da u jezgri 10Be postoje vrlo egzoticne strukture molekulskog tipa.

Opisani su procesi nukleosinteze u astrofizici i kozmologiji. Posebno je razmatrana primordijalna nukleosinteza.

Razmatraju se nuklearne reakcije neutronskog uhvata na atomskim jezgrama olova koje su bogate neutronima.