Contribution to the design, fulfillment, and data analysis of fission fragment yields of the SOFIA experiment at GSI

Abstract

Ce document présente la mesure de rendements isotopiques issus de la fission de l'U238 obtenus suite à l'expérience SOFIA réalisée au GSI à Darmstadt (août 2012). Cette expérience novatrice utilise la technique de la cinématique inverse relativiste, qui présente plusieurs avantages : les fragments de fissions sont focalisés vers l'avant dans un cône de faible ouverture angulaire (grande efficacité géométrique), et possèdent un état de charge nul ce qui facilite considérablement la mesure des rendements élémentaires. Le dispositif SOFIA se compose tout d'abord d'une cible active, dans laquelle a lieu la fission par excitation coulombienne et d'une chambre d'ionisation qui permet à la fois la mesure de la charge nucléaire et de l'angle horizontal des deux fragments en coïncidence. La mesure des masses est faite en déterminant le rayon de courbure des fragments, déviés par un puissant aimant (ALADIN), grâce à deux détecteurs de positions (MWPC), et par une mesure de temps de vol, qui nécessite une résolution extrême d'environ 40 ps FWHM pour que la séparation des isotopes lourds voisins soit acceptable. L'analyse des données montre que les objectifs initiaux ont étés remplis, puisque la séparation isotopique est atteinte sur toute la gamme des fragments de fission. Un effet pair-impair significatif est observé dans les rendements en charge, dont le spectre présente, comme attendu, une valeur moyenne pour la charge lourde très proche de Z = 54. L'effet pair-impair neutron présente, étonnamment, une amplitude et une forme très similaire à celle mesurée sur des fissions en neutrons thermiques. Le rapport pic/vallée des distributions en masses indiquent que l'énergie d'excitation est proche des 14 MeV attendus. Enfin, nos mesures sont très souvent comparées au code GEF qui donne des résultats toujours très proches des nôtres.The isotopic fission yields of U 238 following the SOFIA experiment, conducted at the GSI facility (Darmstadt), are presented here. This experiment takes advantage of the inverse kinematics technique at relativistic energies. Benefits are several : fission fragments are highly focused (high geometrical efficiency) and are also completely stripped, which greatly simplifies their nuclear charge measurement. The first detector of the SOFIA setup is an active target in which fission occurs via electromagnetic excitation, followed by an ionization chamber to measure the nuclear charge and the horizontal angle of both fission fragments. The masses are deduced by the bending radius measurement of the fragments, deflected by a strong magnet (ALADIN), thanks to two position detectors (MWPC), and also by a highly resolved time-of-flight measurement (40 ps FWHM) so that heavy neighboring isotopes can be separated. The data analysis shows that the main goals are achieved since the isotopic separation is reached over the whole range of the fission fragments. A strong even-odd effect is seen in the charge spectrum, which also exhibits a mean heavy charge close to Z = 54. Surprisingly, the neutron even-odd effect of the light region is seen to be very close to the one in thermal neutron induced fission. The peak-to-valley ratio of the mass spectrum confirms that the mean excitation energy at fission is close to the expected one (14 MeV). The GEF code is used for comparison and always gives results very close to ours