Badanie nuklidów w otoczeniu 48 Ni przy pomocy komory dryfowej z projekcją czasu i z odczytem optycznym

Rozprawa doktorska przedstawia rezultaty badania jąder w okolicy podwójnie magicznego 48Ni. W pracy opisano też użyte techniki eksperymentalne i algorytmy analizy stworzone na potrzeby opisanych badań. Eksperyment stanowiący podstawę tej pracy został przeprowadzony w ośrodku National Superconducting Cyclotron Laboratory będącym częścią Michigan State University. Do produkcji egzotycznych nuklidów posłużono się wiązką pierwotną 58Ni przyspieszoną do energii 160 MeV na nukleon w akceleratorach K500 i K1200. Produkty reakcji z tarczą z niklu o naturalnym składzie izotopowym były selekcjonowane z użyciem separatora A1900, a następnie implantowane w komorze dryfowej z odczytem optycznym (ang. Optical Time Projection Chamber (OTPC)), gdzie rejestrowano ich rozpady. Dla każdego zdarzenia zapisywano także dane identyfikacyjne. Detektor OTPC użyty w tym eksperymencie jest drugą generacją tego urządzenia. Istotna część pracy jest poświęcona jego dokładnemu opisowi, ze szczególnym uwzględnieniem specyficznej logiki wyzwalania. Detektor OTPC został opracowany w celu rejestracji emisji cząstek naładowanych z egzotycznych jąder i działa w podobny sposób co klasyczna komora dryfowa, z dodatkowym pośrednim etapem konwersji sygnału elektrycznego na optyczny. Każde zdarzenie składa się z obrazu z kamery CCD przedstawiającego rzut zdarzenia na płaszczyznę XY i przebiegu sygnału z fotopowielacza, dającego informacje o zdarzeniu wzdłuż osi Z. Łącząc te informacje możliwa jest rekonstrukcja śladów cząstek naładowanych zatrzymanych w detektorze, co daje informacje o ich energii i kierunku emisji. Procedura pozwalająca na precyzyjną rekonstrukcję rejestrowanych zdarzeń, poprzez porównanie symulowanej odpowiedzi detektora z danym eksperymentalnymi, została opracowana na potrzeby przedstawionych w rozprawie badań. Umożliwia ona odtworzenie torów obydwu protonów emitowanych w zdarzeniach emisji dwuprotonowej z 48Ni, a także śladów protonów β-opóźnionych emitowanych z 44Cr i 46Fe o energii nie przekraczającej ~2$ MeV. Poniższa praca przedstawia szczegółowo pierwsze cztery zdarzenia w których bezpośrednio zarejestrowano emisję dwuprotonową z 48Ni. We wszystkich przypadkach przeprowadzono rekonstrukcję torów protonów w trzech wymiarach, co pozwoliło wyznaczyć energie indywidualnych protonów i ich kierunki. W pracy przedstawiono także pierwszy przypadek β-opóźnionej emisji dwóch protonów z 46Fe. Na podstawie zebranych danych obliczono czasy życia i współczynniki rozgałęzienia rozpadów 48Ni, 46Fe i 44Cr. Dla 48Ni i 46Fe obliczono przekrój czynny na ich produkcję. Przedstawiono także widma energetyczne protonów opóźnionych emitowanych z jąder 46Fe i 44Cr o energii nie przekraczającej 2 MeV.

The dissertation presents results of decay spectroscopy of nuclei in the vicinity of the doubly magic 48Ni, along with employed experimental techniques and detailed presentation of analysis algorithms developed specifically for this study. The experiment providing data for the described studies was performed at the National Superconducting Cyclotron Laboratory at the Michigan State University using coupled K500-K1200 cyclotrons for acceleration of 58Ni to the energy of 160 MeV per nucleon. A1900 separator was used to select ions of interest from reactions of the primary beam with a natural Ni target. Selected ions were implanted into the Optical Time Projection Chamber (OTPC), where their decays were recorded. Also recorded were ID data for each implanted event. The OTPC detector used in this study is a second version of this device and substantial part of the dissertation describes the detector itself and the experimental setup, in particular the controlling logic. The OTPC detector was developed to record events of charged particles emission from exotic nuclei. It works in a manner similar to an ordinary time projection chamber, albeit with an additional step of converting the signal from electrical form to light. Each recorded event consists of an image describing projection on the XY plane and an accompanying trace from a photo multiplier providing information along the Z axis. When combined, the data from these sources allow for complete reconstruction of traces of charged particles stopped in the detector, providing their energy and direction. A procedure for precise reconstruction of events by comparing experimental results with a simulated detector response was developed for the analysis of experimental data. This procedure allowed reconstruction of traces of both protons emitted in the 48Ni two-proton radioactivity, as well as β-delayed proton traces from 44Cr and 46Fe of energy up to ~2MeV. This dissertation presents in detail the first four events of direct observation of the two proton radioactivity from 48Ni. All these events are reconstructed in three dimensions, yielding energies and directions of individual protons. Also presented is the first observation of β-delayed two-proton emission from 46Fe. Further analysis yields half-lives and branchings ratios for decays of 48Ni, 46Fe and 44Cr. For 48Ni and 46Fe production cross-section is determined. Recorded proton spectra of low energy delayed protons from 46Fe and 44Cr are also presented.