Study of nuclear excitation induced by inelastic electron scattering

Abstract

Die Diplomarbeit untersucht die Möglichkeit inwieweit Kernanregungen induziert durch inelastische Elektronstreuung (NEIES) für technologische Anwendungen genutzt werden können. Das Ziel ist die selektive Anregung von Kernzuständen und damit die Änderung der Kerneigenschaften wie Lebensdauer und Zerfallspfad. Die Diplomarbeit umfasst eine quantitative Studie in welcher Anregungswirkungsquerschnitte und daraus folgende Übergangsraten für eine Auswahl von Kernen berechnet werden. Insbesondere wird die Abhängigkeit der Anregungswirkungsquerschnitte von der Ordnungszahl Z, der Anregungsenergie E_x und der Multipol-Ordnung Eλ and Mλ untersucht. Die theoretische Basis für diese Rechnungen verwendet eine realistische Elektron-Kern Wechselwirkung, welche auf dem Austausch virtueller Photonen beruht, und benützt eine Multipol-Entwicklung der Übergangsoperatoren. Mit den entsprechenden Beziehungen wurde ein numerisches Programm entwickelt, welches die Anregungswirkungsquerschnitte als Funktion der Energie des Elektronstrahls für verschiedene Kerne und Anregungszurände berechnet. Weiters wurden für die berechneten Wirkungsquerschnitte Übergangsraten für realistische Parameter des Elektronenstrahls bestimmt, um das Anwendungspotential und die Durchführbarkeit von NEIES abschätzen zu können.

This master thesis investigates the extent to which nuclear excitations induced by inelastic electron scattering (NEIES) can be used for technological applications. The aim is to selectively excite nuclear states thus influencing nuclear properties such as lifetimes or decay pathways. The work provides a quantitative study in which initial estimates of inelastic excitation cross sections and the resulting transition rates are performed for a selection of nuclei. For this purpose, cross sections are calculated for various atomic numbers Z, excitation energies E_x and multipole orders Eλ and Mλ. The theoretical basis of the work makes use of the electromagnetic electron-nucleus interaction, the description of the scattering process via virtual photons and a multipole expansion of the relevant transition operators. Based on this, a numerical code was developed that implements the formulas and determines the cross sections as a function of the electron energy. From the calculated cross sections, typical transition rates are then derived using realistic beam parameters to evaluate the experimental potential and the feasibility of NEIES based excitation schemes.