Παραγωγή δέσμης νετρονίων 0.025 eV - 1 GeV και μετρήσεις υψηλής ακρίβειας ενεργών διατομών αντιδράσεων (n, γ)

Abstract

In this PhD thesis we present the measurement of neutron capture cross – sections based on the neutron Time – of – Flight. The measurements were performed at the European Organization for Nuclear Research (CERN) in the framework of the n_TOF Experiment. The neutrons were produced by spallation reactions of the 20 GeV/c protons from the PS accelerator of CERN on a lead target, while the flight path was coming up to 185 m. The design of the TOF facility was optimized by means of Monte – Carlo simulations, aiming to the best characteristics of the neutron beam. These characteristics have been experimentally determined, using proper detector systems that had been developed for that purpose. Such a device was the Neutron Flux Monitoring System, the design and operation of which is part of this work. The measurement of neutron capture cross sections was done with the Pulse Height Weighting Technique, which consists in the detection of the gamma cascades that follow the capture and the determination of a proper Weighting Function that is applied in the recorded pulses height, resulting to a capture detection efficiency that is proportional to the energy of the cascade. The calculation of the Weighting Function is done by means of Monte – Carlo simulations, while for its validation we have developed, within the n_TOF Collaboration, a new technique that is based on the simulation of realistic cascades. The capture cross section of 197Au, an isotope that is used as an absolute normalization for the rest of the studied isotopes, was measured by applying this technique and is presented here.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μέτρηση ενεργών διατομών ακτινοβολούσας αρπαγής νετρονίων με βάση το χρόνο πτήσης τους. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια του πειράματος n_TOF στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών και Στοιχειωδών Σωματιδίων (CERN). Η παραγωγή των νετρονίων γινόταν με αντιδράσεις θρυμματισμών πρωτονίων ορμής 20 GeV/c προερχόμενων από τον επιταχυντή PS του CERN σε στόχο μολύβδου, ενώ διαδρομή πτήσης τους ανέρχονταν στα 185 m. Η σχεδίαση του στόχου μολύβδου και της γραμμής πτήσης έγινε βασιζόμενη σε μια σειρά προσομοιώσεων Monte – Carlo που είχαν ως στόχο την επίτευξη των βέλτιστων χαρακτηριστικών της δέσμης νετρονίων. Τα χαρακτηριστικά της δέσμης προσδιορίστηκαν πειραματικά με τη χρήση ανιχνευτικών διατάξεων που αναπτύχθηκαν ειδικά για το σκοπό αυτό. Τέτοια διάταξη αποτελεί και το σύστημα συνεχούς προσδιορισμού της ροής, η σχεδίαση και λειτουργία του οποίου αποτελεί μέρος αυτής της εργασίας. Η μέτρηση των ενεργών διατομών (n,γ) έγινε με τη μέθοδο Pulse Height Weighting Technique, η οποία συνίσταται στην ανίχνευση των γ–καταιγισμών που συνοδεύουν τις αρπαγές και στον προσδιορισμό μιας κατάλληλης συνάρτησης βάρους η οποία όταν εφαρμόζεται στο ύψος των παλμών που καταγράφονται καθιστά την απόδοση των ανιχνευτών ανάλογη της ενέργειας του καταιγισμού. Ο προσδιορισμός της συνάρτησης βάρους γίνεται μέσω προσομοιώσεων Monte – Carlo ενώ για τον έλεγχό της αναπτύξαμε, στα πλαίσια της ευρύτερης συνεργασίας στο n_TOF, μια νέα μέθοδο που στηρίζεται στην προσομοίωση ρεαλιστικών καταιγισμών. Με τη μέθοδο αυτή μετρήθηκε η ενεργός διατομή αρπαγής του 197Au, ενός ισοτόπου το οποίο αποτελεί την αναφορά με βάση την οποία εξάγονται οι διατομές όλων των υπολοίπων ισοτόπων.