Neutron capture cross section measurements by the activation method at the n_TOF NEAR station

Abstract

The lightest elements that make up our universe were created in the Big Bang. Elements heavier than Li-7 are produced every day in the heart of stars. Elements are synthesised in different nuclear processes taking place in different life stages of stars. Among other particles produced during these reactions, neutrons are readily available in stars and their velocities follow a Maxwell-Boltzmann distribution, centered around the value that corresponds to the star's temperature. One of the most important nucleosynthesis processes is the s-process, consisting of neutron captures and subsequent decays. Astrophysical models can deduce the elemental ratios and model the chemical evolution of our universe, but in order to accurately do so, they need input from nuclear reaction studies, such as accurate cross section values for astrophysical processes. Since neutrons in stars follow a Maxwellian distribution, these cross sections are referred to as Maxwellian-averaged cross sections, or MACSs. MACSs can be calculated by folding point-wise cross section data with a Maxwellian distribution or can be directly measured, if a Maxwellian neutron beam is available. The neutron time-of-flight facility (n_TOF) is CERN's neutron source. Based on a proton beam from the proton synchrotron (PS) impinging on a lead spallation target, n_TOF comprises three experimental areas, two at the end of long flight paths in order to perform measurements using the time-of-flight (TOF) technique, and one right next to the spallation target itself, benefiting from high neutron flux. This third experimental area, the "NEAR" station, could potentially be used to perform integral MACS measurements on cases that are too challenging to measure via TOF. A prerequisite to this is to filter the neutron energy distribution into a Maxwellian one. This work is a feasibility study of such a filtering technique. In order to shape the neutron energy distribution, filters made of B4C, enriched in B-10 and thus highly interacting with low energy neutrons, were used. To test the shape results, neutron capture reactions of already known point-wise cross sections and MACS were measured. The methodology for these measurements was the activation technique, which consists of two steps: Irradiating the sample and afterwards measuring its induced activity. We can then deduce the number of nuclei of interest that was produced during the irradiation. This number is related to the cross section of the reaction for this specific shape of neutron flux. By comparing the experimental results with the ideal-case results we would have gotten if we had had a perfect Maxwellian beam, we can quantify the quality of the shaping technique used in this study and make inferences as well as future suggestions. The conclusions of this work can be summarised in the following two points:- MACS can be measured at n_TOF only within a factor 2-3. This is not a high accuracy measurement, it can however be useful in cases where the MACS is completely unknown, or deduced with a large uncertainty.- Thicker filters lead to smaller differences between experimental and ideal conditions. It should be noted though that increasing the thickness of the filters too much can have the opposite effect, as they then start to interfere too much and lead to further scattering or background issues. - The experimental conditions can be significantly improved by the installation of a moderating system that will further shape the beam by interacting with the higher-energy neutrons, in addition to the filter that can absorb low energy ones.

Η πυρηνική αστροφυσική είναι ο τομέας της φυσικής που συνδυάζει παρατηρήσεις από την αστροφυσική με μοντέλα πυρηνικών αντιδράσεων με στόχο την καλύτερη κατανόηση της παραγωγής των στοιχείων στο σύμπαν καθώς και τη χημική εξέλιξή του.Τα πιο ελαφρά στοιχεία του περιοδικού πίνακα, το υδρογόνο και το ήλιο, δημιουργήθηκαν κατά τη Μεγάλη Έκρηξη ενώ τα βαρύτερα στοιχεία από το 7Li παράγονται στα αστέρια. Κάθε αντίδραση που λαμβάνει χώρα μέσα στο άστρο δεν παράγει μόνο κάποιο βαρύτερο στοιχείο, αλλά πολλά ακόμα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, νετρίνα και άλλα. Μεταξύ αυτών βρίσκονται και τα νετρόνια, τα οποία παράγονται και κινούνται μέσα στο υλικό του αστέρα και, καθώς συγκρούονται με τα υπόλοιπα σωματίδια, σιγά σιγά αποκτούν ταχύτητες που αντιστοιχούν στη θερμοκρασία του άστρου. Η κατανομή των ταχυτήτων αυτών των νετρονίων είναι τότε μία κατανομή Maxwell-Boltzmann. Καθώς τα νετρόνια αυτά κινούνται μέσα στο υλικό του αστέρα, κάποια στιγμή θα συλληφθούν από κάποιο άτομο. Η πιθανότητα να συμβεί αυτή η σύλληψη δίνεται από τη μέση ενεργό διατομή της συγκεκριμένης αντίδρασης για νετρόνια που ακολουθούν κατανομή Maxwell-Boltzmann αντίστοιχη της θερμοκρασίας του άστρου. Η τιμή αυτή ονομάζεται Maxwellian-averaged cross section (MACS). Στόχος αυτής της μελέτης είναι να διερευνηθεί η δυνατότητα πραγματοποίησης μετρήσεων MACS μέσω της τεχνικής της ενεργοποίησης στις εγκαταστάσεις n_TOF του CERN, και συγκεκριμένα στην πειραματική περιοχή NEAR.Η εγκατάσταση n_TOF του CERN βασίζεται σε μία από τις ισχυρότερες πηγές ταχέων νετρονίων. Πρωτόνια από τον επιταχυντή PS συγκρούονται με στόχο μολύβδου οδηγώντας σε αντιδράσεις θρυμματισμού οι οποίες παράγουν διαφορετικά στοιχεία και σωματίδια, μεταξύ των οποίων νετρόνια. Από αυτά, ένα μικρό ποσοστό κατευθείνεται προς τις τρεις πειραματικές περιοχές της εγκατάστασης. Οι δύο από αυτές, οι EAR1 και EAR2, βρίσκονται μακρυά από το στόχο, 185 και 20 μέτρα αντίστοιχα, ώστε να επιτρέπουν μετρήσεις με την τεχνική time-of-flight (TOF), τεχνική που εκμεταλλεύται την καλή γνώση της απόστασης και του χρόνου πτήσης των νετρονίων για τον υπολογισμό της ενέργειάς τους. Η τρίτη πειραματική περιοχή των εγκαταστάσεων, ο σταθμός NEAR βρίσκεται κοντά στο στόχο, σε απόσταση μόλις 3 μέτρων, με σκοπό να εκμεταλλευτεί την πολύ υψηλή ροή νετρονίων εκεί. Η ενεργειακή κατανομή των νετρονίων που φτάνουν στον πειραματικό σταθμό NEAR εκτείνεται από μερικά meV μέχρι την περιοχή των GeV, καθώς τα νετρόνια προέρχονται από αντιδράσεις θρυμματισμού στο στόχο. H κατανομή των νετρονίων δεν ακολουθεί την κατανομή Maxwell-Boltzmann που θα θέλαμε για μετρήσεις αστροφυσικού ενδιαφέροντος. Αυτό όμως μπορεί να αλλάξει με τη χρήση κατάλληλων φίλτρων, τα οποία θα απορροφήσουν νετρόνια χαμηλής ενέργειας, μεταβάλλοντας έτσι το σχήμα της ενεργειακής κατανομής τους. Ένα υλικό κατάλληλο για τέτοια φίλτρα είναι το βόριο, εμπλουτισμένο στο ισότοπο βόριο-10. Για τη συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν 4 φίλτρα βασισμένα στο βόριο-10, με διαφορετικά πάχη, ώστε να μελετηθούν διαφορετικές κατανομές και να διερευνηθεί κατά πόσον μπορούν να οδηγήσουν σε μετρήσεις MACS. Αποφασίστηκε επίσης να μελετηθούν 4 αντιδράσεις που έχουν μελετηθεί ήδη με την τεχνική χρόνου πτήσης, με γνωστή MACS, ώστε να μπορεί να ποσοτικοποιηθεί η αποτελεσματικότητα ή μη των φίλτρων. Μαζί με το κάθε δείγμα τοποθετήθηκε και φύλλο χρυσού, δρώντας ως στόχος αναφοράς. Η μέθοδος που ακολουθήσαμε για αυτές τις μετρήσεις ήταν η τεχνική της ενεργοποίησης. Η τεχνική αυτή αποτελείται από δύο βήματα: την ακτινοβόληση ενός δείγματος και τη μετέπειτα μέτρηση της επαγόμενης ενεργότητας. Κατά την ακτινοβόληση λαμβάνει χώρα η υπό μελέτη αντίδραση ενώ η μέτρηση της επαγόμενης ενεργότητας οδηγεί στον υπολογισμό του αγνώστου μεγέθους που μπορεί να είναι η ενεργός διατομή της αντίδρασης, εάν η ροή κατά την ακτινοβόληση είναι γνωστή, ή το αντίστροφο. Στην παρούσα μελέτη η μέτρηση της ενεργότητας πραγματοποιήθηκε με ανιχνευτή γερμανίου υπερυψηλής καθαρότητας. Τα δεδομένα που έχουμε στο τέλος της μέτρησης της ενεργότητας είναι φάσματα-γ. Με βάση αυτά τα φάσματα μπορούμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των πυρήνων που παρήχθησαν κατά την ακτινοβόληση. Αρχικά πρέπει να υπολογίσουμε τον αριθμό των γεγονότων που καταγράφηκαν στη φωτοκορυφή, καθώς αυτά αντιστοιχούν σε φωτόνια που εκπέμφθηκαν από το δείγμα κατά τη διάρκεια της μέτρησης, σταθμισμένα φυσικά με την ανιχνευτική απόδοση του συστήματός μας. Αφότου προσδιορίσουμε τον αριθμό των γεγονότων από την ανάλυση των φασμάτων και πριν καταλήξουμε στον αριθμό των παραγόμενων πυρήνων, χρειάζεται να εφαρμόσουμε ορισμένες απαιτούμενες διορθώσεις. Αφότου εφαρμόσουμε όλους τους διορθωτικούς παράγοντες που απαιτούνται, καταλήγουμε στον αριθμό των πυρήνων που παρήχθησαν, μέγεθος άμεσα συνδεδεμένο με την ενεργό διατομή της αντίδρασης για τη συγκεκριμένη ενεργειακή κατανομή νετρονίων. Αυτή η ενεργός διατομή ονομάζεται Μέση φασματική ενεργός διατομή (Spectral-averaged cross section (SACS)) και, για να ποσοτικοποιήσουμε τα αποτελέσματα της μελέτης, πρέπει να συγκρίνουμε τον αριθμό αυτόν με τον ιδανικό αριθμό που θα είχαμε εάν η ενεργειακή κατανομή των νετρονίων ήταν μία τέλεια κατανομή Maxwell-Boltzmann, δηλαδή τη MACS. Τα συμπεράσματα από τη συγκεκριμένη μελέτη μπορούν να καταγραφούν ως εξής:- Μεγαλύτερα πάχη φίλτρου οδηγούν σε πειραματικές τιμές πιο κοντινές στις ιδανικές.- Για υψηλής ακρίβειας υπολογισμούς MACS δεν αρκεί μόνο η διαδικασία του φιλτραρίσματος της ροής ώστε να απομακρυνθούν τα νετρόνια χαμηλής ενέργειας. Αυτό φαίνεται από το γεγονός ότι τα πειραματικά δεδομένα απέχουν από τα ιδανικά κατά έναν παράγοντα 2-3. Παρ'όλα αυτά, αυτή η ακρίβεια μπορεί να είναι ικανοποιητική για αντιδράσεις των οποίων η MACS δεν είναι γνωστή, ή είναι γνωστή με πολύ μεγάλη αβεβαιότητα.