Astronuc Teramo 21/04/2005 Sezioni durto di cattura neutronica per 90,91,92,93,94,96 Zr e loro...

Astronuc Teramo 21/04/2005

Sezioni d’urto di cattura Sezioni d’urto di cattura neutronica per neutronica per 90,91,92,93,94,9690,91,92,93,94,96Zr e loro Zr e loro

implicazioni astrofisicheimplicazioni astrofisiche

Motivazioni Scientifiche La facility n_Tof Misure a n_Tof Analisi Dati e Risultati Conclusioni

G. Tagliente INFN BariG. Tagliente INFN Bari


Motivazioni ScientificheMotivazioni Scientifiche

Astrofisica Nucleare

Tecnologie nucleari


Nucleosintesi oltre il Fe

rs

Neutrons

0 50 100 150 200MASS NUMBER

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

AB

UN

DA

NC

E

(Si =

106 )

FusionBB

Fe

ab

un

dan

ce

sr


Il processo s Il processo s

56Fe 91.72

57Fe 2.2

58Fe 0.28

Fe

Co

60Ni 26.223

59Co 100

59Fe 44.503 d

60Fe 1.5 106 a

60Co 5.272 a

61Co 1.65 h

61Ni 1.140

62Ni 3.634

Ni

63Ni 100 a

64Ni 0.926

58Co 70.86 d

62Cu 9.74 m

63Cu 69.17

64Cu 12.7 h

61Fe 6 m

percorso del processo s

Cu

Lungo la valle della-stability


Cattura neutronica

nelle

Giganti Rosse

Konvektive HülleC/OHe

H

He-shell burning

convective envelope

Sorgenti di neutroniSorgenti di neutroni

1313C(C(,n),n)

2222Ne(Ne(,n),n)


(n,) di particolare interesse

Nuclei con numero magico di neutroni

A < 120

Isotopi branching instabili


Sezioni d’urto (n,Sezioni d’urto (n,) per gli Zr) per gli Zr

• Neutron magic, N=50

• A < 120

• sezioni d’urto di cattura piccole

• Nota: 93Zr instabile

• Neutron magic, N=50

• A < 120

• sezioni d’urto di cattura piccole

• Nota: 93Zr instabile


Sezioni d’urto (n,Sezioni d’urto (n,) per gli Zr ) per gli Zr

90Zr

91Zr

92Zr

Zr

Nb

94Mo

93Nb

93Zr 1.5E6 a

94Zr

94Nb 2.265 m 2.0E4 a

95Mo

96Mo

Mo

97Mo

98Mo

95Zr 64.02 d

s-process

96Zr

92Mo

90,91,92,93,94,96Zr monitor del flusso di neutroni dei processi s nelle stelle Giganti Rosse

N=

50


Perché misurare gli Zr

Fondamentali come monitor dell’esposizione e del flusso di neutroni nelle stelle Giganti Rosse

Attuali valori (n,) non spiegano i rapporti fra gli isotopi trovati nei presolar SiC grain ( in particolare 96Zr/94Zr)

Accuratezza degli attuali (n,) >10%; richiesta < 5%


La facility n_TOF al CERNLa facility n_TOF al CERN

Spallazione di protoni di alta energia su un target di piombo (~360 neutroni/protone)

7x1012 protons/bunch @ 20 GeV/c dall’acceleratore PS (risoluzione temporale 6 ns )

Massima frequenza di ripetizione 0.8 Hz

Flusso istantaneo molto alto fondamentale per lo studio di campioni di piccole

dimensioni e di isotopi radioattivi


La facility n_TOF al CERN

Caratteristiche del fascio (a 187.5 mt)

• Alto flusso istantaneo di neutroni 105 n/cm2/impulso

• Ampio spettro di energie 1 eV < En < 250 MeV

• Alta risoluzione E/E ~ 10-4 (fino a 100 keV)• Basso rate di ripetizione 0.8 Hz massimo• Basso background 10-5 (flusso outside/flusso

in beam)


L’apparato sperimentale

1 10 100 10000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

(108 neutrons)

pm

C6D6

pm window

dwmu walls

bottom

exp.volume

NEUTRON ENERGY (keV)

CO

UN

TS

• Costruiti specificatamente per avere

una bassa sensibilità ai neutroni: C6D6 con contenitore in fibra di carbonio (FZK)

• Porta campioni in fibra di carbonio

• Efficienza ai di cattura indipendente dalla cascata (utilizzo della Pulse Height Weighting Functions)

1 10 100 10000

200

400

600

800

1000

1200

Bottom and walls

(108 neutrons)

PM window

PM

C6D6

NEUTRON ENERGY (keV)

I rivelatori


Il sistema di aquisizioneAlto flusso istantaneo di neutroni molti eventi per ogni impuslo di neutroni + pile-up

Standard DAQ sono inadeguati

n_TOF DAQ totalmente basato su Flash ADC

• Fino a 1 GSample/s (500 MHz bandwidth), 16 MB buffer memory

• Soppressione software degli Zero • Disponibili sul mercato (Aqiris)

Analisi Offline dei segnali per le informazioni sul tempo e sulla carica

• Semplice algoritmo per il singolo segnale

• Procedura di fitting per gli eventi di pile-up


Misure a n_TOF

“Sezioni d’urto di cattura neutronica” (n,)

Per migliorare l’accuratezza dei dati Nucleari

n

C6D6 scintillatori liquidi

Porta Campioni

Campioni Misure90,91,92,94,96Zr Giu.-Ago. 2003

93Zr Ott. 2004


Composizione isotopica Purezza dell’isotopo (%)

90Zr 91Zr 92Zr 93Zr 94Zr 96Zr90Zr 97.7 0.87 0.6 - 0.67 0.1691Zr 5.43 89.9 2.68 - 1.75 0.2492Zr 4.65 1.62 91.4 - 2.03 0.393Zr* 1.5 19.0 20.0 20.0 20.0 19.094Zr 4.05 1.18 1.93 - 91.8 1.0496Zr 19.41 5.21 8.2 - 8.68 58.5

Contaminazione: Hf, Na, Mg, Al ...* Isotopo radioattivo (T1/2 =1.5106 anni)

Sample


Caratterisiche degli isotopi di Zr misurati

90Zr 91Zr 92Zr 93Zr 94Zr 96Zr 197Au Lead

Massa (g) 2.717 1.404 1.349 4.88 2.015 3.398 1.871 3.895

Spessore (cm) 0,127 0,065 0,062 0,37 0,091 0,151 0.025 0.09

Forma chimica ZrO2 ZrO2 ZrO2 ZrO2 ZrO2 ZrO2 Metal Metal

Purezza (%) 97.7 89.9 91.4 20.0 91.8 58.5 100 Nat.

Tutti i campioni stabili 2.2 cm in diametro

Gli isotopi stabili dello Zr incapsulati in 0.2 mm Al

93Zr incapsulato in 0.2 mm Al ( 2.2 cm)+ 0.2 mm Ti ( 5.0 cm)

Attivita del campione misurato di 93Zr 92.5 MBq


Analisi dei dati Calibrazione in energia (137Cs,60Co,Pu/C) Scelta dei tagli e soglie per eliminare il

rumore Correzione dell’efficienza dei rivelatore

C6D6 PHWT Valutazione del Background Normalizzazione al flusso di neutroni


Le misure con rivelatori C6D6 richiedono una correzione per l’efficienza di rivelazione (tipicamente < 10 %).

L’efficienza totale di rivelazioni non è COSTANTE, ma dipende dalla natura della cascata di diseccitazione (molteplicità, energia dei raggi , etc…).

IDEA: modificare via software la risposta del rivelatore, in modo da rendere l’efficienza totale di un evento di cattura COSTANTE.

SOLUZIONE: rendere l’efficienza ai proporzionale alla loro energia: = E

La tecnica delle weighting functionLa tecnica delle weighting function

i

22

σ

E)W(Rχ

i

c≈ = E = Ec

Weighting function technique: multiplicare la risposta del rivelatore R(Ed) per weighting function W(Ed) (polinomiale del 4thl) tale da minimizzare :

E=4 MeV

Raw spectrum

Weighted spectrum


Le simulazioni MC con GEANT 3.21 (GEANT 4, MCNP).

Descrizione detagliata dell’apparato:Rivelatori (tutti i materiali e geometria)Porta campioniCampioniProprietà dei segnali: risoluzione, soglie

Simulata la risposta del rivelatore per un range di energie di raggi da 0 a 10 MeV.

Calcolo delle weighting functions

Due metodi per determinare le WF

• Misure

• Utilizzando simulazioni MC

(verificate con le misure di standard)

Usata per minimizzare il 2 una routine (CERNLIB)


Analisi dei dati - Zr yield di cattura degli isotopi stabili

90Zr

- nTOF Zr Yield, - Background

Energy (eV)

96Zr

91Zr

Energy (eV)

Y(En) = (1 – e-nT(En)) (En)/T(En)


Analisi dei dati - 93Zr yield

Yield – radioattività nat.del campione

background

93Zr Yield

Radioattività naturale del campione


Analisi delle risonanzeNormalization

Valutazione dei parametri delle risonanze En , ,n

- ntof gold

- fitSAMMY

N.F.(92Zr)=0.6219

1 3

Resonance Fit

Zr-92 data

1

2

3

4

42

197Au

4.9eV

SAMMY fit of 92Zr


Confronto con misure precedenti

90Zr

Boldeman at al.


Analisi delle risonanze

Capture Strength = g n/tot ≡ S

90Zr

91Zr

92Zr

94Zr

96Zr

c

c


Risultati Preliminari

Sntof 10% - 20% più bassa dei dati precedenti


Conclusioni Misurate le sezioni d’urto (n,) degli isotopi

90,91,92,93,94,96Zr

I risultati degli isotopi analizzati mostrano

Sntof ≈ 10% - 20% minore misure precedenti

Totale incertezza ~ 5%

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