Spalacja - B.Kamys 1

Spalacja i fagmentacja jąder atomowych

Wysokoenergetyczny proton zderzając się z jądrem atomowym wywołuje różne reakcje: Reakcje szybkie („bezpośredniego

oddziaływania”) Spalację (1 ciężki produkt + nukleony+..) Wymuszone rozszczepienie (2 ciężkie

produkty+…) Fragmentację (kilka ciężkich produktów)

Zrozumienie mechanizmu tych reakcji jest ciągłym wyzwaniem dla fizyków

Spalacja - B.Kamys 2

Spalacja i fagmentacja jąder atomowych

Spalacja - B.Kamys 3

Znajomość spalacji i fragmentacji ważne dla

Spalacyjnych źródeł neutronów Subkrytycznych reaktorów gdzie neutrony

powodują rozszczepienie (Toru lub innych ciężkich pierwiastków, np. „wypalonego” paliwa uranowego) Nowe źródła energii Możliwość zamiany radioaktywnych, długożyciowych

odpadów na krótkożyciowe Astrofizyki – skład promieniowania

kosmicznego zależy od spalacji i fragmentacji materii międzygwiezdnej przez promienie kosmiczne (głównie protony)

Spalacja - B.Kamys 4

Spalacyjne źródło neutronów - SNS

Spalacja - B.Kamys 5

SNS – w Oak Ridge USA (od 2006)

Spalacja - B.Kamys 6

Europejskie źródło spalacyjne - ESS

budowane w Lund w Szwecji

Spalacja - B.Kamys 7

Produkcja pierwiastków

Spalacja - B.Kamys 8

Modyfikacja składu pierwiastkowego

Spalacja - B.Kamys 9

Przykład ADS: MYRRHA

The Belgian Nuclear Research Centre in Mol has been working for several years on the design of a multi-purpose irradiation facility in order to replace the ageing BR2 reactor, a multi-functional materials testing reactor (MTR), in operation since 1962.

MYRRHA, a flexible fast spectrum research reactor (50-100 MWth) is conceived as an accelerator driven system (ADS), able to operate in sub-critical and critical modes. It contains a proton accelerator of 600 MeV, a spallation target and a multiplying core with MOX fuel, cooled by liquid lead-bismuth (Pb-Bi).

MYRRHA will be operational at full power around 2023.

Spalacja - B.Kamys 10

MYRRHA

Spalacja - B.Kamys 11

Dla wymienionych projektów

Konieczna jest znajomość całkowitych i różniczkowych przekrojów czynnych Dla oddziaływania protonów z różnymi jądrami W szerokim zakresie energii

Nie ma możliwości pomiaru wszystkich ważnych przekrojów a więc trzeba

Parametryzować zmierzone zależności a najlepiej tworzyć realistyczne modele reakcji

Istniejąca baza danych doświadczalnych NIE jest wystarczająca do tego celu

Spalacja - B.Kamys 12

Całkowite przekroje czynne: p+Au

Spalacja - B.Kamys 13

Całkowite przekroje czynne: p+Au

Spalacja - B.Kamys 14

Całkowite przekroje: p+Ag Tp=300 GeV

p+Xe

Spalacja - B.Kamys 15

Całkowite przekroje czynne: Fe+p

Spalacja - B.Kamys 16

Różniczkowe przekroje czynne d2σ/dEdΩ

Różniczkowe przekroje czynne reakcji proton-jądro zmierzone dla bardzo nielicznych tarcz (jąder atomowych)

Jedynie dla kilku energii w zakresie 1 – 100 GeV

W szczególności nieznane przekroje dla lekkich produktów, które pojawiają się w reakcji znacznie częściej niż ciężkie produkty

Ich znajomość niezbędna dla testowania i rozwijania modeli reakcji dających realistyczne przewidywania dla wszystkich niezbędnych jąder i energii

Spalacja - B.Kamys 17

Schemat badań naukowych

Problem naukowy Jego znaczenie i stan wiedzy na ten temat Możliwość realizacji nowych badań

Projekt badań Sposób pomiaru i analizy danych Dostępna aparatura Niezbędne dodatkowe wyposażenie Oprogramowanie istniejące i dodatkowe

eksperymentu (np. akwizycja danych), analizy danych (selekcja i porządkowanie informacji), modeli teoretycznych (porównanie z doświadczeniem)

Spalacja - B.Kamys 18

PISA – Proton Induced SpAllation

Projekt PISA – wykonanie pomiarów na wewnętrznej wiązce pierścienia synchrotronowego COSY w Juelich

Zaletami są: Możliwość użycia bardzo cienkich tarcz (niezbędna

aby nie zniekształcić widm i rozkładów kątowych) Otrzymanie mimo to dużej statystyki pomiarów (bo

wiązka wielokrotnie przechodzi przez tarczę) Praca w „supercyklu”, tzn. przy tych samych

ustawieniach tarczy, detektorów, elektroniki użycie na przemian kilku energii wiązki, dla których mają być wykonane pomiary

Spalacja - B.Kamys 19

PISA c.d.

Wady pomiarów na wewnętrznej wiązce: Cała aparatura – komora rozproszeń, ramiona

detekcyjne są bezpośrednio połączone z wysoką próżnią panującą w pierścieniu synchrotronowym wielkie techniczne wymagania dotyczące próżni

Utrudniony dostęp do aparatury dla testów, ulepszeń i modyfikacji bo odbywają się inne doświadczenia

Wszystko musi być przemyślane i przygotowane wcześniej tak aby nic nie zmieniać w czasie pomiaru

Trudności z absolutną normalizacją przekrojów czynnych

Spalacja - B.Kamys 20

COSY – COoler SYnchrotron

Spalacja - B.Kamys 21

Detektory kilku rodzajów

Detektory Bragga – identyfikacja Z, detekcja cząstek o bardzo małych energiach i silnie hamowanych

Detektory „channel-plate” – to detektory do wyznaczania czasu przelotu cząstek („start” i „stop”) do identyfikacji A razem z det. Bragga

Teleskopy z kilku detektorów krzemowych – identyfikacja (A,Z) metodą DeltaE-E, – pomiar energii większych niż detektor Bragga

Detektory scyntylacyjne jako część teleskopu do pomiaru największych energii

Spalacja - B.Kamys 22

Schemat układu detekcyjnego PISA

Spalacja - B.Kamys 23

Rysunek aparatury

Spalacja - B.Kamys 24

Zdjęcie komory rozproszeń

Spalacja - B.Kamys 25

Teleskopy krzemowe i scyntylacyjne

Spalacja - B.Kamys 26

Elektronika i zdalne sterowanie detekcją

Spalacja - B.Kamys 27

Uchwyt tarczy („frame”) i tarcza („target”)

Spalacja - B.Kamys 28

Wiązka padających na tarczę protonów

Spalacja - B.Kamys 29

Schemat detektora Bragga

Spalacja - B.Kamys 30

Detektor Bragga (bez obudowy)

Spalacja - B.Kamys 31

Detektor Bragga + det. krzemowe

Spalacja - B.Kamys 32

„Multichannel plate” (detektory start-stop)

Spalacja - B.Kamys 33

Impulsy z detektora Bragga

Spalacja - B.Kamys 34

Widma „amplituda-energia” i „energia-czas”

Spalacja - B.Kamys 35

Identyfikacja pierwiastków (Z): „Bragg”

Spalacja - B.Kamys 36

Identyfikacja Z c.d.

Spalacja - B.Kamys 37

Identyfikacja A: „Bragg”+TOF

Spalacja - B.Kamys 38

Identyfikacja izotopów Be

Spalacja - B.Kamys 39

Identyfikacja A c.d.

Spalacja - B.Kamys 40

Przykładowe widma (Bragg det.)

Spalacja - B.Kamys 41

Widma „DeltaE-E” z detektorów krzemowych

Spalacja - B.Kamys 42

DeltaE-E dla dwu wzmocnień sygnałów

Spalacja - B.Kamys 43

DeltaE-E det. krzemowy+CsI(Tl)

Spalacja - B.Kamys 44

Absolutna normalizacja przekrojów

Spalacja - B.Kamys 45

Całkowity przekrój p+A 7Be w funkcji Ep

Spalacja - B.Kamys 46

Kontrola absolutnej normalizacji

Spalacja - B.Kamys 47

Typowe widma cząstek

Spalacja - B.Kamys 48

Typowe widma cięższych cząstek

Spalacja - B.Kamys 49

Tradycyjny model reakcji

Spalacja - B.Kamys 50

Typowe widma lekkich cząstek: p,d,t

Spalacja - B.Kamys 51

Typowe widma Au+p4He, Tp=2.5 GeV

Spalacja - B.Kamys 52

Ni+p6,7,8,9Li,7,9Be,11B „wyparowanie”+1 źródło

Spalacja - B.Kamys 53

Ni+p 800 „wyparowanie”+1źródło

Spalacja - B.Kamys 54

Au+p6Li, Tp=2.5 GeV wyparowanie + 1 źródło

Spalacja - B.Kamys 55

Au+p8Li,Tp=2.5 GeV, wyparowanie + 1 źródło

Spalacja - B.Kamys 56

Au+p9Be,Tp=2.5 GeV,wyparowanie + 1 źródło

Spalacja - B.Kamys 57

Au+p10B, Tp=2.5 GeV,wyparowanie+1 źródło

Spalacja - B.Kamys 58

Au+p11B, Tp=2.5 GeV,wyparowanie+1źródło

Spalacja - B.Kamys 59

Au+p12C, Tp=2.5 GeV, wyparowanie+1źródło

Spalacja - B.Kamys 60

Multifragmentacja

Spalacja - B.Kamys 61

Al+pLi wyparowanie+multifragmentacja

Spalacja - B.Kamys 62

Al+pBe wyparowanie+multifragmentacja

Spalacja - B.Kamys 63

Al+pB wyparowanie+multifragmentacja

Spalacja - B.Kamys 64

Krytyczna energia E*/A

Spalacja - B.Kamys 65

p+Al.p, d, t Tp=1.2 GeV

Spalacja - B.Kamys 66

p+Al3He,4He,6He Tp=1.2 GeV

Spalacja - B.Kamys 67

P+Alp,d,t Tp=1.2GeV „fireball”

Spalacja - B.Kamys 68

p+Al3He,4He,6He Tp=1.2 GeV „fireball”

Spalacja - B.Kamys 69

Własności „fireball’a” dla różnych jąder

Spalacja - B.Kamys 70

WYNIKI

Zmierzono najbardziej obszerny w literaturze zestaw podwójnie różniczkowych przekrojów czynnych

lekkich produktów reakcji: p,d,t,3He,4He,6He,6Li,7Li,8Li,9Li,7Be,9Be,10Be,10B, 11B,12B,C,N,O

dla pięciu jąder atomowych: 12C, 27Al, Ni, Ag, 197Au

przy trzech energiach protonów: Tp=1.2, 1.9, 2.5 GeV

dEdd

2

Spalacja - B.Kamys 71

WYNIKI c.d.

Pokazano, że tradycyjny 2-stopniowy model nie wystarcza do opisu różniczkowych przekrojów czynnych dla Lekkich cząstek naładowanych (p,d,t,3He,4He) Fragmentów o masie pośredniej (pomiędzy lekkimi

cząstkami a fragmentami rozszczepienia) – jądra Li, Be, B, C, N, O itd.

Potrzeba dodać emisję z jednego (dla fragmentów o masie pośredniej) lub dwu poruszających się źródeł (dla lekkich cząstek)

Spalacja - B.Kamys 72

WYNIKI c.d.2

Wysokoenergetyczną emisję fragmentów (z szybkiego źródła) opisuje multifragmentacja

Niskoenergetyczną emisję fragmentów opisuje tradycyjny model – kaskada zderzeń NN +”wyparowanie” fragmentów

Jedynym parametrem jest krytyczna energia wzbudzenia, która odpowiada przejściu fazowemu

Daje to możliwość wyznaczania krytycznej energii wzbudzenia BEZ pomiarów koincydencyjnych

Spalacja - B.Kamys 73

WYNIKI (c.d. 3)

Dla lekkich produktów reakcji (p,d,t,3He,4He) uwzględnienie fragmentacji obok wyparowania NIE wystarcza

NIE wystarcza również włączenie koalescencji nukleonów w lekkie produkty

Pojawia się przyczynek do przekrojów, który można opisać fenomenologicznie jako emisję z lekkiego, bardzo szybkiego i gorącego żródła – „fireball’a”

Własności tego źródła są podobne dla różnych jąder tarczy co sugeruje, że jest to ogólny efekt związany z pierwszym etapem reakcji

Spalacja - B.Kamys 74

Większość grupy pomiarowej PISA

Spalacja - B.Kamys 75

Spalacja - B.Kamys 76

Przykład ADS (projekt Rubii)

„Wzmacniacz energii”

Spalacja - B.Kamys 77

Jądra atomów cięższe od Fe

0.01

0.1

1

10

100

1000

104

105

106

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cosmic Abundances(ultra heavy nuclei only)

Si=

106

Element charge, Z

endothermic

Fe

Pb

Th

Sn

Ge

Spalacja - B.Kamys 78

Rozszczepienie