Spalacja i fagmentacja jader atomowych

1
Spalacja i fagmentacja jader atomowych

• Wysokoenergetyczny proton zderzajac sie z
  jadrem atomowym wywoluje rózne reakcje
• Reakcje szybkie (bezposredniego oddzialywania)
• Spalacje (1 ciezki produkt nukleony..)
• Wymuszone rozszczepienie (2 ciezkie produkty)
• Fragmentacje (kilka ciezkich produktów)
• Zrozumienie mechanizmu tych reakcji jest ciaglym
  wyzwaniem dla fizyków

2
Spalacja i fagmentacja jader atomowych
3
Znajomosc spalacji i fragmentacji wazne dla

• Spalacyjnych zródel neutronów
• Subkrytycznych reaktorów gdzie neutrony powoduja
  rozszczepienie (Toru lub innych ciezkich
  pierwiastków, np. wypalonego paliwa uranowego)
• Nowe zródla energii
• Mozliwosc zamiany radioaktywnych, dlugozyciowych
  odpadów na krótkozyciowe
• Astrofizyki sklad promieniowania kosmicznego
  zalezy od spalacji i fragmentacji materii
  miedzygwiezdnej przez promienie kosmiczne
  (glównie protony)

4
Spalacyjne zródlo neutronów - SNS
5
SNS w Oak Ridge USA (od 2006)
6
Europejskie zródlo spalacyjne - ESS

• budowane w Lund
• 
  w Szwecji

7
Produkcja pierwiastków
8
Modyfikacja skladu pierwiastkowego
9
Przyklad 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.

10
MYRRHA
11
Dla wymienionych projektów

• Konieczna jest znajomosc calkowitych i
  rózniczkowych przekrojów czynnych
• Dla oddzialywania protonów z róznymi jadrami
• W szerokim zakresie energii
• Nie ma mozliwosci pomiaru wszystkich waznych
  przekrojów a wiec trzeba
• Parametryzowac zmierzone zaleznosci a najlepiej
  tworzyc realistyczne modele reakcji
• Istniejaca baza danych doswiadczalnych NIE jest
  wystarczajaca do tego celu

12
Calkowite przekroje czynne pAu
13
Calkowite przekroje czynne pAu
14
Calkowite przekroje pAg Tp300 GeV
pXe
15
Calkowite przekroje czynne Fep
16
Rózniczkowe przekroje czynne d2s/dEdO

• Rózniczkowe przekroje czynne reakcji proton-jadro
  zmierzone dla bardzo nielicznych tarcz (jader
  atomowych)
• Jedynie dla kilku energii w zakresie 1 100 GeV
• W szczególnosci nieznane przekroje dla lekkich
  produktów, które pojawiaja sie w reakcji znacznie
  czesciej niz ciezkie produkty
• Ich znajomosc niezbedna dla testowania i
  rozwijania modeli reakcji dajacych realistyczne
  przewidywania dla wszystkich niezbednych jader i
  energii

17
Schemat badan naukowych

• Problem naukowy
• Jego znaczenie i stan wiedzy na ten temat
• Mozliwosc realizacji nowych badan
• Projekt badan
• Sposób pomiaru i analizy danych
• Dostepna aparatura
• Niezbedne dodatkowe wyposazenie
• Oprogramowanie istniejace i dodatkowe
• eksperymentu (np. akwizycja danych),
• analizy danych (selekcja i porzadkowanie
  informacji),
• modeli teoretycznych (porównanie z
  doswiadczeniem)

18
PISA Proton Induced SpAllation

• Projekt PISA wykonanie pomiarów na wewnetrznej
  wiazce pierscienia synchrotronowego COSY w
  Juelich
• Zaletami sa
• Mozliwosc uzycia bardzo cienkich tarcz (niezbedna
  aby nie znieksztalcic widm i rozkladów katowych)
• Otrzymanie mimo to duzej statystyki pomiarów (bo
  wiazka wielokrotnie przechodzi przez tarcze)
• Praca w supercyklu, tzn. przy tych samych
  ustawieniach tarczy, detektorów, elektroniki
  uzycie na przemian kilku energii wiazki, dla
  których maja byc wykonane pomiary

19
PISA c.d.

• Wady pomiarów na wewnetrznej wiazce
• Cala aparatura komora rozproszen, ramiona
  detekcyjne sa bezposrednio polaczone z wysoka
  próznia panujaca w pierscieniu synchrotronowym ?
  wielkie techniczne wymagania dotyczace prózni
• Utrudniony dostep do aparatury dla testów,
  ulepszen i modyfikacji bo odbywaja sie inne
  doswiadczenia
• Wszystko musi byc przemyslane i przygotowane
  wczesniej tak aby nic nie zmieniac w czasie
  pomiaru
• Trudnosci z absolutna normalizacja przekrojów
  czynnych

20
COSY COoler SYnchrotron
21
Detektory kilku rodzajów

• Detektory Bragga identyfikacja Z, detekcja
  czastek o bardzo malych energiach i silnie
  hamowanych
• Detektory channel-plate to detektory do
  wyznaczania czasu przelotu czastek (start i
  stop) do identyfikacji A razem z det. Bragga
• Teleskopy z kilku detektorów krzemowych
  identyfikacja (A,Z) metoda DeltaE-E, pomiar
  energii wiekszych niz detektor Bragga
• Detektory scyntylacyjne jako czesc teleskopu do
  pomiaru najwiekszych energii

22
Schemat ukladu detekcyjnego PISA
23
Rysunek aparatury
24
Zdjecie komory rozproszen
25
Teleskopy krzemowe i scyntylacyjne
26
Elektronika i zdalne sterowanie detekcja
27
Uchwyt tarczy (frame) i tarcza (target)
28
Wiazka padajacych na tarcze protonów
29
Schemat detektora Bragga
30
Detektor Bragga (bez obudowy)
31
Detektor Bragga det. krzemowe
32
Multichannel plate (detektory start-stop)
33
Impulsy z detektora Bragga
34
Widma amplituda-energia i energia-czas
35
Identyfikacja pierwiastków (Z) Bragg
36
Identyfikacja Z c.d.
37
Identyfikacja A BraggTOF
38
Identyfikacja izotopów Be
39
Identyfikacja A c.d.
40
Przykladowe widma (Bragg det.)
41
Widma DeltaE-E z detektorów krzemowych
42
DeltaE-E dla dwu wzmocnien sygnalów
43
DeltaE-E det. krzemowyCsI(Tl)
44
Absolutna normalizacja przekrojów
45
Calkowity przekrój pA ?7Be w funkcji Ep
46
Kontrola absolutnej normalizacji
47
Typowe widma czastek
48
Typowe widma ciezszych czastek
49
Tradycyjny model reakcji
50
Typowe widma lekkich czastek p,d,t
51
Typowe widma Aup?4He, Tp2.5 GeV
52
Nip?6,7,8,9Li,7,9Be,11B wyparowanie1 zródlo
53
Nip 800 wyparowanie1zródlo
54
Aup?6Li, Tp2.5 GeV wyparowanie 1 zródlo
55
Aup?8Li,Tp2.5 GeV, wyparowanie 1 zródlo
56
Aup?9Be,Tp2.5 GeV,wyparowanie 1 zródlo
57
Aup?10B, Tp2.5 GeV,wyparowanie1 zródlo
58
Aup?11B, Tp2.5 GeV,wyparowanie1zródlo
59
Aup?12C, Tp2.5 GeV, wyparowanie1zródlo
60
Multifragmentacja
61
Alp?Li wyparowaniemultifragmentacja
62
Alp?Be wyparowaniemultifragmentacja
63
Alp?B wyparowaniemultifragmentacja
64
Krytyczna energia E/A
65
pAl.?p, d, t Tp1.2 GeV
66
pAl?3He,4He,6He Tp1.2 GeV
67
PAl?p,d,t Tp1.2GeV fireball
68
pAl?3He,4He,6He Tp1.2 GeV fireball
69
Wlasnosci fireballa dla róznych jader
70
WYNIKI

• Zmierzono najbardziej obszerny w literaturze
  zestaw podwójnie rózniczkowych 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 pieciu jader atomowych 12C, 27Al, Ni, Ag,
  197Au
• przy trzech energiach protonów Tp1.2, 1.9, 2.5
  GeV

71
WYNIKI c.d.

• Pokazano, ze tradycyjny 2-stopniowy model nie
  wystarcza do opisu rózniczkowych przekrojów
  czynnych dla
• Lekkich czastek naladowanych (p,d,t,3He,4He)
• Fragmentów o masie posredniej (pomiedzy lekkimi
  czastkami a fragmentami rozszczepienia) jadra
  Li, Be, B, C, N, O itd.
• Potrzeba dodac emisje z jednego (dla fragmentów o
  masie posredniej) lub dwu poruszajacych sie
  zródel (dla lekkich czastek)

72
WYNIKI c.d.2

• Wysokoenergetyczna emisje fragmentów (z szybkiego
  zródla) opisuje multifragmentacja
• Niskoenergetyczna emisje fragmentów opisuje
  tradycyjny model kaskada zderzen NN
  wyparowanie fragmentów
• Jedynym parametrem jest krytyczna energia
  wzbudzenia, która odpowiada przejsciu fazowemu
• Daje to mozliwosc wyznaczania krytycznej energii
  wzbudzenia BEZ pomiarów koincydencyjnych

73
WYNIKI (c.d. 3)

• Dla lekkich produktów reakcji (p,d,t,3He,4He)
  uwzglednienie fragmentacji obok wyparowania NIE
  wystarcza
• NIE wystarcza równiez wlaczenie koalescencji
  nukleonów w lekkie produkty
• Pojawia sie przyczynek do przekrojów, który mozna
  opisac fenomenologicznie jako emisje z lekkiego,
  bardzo szybkiego i goracego zródla fireballa
• Wlasnosci tego zródla sa podobne dla róznych
  jader tarczy co sugeruje, ze jest to ogólny efekt
  zwiazany z pierwszym etapem reakcji

74
Wiekszosc grupy pomiarowej PISA
75
(No Transcript)
76
Przyklad ADS (projekt Rubii)

• Wzmacniacz energii

77
Jadra atomów ciezsze od Fe
78
Rozszczepienie