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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
Astronuc Teramo 21/04/2005
Motivazioni ScientificheMotivazioni Scientifiche
Astrofisica Nucleare
Tecnologie nucleari
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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)
Astronuc Teramo 21/04/2005
(n,) di particolare interesse
Nuclei con numero magico di neutroni
A < 120
Isotopi branching instabili
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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%
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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)
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
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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
Astronuc Teramo 21/04/2005
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
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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)
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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)
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Analisi dei dati - 93Zr yield
Yield – radioattività nat.del campione
background
93Zr Yield
Radioattività naturale del campione
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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
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Confronto con misure precedenti
90Zr
Boldeman at al.
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Analisi delle risonanze
Capture Strength = g n/tot ≡ S
90Zr
91Zr
92Zr
94Zr
96Zr
c
c
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Risultati Preliminari
Sntof 10% - 20% più bassa dei dati precedenti
Astronuc Teramo 21/04/2005
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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