Emise neutronů ů v tříštivých reakcích

Transkript

1 Emise neutronů ů v tříštivých reakcích 0,7-2,0 GeV protonů ů na tlustém Pb terči obklopeném uranovým blanketem Antonín Krása obhajoba PhD. práce Školitel: RNDr. Vladimír Wagner, CSc.

2 Osnova Projekt Energie + Transmutace Experimentální aparát Zpracování dat Experimentální výsledky Simulace Monte Carlo Porovnání experimentů se simulacemi

3 Projekt Energie+Transmutace tříštivé reakce, produkce a transport neutronů v tlustém terči se štěpným blanketem a moderátorem ozařovaným relativistickými protony a deuterony, transmutace štěpných produktů a vyšších aktinidů porovnání se simulacemi Monte Carlo test přesnosti jaderných modelů a knihoven účinných průřezů

4 Sestava Energie+Transmutace terč: Pb (28.66 kg) plášť: U (206.4 kg) stínění: Cd + (CH 2 ) n protonové experimenty: 0.7, 1.0, 1.5, 2.0 GeV deuteronové experimenty 1.6, 2.52 GeV

5 Cíle disertační práce změřit rozložení neutronových polí produkovaných při protonových E+T experimentech pomocí aktivačních detektorů simulace Monte Carlo produkce neutronů a protonů, aktivačních reakcí systematika protonových experimentů a porovnání EXP a SIM

6 Neutronová aktivační analýza 27 Al 197 Au 209 Bi 59 Co nat In 181 Ta Reakce. Prahová energie [MeV] Poločas 197 Au (n,γ) 198 Au d 197 Au (n,2n) 196 Au d 197 Au (n,3n) 195 Au d 197 Au (n,4n) 194 Au h 197 Au (n,5n) 193 Au h 197 Au (n,6n) 192 Au h 197 Au (n,7n) 191 Au h

7

8 HPGe spektrometr záření gama Typ Rozlišení (FWHM of 60 Co at 1332keV) Relativní efektivita Zesilovač ADC ORTEC koaxiální GR SL 1.90 kev 28.3 % CANBERRA 2026 ORTEC 919 SPECTRUM MASTER

9 HPGe spektrometr záření gama čtyři pozice vzorek - detektor kalibrační křivky jednotlivých pozic

10 Analýza spekter gama výstup: 8192 kanálové spektrum od 50 do 3500 kev program DEIMOS Gausovský fit píků gama opravy na: koincidenční efekty, účinnost detektoru, fluktuace svazku, absorpci fotonů ve vzorku, rozpad během ozařování, chlazení a měření. VÝTĚŽEK = počet jader určitého izotopu naprodukovaných na jeden gram materiálu a jeden proton přímé porovnání se simulacemi

11 Výtěžky v Al a Au fóliích Příklad 1.0 GeV experiment

12 MCNPX simulace verze 2.6.C Monte Carlo metoda knihovny účinných průřezů (LA150) fyzikální modely jednotlivých fází tříštivé reakce: vnitrojaderná kaskáda (INCL4) vypařování (ABLA)

13 Energie+Transmutace v reálu

14 Energie+Transmutace v MCNPX

15 Simulace neutronového spektra Tvrdší ke konci terče než na jeho začátku V] Podobný tvar uvnitř terče i ve větších příčných vzdálenostech

16 Simulace aktivačních výtěžků podélné rozložení relativní poměry - normalizováno na tento vzorek dobrá kvalitativní shoda pro všechny E p = 0.7, 1.0, 1.5, 2.0 GeV

17 Simulace aktivačních výtěžků - příčné rozložení relativní poměry - normalizováno na tento vzorek dobrá shoda pro E p = 0.7 a 1 GeV pro E p = 1.5 a 2.0 GeV simulace podceňuje produkci neutronů

18 exp. yield / sim. yield Au Position along the target X [cm] 3.0 příčina rozdílu pravděpodobně v INC+vypařovacích modelech nebo knihovnách úč.pr. 0.7 GeV 1.0 GeV 1.5 GeV 2.0 GeV exp. yield / sim. yield GeV 1.0 GeV 1.5 GeV 2.0 GeV Au Radial distance from target axis R [cm]

19 např. Meigo S. et al., Measurements of neutron spectra produced from a thick lead target bombarded with 0.5- and 1.5-GeV protons, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 431 (1999) podceňování produkce neutronů (o energiích ~ 10 MeV) emitovaných ve vyšších úhlech.

20 Neutronová multiplicita - tlustý Pb terč exp. Data ( GeV) z literatury porovnány s MCNPX simulacemi dobrá shoda pro E p < 0.8 GeV, rozdíl 10-30% pro vyšší E p Pb terč + (CH 2 ) n moderátor (885 MeV) shoda s ostatními experimenty

21 Neutronová multiplicita E+T E+T protonové experimenty (0.7, 1.0, 1.5, 2.0 GeV) E+T deuteronové experimenty (1.6, 2.52 GeV) Neutrons per beam particle Beam energy [GeV] rozdíl mezi Pb terčem a Pb+U (30-40%) EXP>SIM (12-34%) Pb-target experiment E+T experiment - protons E+T experiment - deuterons E+T simulation - protons E+T simulation - deuterons Pb-target simulation

22 Shrnutí Produkce neutronů v tříštivých reakcích protonů ( GeV) na tlustém Pb terči obklopeném U blanketem (sestava Energie+Transmutace). Neutronové pole měřeno metodou aktivačních detektorů. Vysokoenergetická složka neutronového pole pozorována díky (n,xn) reakcím (emise až x=9 neutronů) s prahovými reakcemi do 60 MeV. Maximum intensity pole rychlých neutronů je v oblasti první mezery terče ( 12 cm). Porovnání experimentálních dat s výsledky MCNPX simulací: Multiplicita exp. vyšší než sim. o < 35%, Výtěžky v podélném směru dobrá shoda pro všechny E p, Výtěžky v příčném směru dobrá shoda pro E p 1 GeV, ale pro E p 1.5 GeV simulace podceňuje produkci neutronů, příčina pravděpodobně v INC+vypařovacích modelech nebo knihovnách úč.pr.

23 Děkuji Vám za pozornost

24 Otázky oponentů doc. V. Hnatowicz Formální připomínky: Ano, souhlasím. 1.os. j.č. moje práce 1.os. mn.č. práce skupiny Faktické připomínky: Nebylo by možné získat kvalitnější a lépe použitelná data v jednodušším experimentálním uspořádání např. měřením na tenkých terčích? Jaká je v rámci experimentu E+T motivace pro tento nový směr výzkumu a naděje na získání nových experimentálních dat? Podrobněji specifikujte svůj podíl na výsledcích presentovaných v disertaci. Uveďte seznam svých publikovaných prací vztahujících se k disertaci.

25 Příprava experimentů + účast při ozařování a měření Energie svazku [GeV] Svazek Datum Doba ozařování [hod:min] Intensita svazku [10 13 ] Experimentální uspořádání Urychlovač : protony : : : deuterony : Pb terč + Uplášť + (CH 2 ) n stínění Nuklotron 0.66 protony : Pb terč Fázotron

26 Kompletní analýza dat + jejich publikace Energie svazku [GeV] Svazek Datum Doba ozařování [hod:min] Intensita svazku [10 13 ] Experimentální uspořádání Urychlovač : protony : : Pb terč + Uplášť + (CH 2 ) n stínění Pb terč + moderátor Nuklotron Synchrofázotron

27 Další podíl na výsledcích presentovaných v disertaci 0.7 GeV experiment O. Svoboda 1.5 GeV experiment F. Křížek Systematika protonových experimentů na sestavě E+T Provedení MCNPX simulací: E+T neutronová a protonová spektra, E+T výtěžky aktivačních reakcí, multiplicita E+T a všech experimentů s holým terčem z literatury při použití popisu sestavy M. Majerlem Porovnání EXPERIMENT vs. SIMULACE

28 Nebylo by možné získat kvalitnější a lépe použitelná data v jednodušším experimentálním uspořádání např. měřením na tenkých terčích? Měření na tenkých terčích i komplexnějších sestavách probíhají, každý z obou typů má svůj smysl: Tenké terče dσ 2 /dωde konkrétní popis jediné spalační reakce pomocí INC+evaporačních modelů Tlusté terče a komplexnější sestavy multiplicity, en., prostorové, geometrické závislosti popis včetně mezijaderné kaskády, (n,xn) reakcí, transportu částic materiálem

29 z disertace: multiplicita holého terče exp<sim multiplicita sestavy E+T exp>sim potřeba zkoumat komplexnější sestavy

30 Jaká je v rámci experimentu E+T motivace pro výzkum metody He-jet a naděje na získání nových experimentálních dat? V rámci E+T výzkum transmutace FP a HA spalačními neutrony He-jet systém rychlý transport krátce žijících izotopů (od zdroje k detektoru) pomocí proudu He možnost měření dalších produktů transmutace

31 Otázky oponentů RNDr. S. Hlaváč Formální připomínky: Posledný obrázok v obr pre účinný prierez 197Au(n,γ)198Au nie je z EXFOR/CSISRS, podobne ako na obr účinný prierez pre 238U(n,γ)239U. Na obrázkoch 3.17, D.3 a D.4 by bolo vhodné uviest použitú verziu ENDF/B. Společná odpověď: ENDF/B-VII.0

32 Otázky oponentů RNDr. S. Hlaváč Faktické připomínky: Experimentálne a simulované neutrónové multiplicity na obr sa pre energie > 1 GeV líšia o viac ako 10%. Čo je príčina takéhoto rozdielu? Ako spolahlivé sú výsledky simulácií MCNPX v oblasti nad 1 GeV, ked program používá knižnicu účinných prierezov do energie 150 MeV, pričom väčšina evaluácií je urobená len v oblasti do 20 MeV? Obr. 6.7 naznačuje, že simulácie nadhodnocujú aktivačné výt ažky. Iná situácia je na obr. 6.12, ked simulácie niekedy nadhodnocujú a niekdy podhodnocujú experiment. Aký je dôvod pre takéto správanie? Nakol ko v experimente je doležitá najmä neutrónová emisia v spalačnom terči, ako je možné získat tento údaj resp. spektrum neutrónov na jeden protón z aktivačných výt ažkov bez použitia simulácií? Aká je neurčitost určenia multiplicity neutrónov metódou použitou v dizertačnej práci - kombináciou výsledkov aktivačných meraní a ich simuláciou?

33 Experimentálne a simulované neutrónové multiplicity na obr sa pre energie > 1 GeV líšia o viac ako 10%. Čo je príčina takéhoto rozdielu? z literatury multiplicita popsána s přesností 10-15% např. Leray S. et al., Validation of high-energy nuclear models: State-ofthe-art and perspectives, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 562 (2006) s vyšší E p roste produkce mezonů na to modely nejsou stavěné

34 Ako spolahlivé sú výsledky simulácií MCNPX v oblasti nad 1 GeV, ked program používá knižnicu účinných prierezov do energie 150 MeV, pričom väčšina evaluácií je urobená len v oblasti do 20 MeV? knihovny používány pro transport neutronů tam, kde nejsou dostupné evaluované hodnoty, MCNPX používá INC+evaporační modely a pomocí metody Monte Carlo simuluje pravděpodobnosti jednotlivých kanálů reakcí

35 i detailní popis energetických a prostorových spekter dobrý E thres (Au-192) = 39 MeV exp. yield / sim. yield Au GeV 1.0 GeV 1.5 GeV 2.0 GeV Position along the target X [cm] přesto se lokálně projevují nedokonalosti exp. yield / sim. yield GeV 1.0 GeV 1.5 GeV 2.0 GeV Au Radial distance from target axis R [cm]

36 Obr. 6.7 naznačuje, že simulácie nadhodnocujú aktivačné výt ažky. Iná situácia je na obr. 6.12, ked simulácie niekedy nadhodnocujú a niekdy podhodnocujú experiment. Aký je dôvod pre takéto správanie? Výtěžky prahové reakce (n,2n) na sestavě E+T Výtěžky bezprahové reakce (n,γ) E+T Výtěžky bezprahové reakce (n,γ) Pb terč + polyetylén

37 Nakol ko v experimente je doležitá najmä neutrónová emisia v spalačnom Neutrons [1/(cm -2.proton)] 1E E E E-05 terči, ako je možné získat tento údaj resp. spektrum neutrónov na jeden protón z aktivačných výt ažkov bez použitia simulácií? Celé spektrum z aktivačních výtěžků získat nelze 1E E-08 1E Neutron energy [MeV] 198Au(n,γ)197Au

38 Přibližný tvar části spektra ( MeV) by z aktivačních výtěžků bylo možné získat [ ] počet aktivovaných jader j n n n E = n Φ( E ) σ ( E ) E beam thresh při znalosti σ(e) pro dostatečné množství prahových reakcí a proměření jejich výtěžků s dostatečnou přesností spectra unfolding nahrazením integrálu sumou de

39 Aká je neurčitost určenia multiplicity neutrónov metódou použitou v dizertačnej práci - kombináciou výsledkov aktivačných meraní a ich simuláciou? Neurčitost, kterou vnáší simulace, by měla být vyrušena v součinu na pravé straně rovnice Neurčitost určena především