Transcript Spalacja_171111

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
1
Spalacja i fagmentacja jąder atomowych
Spalacja - B.Kamys
2
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
3
Spalacyjne źródło neutronów - SNS
Spalacja - B.Kamys
4
SNS – w Oak Ridge USA (od 2006)
Spalacja - B.Kamys
5
Europejskie źródło spalacyjne - ESS


budowane w Lund
w Szwecji
Spalacja - B.Kamys
6
Produkcja pierwiastków
Spalacja - B.Kamys
7
Modyfikacja składu pierwiastkowego
Spalacja - B.Kamys
8
Przykład ADS: MYRRHA
 The Belgian Nuclear Research Centre in Mol has been
working for several years on the design of a multipurpose 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 (50100 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
9
MYRRHA
Spalacja - B.Kamys
10
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
11
Całkowite przekroje czynne: p+Au
Spalacja - B.Kamys
12
Całkowite przekroje czynne: p+Au
Spalacja - B.Kamys
13
Całkowite przekroje: p+Ag Tp=300 GeV
p+Xe
Spalacja - B.Kamys
14
Całkowite przekroje czynne: Fe+p
Spalacja - B.Kamys
15
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
16
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
17
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
18
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
19
COSY – COoler SYnchrotron
Spalacja - B.Kamys
20
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
21
Schemat układu detekcyjnego PISA
Spalacja - B.Kamys
22
Rysunek aparatury
Spalacja - B.Kamys
23
Zdjęcie komory rozproszeń
Spalacja - B.Kamys
24
Teleskopy krzemowe i scyntylacyjne
Spalacja - B.Kamys
25
Elektronika i zdalne sterowanie detekcją
Spalacja - B.Kamys
26
Uchwyt tarczy („frame”) i tarcza („target”)
Spalacja - B.Kamys
27
Wiązka padających na tarczę protonów
Spalacja - B.Kamys
28
Schemat detektora Bragga
Spalacja - B.Kamys
29
Detektor Bragga (bez obudowy)
Spalacja - B.Kamys
30
Detektor Bragga + det. krzemowe
Spalacja - B.Kamys
31
„Multichannel plate” (detektory start-stop)
Spalacja - B.Kamys
32
Impulsy z detektora Bragga
Spalacja - B.Kamys
33
Widma „amplituda-energia” i „energia-czas”
Spalacja - B.Kamys
34
Identyfikacja pierwiastków (Z): „Bragg”
Spalacja - B.Kamys
35
Identyfikacja Z c.d.
Spalacja - B.Kamys
36
Identyfikacja A:
Spalacja - B.Kamys
„Bragg”+TOF
37
Identyfikacja izotopów Be
Spalacja - B.Kamys
38
Identyfikacja A c.d.
Spalacja - B.Kamys
39
Przykładowe widma (Bragg det.)
Spalacja - B.Kamys
40
Widma „DeltaE-E” z detektorów krzemowych
Spalacja - B.Kamys
41
DeltaE-E dla dwu wzmocnień sygnałów
Spalacja - B.Kamys
42
DeltaE-E det. krzemowy+CsI(Tl)
Spalacja - B.Kamys
43
Absolutna normalizacja przekrojów
Spalacja - B.Kamys
44
Całkowity przekrój p+A 7Be w funkcji Ep
Spalacja - B.Kamys
45
Kontrola absolutnej normalizacji
Spalacja - B.Kamys
46
Typowe widma cząstek
Spalacja - B.Kamys
47
Typowe widma cięższych cząstek
Spalacja - B.Kamys
48
Tradycyjny model reakcji
Spalacja - B.Kamys
49
Typowe widma lekkich cząstek: p,d,t
Spalacja - B.Kamys
50
Typowe widma Au+p4He, Tp=2.5 GeV
Spalacja - B.Kamys
51
Ni+p6,7,8,9Li,7,9Be,11B „wyparowanie”+1 źródło
Spalacja - B.Kamys
52
Ni+p 800 „wyparowanie”+1źródło
Spalacja - B.Kamys
53
Au+p6Li, Tp=2.5 GeV wyparowanie + 1 źródło
Spalacja - B.Kamys
54
Au+p8Li,Tp=2.5 GeV, wyparowanie + 1 źródło
Spalacja - B.Kamys
55
Au+p9Be,Tp=2.5 GeV,wyparowanie + 1 źródło
Spalacja - B.Kamys
56
Au+p10B, Tp=2.5 GeV,wyparowanie+1 źródło
Spalacja - B.Kamys
57
Au+p11B, Tp=2.5 GeV,wyparowanie+1źródło
Spalacja - B.Kamys
58
Au+p12C, Tp=2.5 GeV, wyparowanie+1źródło
Spalacja - B.Kamys
59
Multifragmentacja
Spalacja - B.Kamys
60
Al+pLi wyparowanie+multifragmentacja
Spalacja - B.Kamys
61
Al+pBe wyparowanie+multifragmentacja
Spalacja - B.Kamys
62
Al+pB wyparowanie+multifragmentacja
Spalacja - B.Kamys
63
Krytyczna energia E*/A
Spalacja - B.Kamys
64
p+Al.p, d, t Tp=1.2 GeV
Spalacja - B.Kamys
65
p+Al3He,4He,6He Tp=1.2 GeV
Spalacja - B.Kamys
66
P+Alp,d,t Tp=1.2GeV „fireball”
Spalacja - B.Kamys
67
p+Al3He,4He,6He Tp=1.2 GeV „fireball”
Spalacja - B.Kamys
68
Własności „fireball’a” dla różnych jąder
Spalacja - B.Kamys
69
WYNIKI
 Zmierzono najbardziej obszerny w literaturze
zestaw podwójnie różniczkowych przekrojów
czynnych dddE
 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
2
Spalacja - B.Kamys
70
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
71
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
72
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
73
Większość grupy pomiarowej PISA
Spalacja - B.Kamys
74
Spalacja - B.Kamys
75
Przykład ADS (projekt Rubii)
„Wzmacniacz energii”
Spalacja - B.Kamys
76
Jądra atomów cięższe od Fe
Cosmic Abundances
(ultra heavy nuclei only)
Fe
106
105
104
endothermic
1000
Si=10
6
Ge
100
Sn
10
Pb
1
Th
0.1
0.01
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Element charge, Z
Spalacja - B.Kamys
77
Rozszczepienie
Spalacja - B.Kamys
78