Χαρακτηρισμός αθροιστικού ανιχνευτή NaI(Tl) για μελέτη αντιδράσεων με ενδιαφέρον στη πυρηνική αστροφυσική

Δαούλας, Ευθύμιος

dc.contributor.author	Δαούλας, Ευθύμιος
dc.date.accessioned	2019-11-21T10:28:27Z
dc.date.available	2019-11-21T10:28:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49446
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17144
dc.rights	Default License
dc.subject	αθροιστικός ανιχνευτής	el
dc.subject	ανιχνευτική απόδοση	el
dc.subject	πυρηνική αστροφυσική	el
dc.subject	ανίχνευση ακτίνων γάμμα	el
dc.subject	ανιχνευτής NaI(Tl) στερεάς γωνίας 4	el
dc.subject	Geant4	en
dc.subject	Νεοπτόλεμος	el
dc.subject	large NaI(Tl) detector with 4pi solid angle	en
dc.subject	nuclear astrophysics	en
dc.subject	efficiency	en
dc.subject	gamma ray detection	en
dc.title	Χαρακτηρισμός αθροιστικού ανιχνευτή NaI(Tl) για μελέτη αντιδράσεων με ενδιαφέρον στη πυρηνική αστροφυσική	el
dc.contributor.department	Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Πυρηνική Φυσική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-24
heal.abstract	Οι αντιδράσεις σύλληψης αποτελούν ένα σημαντικό αντικείμενο μελέτης για την κατανόηση της πυρηνοσυνθετικής διεργασίας p. Κατά τη διεργασία αυτή θεωρείται πως παράγονται 35 σταθεροί, πλούσιοι σε πρωτόνια πυρήνες, οι οποίοι βρίσκονται βορειοδυτικά της κοιλάδας σταθερότητας μεταξύ των ισοτόπων 74Se και 196Hg. Η σύνθεση των p-πυρήνων πραγματοποιείται μέσω ενός πολύπλοκου δικτύου αντιδράσεων φωτοδιάσπασης, (γ,p), (γ,n) και (γ,α), αλλά και των αντίστροφων αντιδράσεων (p,γ), (n,γ) και (α,γ). Τα αστροφυσικά πρότυπα πυρηνοσύνθεσης που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, αδυνατούν να αναπαράγουν σε ικανοποιητικό βαθμό τις περιεκτικότητες όλων των p-πυρήνων. Για τον λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες πειραματικές τεχνικές που αποσκοπούν σε μετρήσεις ενεργών διατομών αντιδράσεων που υπεισέρχονται σε υπολογισμούς περιεκτικοτήτων. Η παρούσα εργασία αφορά τον χαρακτηρισμό του αθροιστικού ανιχνευτή NaI(Tl), «Νεοπτόλεμος», ο οποίος είναι κατάλληλος για μετρήσεις ενεργών διατομών αντιδράσεων σύλληψης με φορτισμένα σωματίδια, με ειδικότερο ενδιαφέρον τις αντιδράσεις σύλληψης που πραγματοποιούνται κατά την διαδικασία p. Το ανιχνευτικό σύστημα «Νεοπτόλεμος» αποτελεί έναν ανόργανο αλκαλικό σπινθηριστή NaI(Tl), κυλινδρικού σχήματος, στερεάς γωνίας 4π και διαστάσεων 14"×14" (μήκος × διάμετρος), το οποίο είναι εγκατεστημένο στο εργαστήριο Tandem του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε «Δημόκριτος». Η αρχή λειτουργίας τέτοιων ανιχνευτών βασίζεται στην μεγάλη τους χρονική απόκριση (τάξης 400 ns), με αποτέλεσμα όσα από τα φωτόνια που ανιχνεύονται κατά την αποδιέγερση του σύνθετου πυρήνα, να αναγνωρίζονται ως ένα από τον ανιχνευτή, με ενέργεια ίσης με το άθροισμα των ενεργειών των επιμέρους φωτονίων. Η ανάλυση της αθροιστικής κορυφής οδηγεί στην εκτίμηση της γωνιακά ολοκληρωμένης ενεργού διατομής της αντίδρασης. Για τον υπολογισμό αυτό, εισάγεται στην σχέση της ενεργούς διατομής η απόλυτη ανιχνευτική απόδοση της αθροιστικής κορυφής. Ο προσδιορισμός της τελευταίας, δεν είναι τετριμμένος αφού παλιότερες μελέτες [Ha12][Sp23] παρόμοιων ανιχνευτικών συστημάτων, έχουν αναδείξει πως η ανιχνευτική τους απόδοση εξαρτάται ισχυρά τόσο από την ενέργεια της αθροιστικής κορυφής, όσο και από τον αριθμό των φωτονίων που αποτελείται η μετάβαση του σύνθετου πυρήνα από την διεγερμένη του στάθμη στην βασική του κατάσταση. Ακόμα, στις αντιδράσεις σύλληψης μεσοβαρών πυρήνων με φορτισμένα σωματίδια, ο σύνθετος πυρήνας βρίσκεται στο ενεργειακό συνεχές, έτσι ώστε να καθίσταται αδύνατη η γνώση της πολλαπλότητας για την κάθε αντίδραση. Στην εργασία αυτή ωστόσο, γίνεται περιγραφή της μεθόδου 4π/half που βασίζεται στην λογική της παλιότερης μεθόδου in/out που έχει αναπτυχθεί στην δημοσίευση Spyrou et al. [Sp23] και αφορά τον προσδιορισμό της μέσης πολλαπλότητας μιας αντίδρασης σύλληψης για αθροιστικούς ανιχνευτές μεγάλου όγκου. O προσδιορισμός της ανιχνευτικής απόδοσης άθροισης για ένα εύρος ενεργειών με ενδιαφέρον την πυρηνική αστροφυσική (8-16 MeV) αλλά και για διάφορες πολλαπλότητες αποδιέγερσης (M=1-7) έγινε μέσω της προσομοίωσης του ανιχνευτή με τη χρήση του λογισμικού πακέτου Geant4 και η λειτουργία του προγράμματος επιβεβαιώθηκε από την σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με ραδιενεργές πηγές 137Cs και 60Co. Σύμφωνα με τα παραπάνω η εργασία αυτή χωρίζεται σε τέσσερα κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί το θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας, όπου στο πρώτο μέρος του εισάγονται κάποιες από τις βασικές έννοιες των πυρηνικών αντιδράσεων με φορτισμένα σωματίδια. Στο δεύτερος μέρος γίνεται μία σύντομη περιγραφή της δημιουργίας ενός αστέρα και στις διεργασίες πυρηνοσύνθεσης που διεξάγονται στο εσωτερικό του κατά τα διάφορα στάδια της εξέλιξής του, καθώς και στις διεργασίες σύνθεσης των βαρύτερων του σιδήρου στοιχείων. Έμφαση δίνεται στην διεργασία σύνθεσης των p-πυρήνων καθώς και στις αποκλίσεις που παρουσιάζονται μεταξύ των παρατηρούμενων στο ηλιακό σύστημα περιεκτικοτήτων των p-πυρήνων και των αντίστοιχων προβλέψεων των μοντέλων πυρηνοσύνθεσης. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει την περιγραφή της μεθόδου των γωνιακά ολοκληρωμένων μετρήσεων, την πειραματική διάταξη, την αρχή λειτουργίας των σπινθηριστών NaI(Tl) αλλά και την λειτουργία του ανιχνευτικού συστήματος «Νεοπτόλεμος» με χρήση ραδιενεργών πηγών 137Cs και 60Co, όπου και καταγράφονται κάποια από τα βασικά χαρακτηριστικά του ανιχνευτή. Ακόμα, αναδεικνύεται η εξάρτηση ανιχνευτικής ικανότητας του κρυστάλλου από την πολλαπλότητα των αποδιεγέρσεων γ και εισάγεται η μέθοδος 4π/half. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος προσομοίωσης του ανιχνευτικού συστήματος και καταγράφονται τα τελικά αποτελέσματα. Αρχικά γίνεται μια σύντομη αναφορά στο λογισμικό πακέτο Geant4 και στην διαδικασία της προσομοίωσης. Στη συνέχεια γίνεται η σύγκριση των προσομοιωμένων αποτελεσμάτων με αυτά των πειραματικών για τις περιπτώσεις των πηγών 137Cs και 60Co και τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης για τον υπολογισμό της απόλυτης ανιχνευτικής ικανότητας άθροισης. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας.	el
heal.abstract	The study of charged particle capture reactions is of major importance for the understanding of the production of p-nuclei. The term p-nuclei refers to 35 stable neutron-deficient nuclei, from 74Se to 196Hg. The p-process nucleosynthesis models developed in order to reproduce the p-nuclei abundances incorporate a network of more than 20000 nuclear reactions. These models fail in the case of the light p-nuclei. Apart from improvements of the astrophysical models it is important to reduce the uncertainties originating from nuclear physics parameters entering in the calculations and thus the measurement of cross-sections of particle capture reactions in medium-mass nuclei. One of the techniques developed for this kind of studies, is the so-called γ-ray angle-integrated. This in-beam method is based on the use of a large volume NaI(Tl) detector which combines the high efficiency of γ-ray detection with a 4π geometry. The working principle of such a detector relies on its large volume and its long response time (400 ns). The latter leads to the detection of the sequential photons emitted in a γ-cascade as one “event” with energy equal to the sum of the energies of the involved photons. Of imperative importance is the determination of the efficiency of the setup, which is not trivial as it depends both on the sum-energy of the event and on its multiplicity. In the present work the characterization of such a detector, the “Neoptolemos” setup, located at the Tandem Accelerator Laboratory of the Institute of Nuclear and Particle Physics of the N.C.S.R. “Demokritos”, is presented. “Neoptolemos” consists of a cylindrically shaped NaI(Τl) crystal 14 x 14 inches (length × diameter) segmented in two optically isolated parts. In order to determine the summing efficiency of the setup, a code based on the GEANT4 simulation toolkit was developed, incorporating the full detector geometry. Simulation results along with their comparison to radiation source measurements for verification are presented. Also, since the summing efficiency of the 4π detector was affected by the multiplicity of the involved cascades, a method is analyzed, as has been described on the paper Spyrou et al. [Sp23] and is related to the determination of the average multiplicity of a reaction. This method is called 4π/half and is based on the comparison of the intensity of the sum peak measured for whole detector, to the intensity measured for half detector.	en
heal.advisorName	Αξιώτης, Μιχαήλ
heal.advisorName	Κόκκορης, Μιχαήλ
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Μιχαήλ
heal.committeeMemberName	Λαγογιάννης, Αναστάσιος
heal.academicPublisher	Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	70
heal.fullTextAvailability	false