Μελέτη και Χαρακτηρισμός Ανιχνευτών Micromegas για την Μέτρηση της Ενεργού Διατομής της Αντίδρασης 237Np(n,f)

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει σκοπό την μελέτη και τον χαρακτηρισμό τεσσάρων ανιχνευτών Micromegas τεχνολογίας μαζικής μικροκατασκευής (microbulk), για την χρήση τους στην μέτρηση της ενεργού διατομής της αντίδρασης 237Np(n,f). Η ενεργός διατομή της αντίδρασης 237Np(n,f) μετριέται με σχετική μέτρηση με την χρήση δύο στόχων 238U και ενός στόχου 235U εκτός από τον βασικό στόχο 237Np.

Οι ανιχνευτές Micromegas βρίσκονται στο επίκεντρο της έρευνας των τελευταίων ετών λόγω των πολύ καλών ιδιοτήτων τους. Είναι ανιχνευτές αερίου οι οποίοι παρέχουν μεγάλη αξιοπιστία σε καταπονήσεις, χαμηλό κόστος και ευκολία μαζικής παραγωγής. Συγκεκριμένα, οι ανιχνευτές που χρησιμοποιήθηκαν, αξιοποιούν την τεχνολογία microbulk. Το πολυιμίδιο (kapton) και ο χαλκός είναι δύο υλικά με πολύ χαμηλά επίπεδα συγκέντρωσης ραδιενεργών ισοτόπων κάτι που τα κάνει ιδανικά δομικά υλικά ενός ανιχνευτή. Τέλος, η μειωμένη μάζα των ανιχνευτών τους καθιστά ιδανικούς για πειράματα που χρησιμοποιούνται νετρόνια λόγω μειωμένων σκεδάσεων από τα τελευταία.

Η μελέτη και ο χαρακτηρισμός των ανιχνευτών πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Πειραματικής Φυσικής Υψηλών Ενεργειών του Τομέα Φυσικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Για τον χαρακτηρισμό των ανιχνευτών χρησιμοποιήθηκαν πηγές 210Po οι οποίες είναι κατάλληλες λόγω της αποδιέγερσης κατά μοναδικό τρόπο με εκπομπή σωματιδίων α.

Βασικά χαρακτηριστικά ενός ανιχνευτή Micromegas είναι οι καμπύλες ενίσχυσης και διαφάνειας (trans) του ανιχνευτή. Η πρώτη αφορά στην ενίσχυση που μπορεί να επιτευχθεί συναρτήσει των πεδίων που επικρατούν στις περιοχές του ανιχνευτή. Η δεύτερη αφορά στην δυνατότητα του ανιχνευτή να αξιοποιεί στον βέλτιστο βαθμό τα πεδία που εφαρμόζονται για την καθοδήγηση των παραγόμενων ηλεκτρονίων και την συλλογή του σήματος.

Οι στόχοι του πειράματος δεν είναι σημειακές πηγές και θα πρέπει να μελετηθεί ξεχωριστά η συμπεριφορά του ανιχνευτή. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις για την διερεύνηση πιθανούς αλλοίωσης του πεδίου λόγω των στόχων οι οποίοι είναι διηλεκτρικά. Επίσης, εκτελέστηκαν δοκιμές με τους στόχους και διάφορους συνδυασμούς προενισχυτών και ενισχυτών για την επιλογή της καλύτερης δυνατής πειραματικής διάταξης για το πείραμα.

Τέλος, η ανιχνευτική διάταξη μεταφέρθηκε στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων του Εθνικού Κέντρου Έρευνας Φυσικών Επιστημών "Δημόκριτος". Με την χρήση του επιταχυντή 5.5 MV HV TN-11 Tandem δημιουργήθηκαν νετρόνια ενέργειας 4.5-5.3 MeV μέσω της αντίδρασης 2H(d,n)3He και μελετήθηκε η ολική ενεργός διατομή της αντίδρασης 237Np(n,f) σε επιλεγμένα ενεργειακά σημεία.

This diploma thesis regards the study and characterization of four Micromegas detectors of the microbulk technology, in order for them to be used in the study of the 237Np(n,f) reaction cross section. The study of the 237Np(n,f) reaction cross section is carried out with relative measurements using two 238U targets and one 235U target besides the 237Np target.

The Micromegas detectors are in the leading edge of research during the last years due to the great properties they present. They are gaseous detectors who are very robust, cheap and easy to construct. In particular, the detectors used, utilize the microbulk technology. Kapton and copper are high radiopurity materials, making them ideal construction materials of a detector. Last but not least, the low mass indicate these detectors to be perfect for neutron experiments due to the reduction of neutron scattering. The study and characterization of the detectors took place in the Nuclear Physics Laboratory of the Department of Physics in the School of Applied Mathematical and Physical Sciences of the National Technical University of Athens. For the characterization of the detectors, a 210Po source was used due to the sole decay mode via α emission.

The basic properties of a Micromegas detector are the gain and transparency curves. The former regards the achievable gain of the detector versus the electric fields of the detector’s regions. The latter regards the detector’s potential in utilizing the electric fields in order to guide the electrons in the best possible manner.

The targets are not point sources and, thus, the detector should be studied further. For the determination of the electric field’s integrity due to the dielectric targets, simulations had to be performed. In addition, several tests were held for the best match of the detector and the electronic equipment.

In conclusion, the detector assembly was transfered to the Insitute of Nuclear and Particle Physics of the National Center for Scientific Research "Demokritos". The 4.5-5.3 MeV neutrons were produced in the 5.5 MV HV TN 11 Tandem accelerator via the 2H(d,n)3He reaction and the total cross section of the 237Np(n,f) reaction was studied in specific energies.