Αντιδράσεις νετρονίων σε Ir και Au και παραγωγή ισομερών καταστάσεων

Neutron induced reaction cross sections are of considerable importance for technological applications such as nuclear technology, dosimetry, medicine and industry. Also, they play a significant role in Nuclear Physics and Astrophysics fundamental research. More specifically, cross section experimental data is necessary when the nuclear models need to be checked and their parameters be accurately determined. Especially, cross sections of isomeric states provide important supplementary information for the study of the compound nucleus de-excitation mechanism due to the fact that their population directly depends on the spin of the levels from which the isomeric states are fed and on the spin distribution in the continuum. For the aforementioned reasons, highly accurate nuclear data in a wide energy range, that does not exist in the databases, is needed. Thus, the purpose of the present thesis is the experimental and theoretical study of the cross sections of the Au-197(n,2n)Au-196, Ir-191(n,2n)Ir-190, Ir-191(n,3n)Ir-189 and Ir-193(n,2n)Ir-192 reactions, as well as the independent experimental cross section determination for the two isomeric states of the produced nuclei, namely the: Au-197(n,2n)Au-196m2 and Ir-191(n,2n)Ir-190m2 ones. The measurements were performed at the 5.5 MV Tandem T11/25 Accelerator Laboratory of NCSR "Demokritos" for neutron beam energies ranging from 15.3 to 20.9 MeV using the activation technique. The neutrons were produced by means of the H-3(d,n)He-4 (D-T) reaction and their energy distribution has already been studied, implementing the multiple foil activation technique. The neutron flux, which is necessary for the determination of the cross sections of the six reactions, is determined relative to the Al-27(n,α)Na-24 and Nb-93(n,2n)Nb-92m reference reaction cross sections. After the end of the irradiations, the induced activity in the target and reference foils was measured by γ-ray spectroscopy, using High Purity Germanium detectors (HPGe). The experimental measurements are accompanied by Monte Carlo simulations of the experimental setups. A combination of the MCNP5 and NeuSDesc codes is implemented for the simulation of the neutron beam transfer, while the MCNP5 code is also used in order to determine the γ-ray self-absorption in the irradiated samples. In the framework of the present thesis, a recently applied methodology was implemented for the determination of the Ir-193(n,2n)Ir-192 reaction cross section which is contaminated by the Ir-191(n,γ)Ir-192 reaction which is activated by low energy parasitic neutrons. Furthermore, the study concerning the six reactions is accompanied by theoretical cross section calculations performed in the framework of the Hauser-Feshcbach theory, using the latest versions of the EMPIRE and TALYS codes. The theoretical calculations are carried out over a wide energy, in order to reproduce several experimental reaction channels using the same parametrization, such as the (n, elastic), (n,2n), (n,3n), (n,p), (n,α) and the (n,total) ones. The reproduction of the cross section for the two isomeric states of the produced nuclei in the Au-197(n,2n)Au-196m2 and Ir-191(n,2n)Ir-190m2 reactions constitutes a significant constraint due to their enhanced sensitivity for small changes in the input parameter values.Η μελέτη ενεργών διατομών πυρηνικών αντιδράσεων νετρονίων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον τόσο για την Βασική Έρευνα της Πυρηνικής Φυσικής και της Αστροφυσικής, όσο και για τον τομέα των Εφαρμογών στην πυρηνική τεχνολογία, τη δοσιμετρία, την ιατρική και τη βιομηχανία. Πιο συγκεκριμένα, τα πειραματικά δεδομένα ενεργών διατομών είναι αναγκαία για τον έλεγχο των πυρηνικών μοντέλων και τον ακριβή προσδιορισμό των παραμέτρων τους. Ιδιαίτερα οι ενεργές διατομές των ισομερών καταστάσεων παρέχουν πληροφορίες για τη μελέτη του μηχανισμού αποδιέγερσης του σύνθετου πυρήνα, λόγω του ότι ο εποικισμός τους εξαρτάται άμεσα από το σπίν των ενεργειακών σταθμών που τροφοδοτούν τις ισομερείς καταστάσεις καθώς και από την κατανομή των σπίν στην περιοχή του συνεχούς. Για αυτούς τους λόγους χρειάζονται πυρηνικά δεδομένα υψηλής ακρίβειας σε μεγάλο ενεργειακό φάσμα, που σήμερα δεν υπάρχουν στις βάσεις δεδομένων. Έτσι, σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η πειραματική και θεωρητική μελέτη των ενεργών διατομών των αντιδράσεων Au-197(n,2n)Au-196, Ir-191(n,2n)Ir-190, Ir-191(n,3n)Ir-189 και Ir-193(n,2n) Ir-192 με τη μέθοδο της ενεργοποίησης, καθώς και ο ανεξάρτητος πειραματικός προσδιορισμός των ενεργών διατομών για τις δύο ισομερείς στάθμες των παραγόμενων πυρήνων: Au-197(n,2n)Au-196m2 και Ir-191(n,2n)Ir-190m2. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο του Επιταχυντή 5.5 MV Tandem T11/25 του ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος" για ενέργειες δέσμης νετρονίων από 15.3 έως 20.9 MeV, με τη μέθοδο της ενεργοποίησης. Η παραγωγή των νετρονίων έγινε μέσω της αντίδρασης H-3(d,n)He-4 (D-T) και η ενεργειακή κατανομή τους έχει ήδη μελετηθεί, μέσω της μεθόδου πολλαπλής ενεργοποίησης (multiple foil activation). Η ροή των νετρονίων, η οποία είναι απαραίτητη για τον προσδιορισμό της ενεργού διατομής των έξι αντιδράσεων, υπολογίζεται μέσω των ενεργών διατομών αντιδράσεων αναφοράς: Al-27(n,α)Na-24 και Nb-93(n,2n)Nb-92m. Μετά το πέρας των ακτινοβολήσεων, η ενεργότητα των υπό μελέτη δειγμάτων και των στόχων αναφοράς μετρήθηκε μέσω φασματοσκοπίας-γ με ανιχνευτές υπερκαθαρού γερμανίου (HPGe). Τις πειραματικές μετρήσεις συνόδευσαν Monte Carlo προσομοιώσεις των πειραματικών διατάξεων. Συνδυάστηκαν οι κώδικες NeuSDesc και MCNP5 για την προσομοίωση της διάδοσης της δέσμης των νετρονίων, ενώ MCNP5 προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν επίσης, για τον προσδιορισμό της ενδοαπορρόφησης των ακτίνων-γ μέσα στα ακτινοβοληθέντα δείγματα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μία πρόσφατα εφαρμοσμένη μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ενεργού διατομής της αντίδρασης Ir-193(n,2n)Ir-192, η οποία μολύνεται από την αντίδραση Ir-191(n,γ)Ir-192 που ενεργοποιείται από χαμηλοενεργειακά, παρασιτικά νετρόνια. Επιπλέον, υλοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί των ενεργών διατομών των έξι αντιδράσεων ενδιαφέροντος, στα πλαίσια της θεωρίας Hauser-Feshcbach, χρησιμοποιώντας τις τελευταίες εκδόσεις των κωδίκων EMPIRE και TALYS. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για ένα μεγάλο εύρος ενεργειών, με σκοπό χρησιμοποιώντας τις ίδιες παραμέτρους, να γίνει η αναπαραγωγή της ενεργού διατομής για διάφορα κανάλια αντιδράσεων, όπως (n, elastic), (n,2n), (n,3n), (n,p), (n,α) και (n,total). Η αναπαραγωγή των ενεργών διατομών των αντιδράσεων που οδηγούν σε ισομερείς καταστάσεις, Au-197(n,2n)Au-196m2 και Ir-191(n,2n)Ir-190m2, συνέστησε σημαντικό περιορισμό στους θεωρητικούς υπολογισμούς, λόγω της μεγάλης ευαισθησίας τους σε μικρές αλλαγές των τιμών των παραμέτρων εισόδου (input parameters)

Cross section of the reaction 241Am(n, 2n)2401Am

129 σ.Η ενεργός διατομή της αντίδρασης 241Am(n,2n)240Am , μετρήθηκε με τη μέθοδο της ενεργοποίησης σε σχέση με αυτές των αντιδράσεων 27Al(n,a)24Na, 197Au(n,2n)196Au και 93Nb(n,2n)92mNb, για ενέργεια δέσμης νετρονίων 10.4 MeV. Η μονοενεργειακή δέσμη νετρονίων που χρησιμοποιήθηκε, παράχθηκε στον επιταχυντή Tandem Van der Graaf 5.5 MV του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής του ΕΚΕΘΕ «Δημόκριτος», μέσω της αντίδρασης 2H(d,n)3He , χρησιμοποιώντας στόχο αέριου δευτερίου. Για τη μέτρηση της ενεργού διατομής χρησιμοποιήθηκε ένας ραδιενεργός στόχος 241Am ενεργότητας 5.11 GBq, ο οποίος για λόγους ακτινοπροστασίας βρισκόταν κλεισμένος σε θωράκιση από Pb πάχους 3mm. Για τη μέτρηση της ενεργότητας των δειγμάτων μετά από την ακτινοβόληση, χρησιμοποιήθηκαν δύο ανιχνευτές HPGe ονομαστικών αποδόσεων 80% και 50%. Η πειραματική μέτρηση της ενεργού διατο-μής, συνοδεύτηκε από προσομοιώσεις των πειραματικών συνθηκών με την τεχνική Monte Carlo. Από τις προσομοιώσεις προέκυψε η ροή των νετρονίων στο στόχο του 241Am κατά τη διάρκεια της ακτινοβόλησης και η απόδοση του ανιχνευτή HPGe ονομαστικής απόδοσης 80%.The cross section of the reaction 241Am(n,2n)240Am , has been measured by the activation method, at neutron energy 10.4 MeV, relative to the 27Al(n,a)24Na, 197Au(n,2n)196Au and 93Nb(n,2n)92mNb reactions reference cross sections. The monoenergetic neutron beam was produced at the 5.5 MV Tandem accelerator of NCSR Demokritos, by means of the 2H(d,n)3He reaction, using a deuterium filled gas cell. The radioactive target consisted of a 5.11 GBq source enclosed in a Pb container. After the end of the irradiation, the activity induced by the neutron beam at the target and reference foils, was measured off- line by an 80% and a 50% relative efficiency, HPGe detectors. In addition to the experimental measurements, the experimental set up has been simulated with the use of the MCNP code. By these simulations, the neutron flux in 241Am target during the irradiation and the absolute efficiency of the HPGe (80%) detector, have been estimated.Αντιγόνη Κ. Καλαμαρ

Εφαρμογή της αντίδρασης 3H(d,n)4He στην παραγωγή υψηλοενεργειακής δέσμης νετρονίων 17.5 MeV για τη μελέτη της αντίδρασης 241Am(n,2n)240Am

119 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές”Η ενεργός διατομή της αντίδρασης 241Am(n,2n)240Am, μετρήθηκε με τη μέθοδο της ενεργοποίησης σε σχέση με αυτές των αντιδράσεων 27Al(n,a)24Na, 197Au(n,2n)196Au και 93Nb(n,2n)92mNb, για ενέργεια δέσμης νετρονίων 17.5 MeV. Η μονοενεργειακή δέσμη νετρονίων που χρησιμοποιήθηκε, παράχθηκε στον επιταχυντή Tandem Van der Graaf 5.5 MV του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», μέσω της αντίδρασης 3H(d,n)4He, χρησιμοποιώντας έναν καινούριο στόχο τριτίου κατασκευασμένο από ένα φύλλο Ti εμποτισμένο με αέριο τρίτιο, πυκνότητας 2.1 mg/cm2 , τοποθετημένο πάνω σε ένα φύλλο Cu πάχους 1 mm, για καλύτερη απαγωγή της θερμότητας. Για τη μέτρηση της ενεργού διατομής χρησιμοποιήθηκε ένας ραδιενεργός στόχος 241Am ενεργότητας 5.11 GBq, ο οποίος για λόγους ακτινοπροστασίας βρισκόταν κλεισμένος σε θωράκιση από Pb πάχους 3mm. Για τη μέτρηση της ενεργότητας των δειγμάτων μετά από την ακτινοβόληση, χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις ανιχνευτές HPGe ονομαστικών αποδόσεων 100%, 100%, 50% και 16%. Η πειραματική μέτρηση της ενεργού διατομής, συνοδεύτηκε από προσομοιώσεις των πειραματικών συνθηκών με την τεχνική Monte Carlo. Από τις προσομοιώσεις προέκυψε η ροή των νετρονίων στο στόχο του 241Am κατά τη διάρκεια της ακτινοβόλησης και η απόδοση ενός από τους δύο ανιχνευτές HPGe ονομαστικής απόδοσης 100%, στον οποίο μετρήθηκε ο στόχος του 241Am πριν και μετά την ακτινοβόληση.The cross section of the reaction 241Am(n,2n)240Am, has been measured by the activation method, at neutron energy 17.5 MeV, relative to the 27Al(n,a)24Na, 197Au(n,2n)196Au, and 93Nb(n,2n)92mNb reactions reference cross sections. The monoenergetic neutron beam was produced at the 5.5 MV Tandem accelerator of NCSR Demokritos, by means of the 3H(d,n)4He reaction implementing a new Ti-tritiated target consisted of 2.1 mg/cm2 Ti-t layer on a 1 mm thick Cu backing for good heat conduction. The radioactive target consisted of a 5.11 GBq 241Am source enclosed in a Pb container. After the end of the irradiation, the activity induced by the neutron beam at the target and reference foils, was measured off- line by two 100%, a 50% and a 16% relative efficiency, HPGe detectors. In addition to the experimental measurements, the experimental set up has been simulated with the use of the MCNP code. By these simulations, the neutron flux in 241Am target during the irradiation and the absolute efficiency of the HPGe (100%) detector in which has been measured the 241Am target before and after its irradiation, have been estimated.Αντιγόνη- Γαρυφαλλιά Γ. Καλαμαρ

Monte Carlo Simulation-Based Calculations of Complex DNA Damage for Incidents of Environmental Ionizing Radiation Exposure

In this paper, we present a useful Monte Carlo (MC)-based methodology that can be utilized to calculate the absorbed dose and the initial levels of complex DNA damage (such as double strand breaks-DSBs) in the case of an environmental ionizing radiation (IR) exposure incident (REI) i.e., a nuclear accident. Our objective is to assess the doses and complex DNA damage by isolating only one component of the total radiation released in the environment after a REI that will affect the health of the exposed individual. More specifically, the radiation emitted by radionuclide 137Cs in the ground (under the individual’s feet). We use a merging of the Monte Carlo N-Particle Transport code (MCNP) with the Monte Carlo Damage Simulation (MCDS) code. The DNA lesions have been estimated through simulations for different surface activities of a 137Cs ground-based γ radiation source. The energy spectrum of the emitted secondary electrons and the absorbed dose in typical mammalian cells have been calculated using the MCNP code, and then these data are used as an input in the MCDS code for the estimation of critical DNA damage levels and types. As a realistic application, the calculated dose is also used to assess the Excess Lifetime Cancer Risk (ELCR) for eight hypothetical individuals, living in different zones around the Chernobyl Nuclear Power Plant, exposed to different time periods at the days of the accident in 1986. We conclude that any exposition of an individual in the near zone of Chernobyl increases the risk of cancer at a moderate to high grade, connected also with the induction of complex DNA damage by radiation. Generally, our methodology has proven to be useful for assessing γ rays-induced complex DNA damage levels of the exposed population, in the case of a REI and for better understanding the long-term health effects of exposure of the population to IR

Destruction of the cosmic γ-ray emitter 26Al in massive stars: study of the key 26Al(n,p) reaction

The 26Al(n,p)26Mg reaction is the key reaction impacting on the abundances of the cosmic γ-ray emitter 26Al produced in massive stars and impacts on the potential pollution of the early solar system with 26Al by asymptotic giant branch stars. We performed a measurement of the 26Al(n,p)26Mg cross section at the high-flux beam line EAR-2 at the n_TOF facility (CERN). We report resonance strengths for eleven resonances, nine being measured for the first time, while there is only one previous measurement for the other two. Our resonance strengths are significantly lower than the only previous values available. Our cross-section data range to 150 keV neutron energy, which is sufficient for a reliable determination of astrophysical reactivities up to 0.5 GK stellar temperature

The n_TOF facility: neutron beams for challenging future measurements at CERN

The CERN n_TOF neutron beam facility is characterized by a very high instantaneous neutron flux, excellent TOF resolution at the 185 m long flight path (EAR-1), low intrinsic background and coverage of a wide range of neutron energies, from thermal to a few GeV. These characteristics provide a unique possibility to perform high-accuracy measurements of neutron-induced reaction cross-sections and angular distributions of interest for fundamental and applied Nuclear Physics. Since 2001, the n_TOF Collaboration has collected a wealth of high quality nuclear data relevant for nuclear astrophysics, nuclear reactor technology, nuclear medicine, etc. The overall efficiency of the experimental program and the range of possible measurements has been expanded with the construction of a second experimental area (EAR-2), located 20 m on the vertical of the n_TOF spallation target. This upgrade, which benefits from a neutron flux 30 times higher than in EAR-1, provides a substantial extension in measurement capabilities, opening the possibility to collect data on neutron cross-section of isotopes with short half-lives or available in very small amounts. This contribution will outline the main characteristics of the n_TOF facility, with special emphasis on the new experimental area. In particular, we will discuss the innovative features of the EAR-2 neutron beam that make possible to perform very challenging measurements on short-lived radioisotopes or sub-mg samples, out of reach up to now at other neutron facilities around the world. Finally, the future perspectives of the facility will be presented

First measurement of 72Ge(n,γ) at n_TOF

The slow neutron capture process (s-process) is responsible for producing about half of the elemental abundances heavier than iron in the universe. Neutron capture cross sections on stable isotopes are a key nuclear physics input for s-process studies. The 72Ge(n, γ) cross section has an important influence on production of isotopes between Ge and Zr during s-process in massive stars and therefore experimental data are urgently required. 72Ge(n, γ) was measured at the neutron time-of-flight facility n_TOF (CERN) for the first time at stellar energies. The measurement was performed using an enriched 72GeO2 sample at a flight path of 185m with a set of liquid scintillation detectors (C6D6). The motivation, experiment and current status of the data analysis are reported

Time-of-flight and activation experiments on 147Pm and 171Tm for astrophysics

The neutron capture cross section of several key unstable isotopes acting as branching points in the s-process are crucial for stellar nucleosynthesis studies, but they are very challenging to measure due to the difficult production of sufficient sample material, the high activity of the resulting samples, and the actual (n,γ) measurement, for which high neutron fluxes and effective background rejection capabilities are required. As part of a new program to measure some of these important branching points, radioactive targets of 147Pm and 171Tm have been produced by irradiation of stable isotopes at the ILL high flux reactor. Neutron capture on 146Nd and 170Er at the reactor was followed by beta decay and the resulting matrix was purified via radiochemical separation at PSI. The radioactive targets have been used for time-of-flight measurements at the CERN n_TOF facility using the 19 and 185 m beam lines during 2014 and 2015. The capture cascades were detected using a set of four C6D6 scintillators, allowing to observe the associated neutron capture resonances. The results presented in this work are the first ever determination of the resonance capture cross section of 147Pm and 171Tm. Activation experiments on the same 147Pm and 171Tm targets with a high-intensity 30 keV quasi-Maxwellian flux of neutrons will be performed using the SARAF accelerator and the Liquid-Lithium Target (LiLiT) in order to extract the corresponding Maxwellian Average Cross Section (MACS). The status of these experiments and preliminary results will be presented and discussed as well

The Nuclear Astrophysics program at n_TOF (CERN)

An important experimental program on Nuclear Astrophysics is being carried out at the n_TOF since several years, in order to address the still open issues in stellar and primordial nucleosynthesis. Several neutron capture reactions relevant to s-process nucleosynthesis have been measured so far, some of which on important branching point radioisotopes. Furthermore, the construction of a second experimental area has recently opened the way to challenging measurements of (n, charged particle) reactions on isotopes of short half-life. The Nuclear Astrophysics program of the n_TOF Collaboration is here described, with emphasis on recent results relevant for stellar nucleosynthesis, stellar neutron sources and primordial nucleosynthesis