Sezioni d’urto di cattura neutronica per 90,91,92,93,94,96 Zr e loro implicazioni astrofisiche

1. Sezioni d’urto di cattura neutronica per 90,91,92,93,94,96Zr e loro implicazioni astrofisiche G. Tagliente INFN Bari • Motivazioni Scientifiche • La facility n_Tof • Misure a n_Tof • Analisi Dati e Risultati • Conclusioni

2. Motivazioni Scientifiche • Astrofisica Nucleare • Tecnologie nucleari

3. Neutrons Fusion BB Nucleosintesi oltre il Fe Fe abundance s r s r

4. Il processo s Cu 62Cu 9.74 m 63Cu 69.17 64Cu 12.7 h Ni 60Ni 26.223 61Ni 1.140 62Ni 3.634 63Ni 100 a 64Ni 0.926 Co 58Co 70.86 d 59Co 100 60Co 5.272 a 61Co 1.65 h Lungo la valle della b-stability Fe 56Fe 91.72 57Fe 2.2 58Fe 0.28 59Fe 44.503 d 60Fe 1.5 106 a 61Fe 6 m percorso del processo s

5. Konvektive Hülle Cattura neutronica nelle Giganti Rosse H convective envelope He C/O He-shell burning Sorgenti di neutroni 13C(a,n) 22Ne(a,n)

6. s(n,g) di particolare interesse • Nuclei con numero magico di neutroni • A < 120 • Isotopi branching instabili

7. Sezioni d’urto (n,g) per gli Zr • Neutron magic, N=50 • A < 120 • sezioni d’urto di cattura piccole • Nota: 93Zr instabile

8. Sezioni d’urto (n,g) per gli Zr 90,91,92,93,94,96Zrmonitor del flusso di neutroni dei processis nelle stelle Giganti Rosse Mo 92Mo 94Mo 95Mo 96Mo 97Mo 98Mo Nb 93Nb 94Nb 2.265 m 2.0E4 a N=50 Zr 90Zr 91Zr 92Zr 93Zr 1.5E6 a 94Zr 95Zr 64.02 d 96Zr s-process

9. Perché misurare gli Zr • Fondamentali come monitor dell’esposizione e del flusso di neutroni nelle stelle Giganti Rosse • Attuali valori s(n,g) non spiegano i rapporti fra gli isotopi trovati nei presolar SiC grain ( in particolare 96Zr/94Zr) • Accuratezza degli attuali s(n,g) >10%; richiesta < 5%

10. La facility n_TOF al CERN • Spallazione di protoni di alta energia su un target di piombo (~360 neutroni/protone) • 7x1012 protons/bunch @ 20 GeV/c dall’acceleratore PS (risoluzione temporale 6 ns ) • Massima frequenza di ripetizione 0.8 Hz Flusso istantaneo molto alto fondamentale per lo studio di campioni di piccole dimensioni e di isotopi radioattivi

11. La facility n_TOF al CERN • Caratteristiche del fascio (a 187.5 mt) • Alto flusso istantaneo di neutroni 105 n/cm2/impulso • Ampio spettro di energie 1 eV < En < 250 MeV • Alta risoluzione DE/E ~ 10-4 (fino a 100 keV) • Basso rate di ripetizione 0.8 Hz massimo • Basso background 10-5 (flusso outside/flusso in beam)

12. L’apparato sperimentale I rivelatori • Costruiti specificatamente per avere una bassa sensibilità ai neutroni:C6D6 con contenitore in fibra di carbonio (FZK) • Porta campioni in fibra di carbonio • Efficienza ai g di cattura indipendente dalla cascata (utilizzo della Pulse Height Weighting Functions)

13. Il sistema di aquisizione Alto flusso istantaneo di neutroni molti eventi per ogni impuslo di neutroni + pile-up Standard DAQ sono inadeguati • n_TOF DAQ totalmente basato su Flash ADC • Fino a 1 GSample/s (500 MHz bandwidth), 16 MB buffer memory • Soppressione software degli Zero • Disponibili sul mercato (Aqiris) • Analisi Offline dei segnali per le informazioni sul tempo e sulla carica • Semplice algoritmo per il singolo segnale • Procedura di fitting per gli eventi di pile-up

14. Misure a n_TOF C6D6 scintillatori liquidi • “Sezioni d’urto di cattura neutronica” (n,g) Per migliorare l’accuratezza dei dati Nucleari n Porta Campioni

15. Composizione isotopica Sample Contaminazione: Hf, Na, Mg, Al ... * Isotopo radioattivo (T1/2 =1.5x106 anni)

16. Caratterisiche degli isotopi di Zr misurati • Tutti i campioni stabili 2.2 cm in diametro • Gli isotopi stabili dello Zr incapsulati in 0.2 mm Al • 93Zr incapsulato in 0.2 mm Al (F 2.2 cm)+ 0.2 mm Ti (F 5.0 cm) • Attivita del campione misurato di 93Zr 92.5 MBq

17. Analisi dei dati • Calibrazione in energia (137Cs,60Co,Pu/C) • Scelta dei tagli e soglie per eliminare il rumore • Correzione dell’efficienza dei rivelatore C6D6 PHWT • Valutazione del Background • Normalizzazione al flusso di neutroni

18. Eg=4 MeV Raw spectrum Weighted spectrum La tecnica delle weighting function Le misure con rivelatori C6D6 richiedono una correzione per l’efficienza di rivelazione (tipicamente < 10 %). L’efficienza totale di rivelazioni non è COSTANTE, ma dipende dalla natura della cascata di diseccitazione (molteplicità, energia dei raggi g, etc…). IDEA: modificare via software la risposta del rivelatore, in modo da rendere l’efficienza totale di un evento di cattura COSTANTE. SOLUZIONE: rendere l’efficienza ai g proporzionale alla loro energia: eg= Eg ec≈ Seg = SEg= Ec Weighting function technique: multiplicare la risposta del rivelatore R(Ed) per weighting function W(Ed) (polinomiale del 4thl) tale da minimizzare :

19. Calcolo delle weighting functions • Due metodi per determinare le WF • Misure • Utilizzando simulazioni MC • (verificate con le misure di standard) Le simulazioni MC con GEANT 3.21 (GEANT 4, MCNP). Descrizione detagliata dell’apparato: Rivelatori (tutti i materiali e geometria) Porta campioni Campioni Proprietà dei segnali: risoluzione, soglie Simulata la risposta del rivelatore per un range di energie di raggi g da 0 a 10 MeV. Usata per minimizzare il c2 una routine (CERNLIB)

20. 90Zr 96Zr 91Zr Energy (eV) Energy (eV) - nTOF Zr Yield, - Background Analisi dei dati - Zr yield di cattura degli isotopi stabili Y(En) = (1 – e-nsT(En)) sg(En)/sT(En)

21. Analisi dei dati - 93Zr yield 93Zr Yield Radioattività naturale del campione Yield – radioattività nat.del campione background

22. 2 4 3 1 3 4 1 2 Zr-92 data Resonance Fit Analisi delle risonanze Normalization 197Au 4.9eV - ntof gold - fitSAMMY N.F.(92Zr)=0.6219 SAMMY fit of 92Zr Valutazione dei parametri delle risonanze En , Gg,Gn

23. Confronto con misure precedenti Boldeman at al. 90Zr

24. Analisi delle risonanze 90Zr 92Zr c 94Zr c 91Zr 96Zr • Capture Strength = g GnGg/Gtot ≡ S

25. Risultati Preliminari • Sntof10% - 20% più bassa dei dati precedenti

26. Conclusioni • Misurate le sezioni d’urto (n,g) degli isotopi 90,91,92,93,94,96Zr • I risultati degli isotopi analizzati mostrano Sntof ≈ 10% - 20% minore misure precedenti • Totale incertezza ~ 5%