Astronuc Teramo 21/04/2005 Sezioni durto di cattura neutronica per 90,91,92,93,94,96 Zr e loro implicazioni astrofisiche Motivazioni Scientifiche La facility.

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1 Astronuc Teramo 21/04/2005 Sezioni durto di cattura neutronica per 90,91,92,93,94,96 Zr e loro implicazioni astrofisiche Motivazioni Scientifiche La facility n_Tof Misure a n_Tof Analisi Dati e Risultati Conclusioni G. Tagliente INFN Bari

2 Astronuc Teramo 21/04/2005 Motivazioni Scientifiche Astrofisica Nucleare Tecnologie nucleari

3 Astronuc Teramo 21/04/2005 Nucleosintesi oltre il Fe r s Neutrons Fusion BB Fe abundance s r

4 Astronuc Teramo 21/04/2005 Il processo s 56 Fe 91.72 57 Fe 2.2 58 Fe 0.28 Fe Co 60 Ni 26.223 59 Co 100 59 Fe 44.503 d 60 Fe 1.5 10 6 a 60 Co 5.272 a 61 Co 1.65 h 61 Ni 1.140 62 Ni 3.634 Ni 63 Ni 100 a 64 Ni 0.926 58 Co 70.86 d 62 Cu 9.74 m 63 Cu 69.17 64 Cu 12.7 h 61 Fe 6 m percorso del processo s Cu Lungo la valle della -stability

5 Astronuc Teramo 21/04/2005 Cattura neutronica nelle Giganti Rosse Konvektive Hülle C/OHe H He-shell burning convective envelope Sorgenti di neutroni 13 C(,n) 22 Ne(,n)

6 Astronuc Teramo 21/04/2005 (n, ) di particolare interesse Nuclei con numero magico di neutroni A < 120 Isotopi branching instabili

7 Astronuc Teramo 21/04/2005 Sezioni durto (n, ) per gli Zr Neutron magic, N=50 A < 120 sezioni durto di cattura piccole Nota: 93 Zr instabile Neutron magic, N=50 A < 120 sezioni durto di cattura piccole Nota: 93 Zr instabile

8 Astronuc Teramo 21/04/2005 Sezioni durto (n, ) per gli Zr 90 Zr 91 Zr 92 Zr Zr Nb 94 Mo 93 Nb 93 Zr 1.5E6 a 94 Zr 94 Nb 2.265 m 2.0E4 a 95 Mo 96 Mo Mo 97 Mo 98 Mo 95 Zr 64.02 d s-process 96 Zr 92 Mo 90,91,92,93,94,96 Zr monitor del flusso di neutroni dei processi s nelle stelle Giganti Rosse N=50

9 Astronuc Teramo 21/04/2005 Perché misurare gli Zr Fondamentali come monitor dellesposizione e del flusso di neutroni nelle stelle Giganti Rosse Attuali valori (n, ) non spiegano i rapporti fra gli isotopi trovati nei presolar SiC grain ( in particolare 96 Zr/ 94 Zr) Accuratezza degli attuali (n, ) >10%; richiesta < 5%

10 Astronuc Teramo 21/04/2005 La facility n_TOF al CERN Spallazione di protoni di alta energia su un target di piombo (~360 neutroni/protone) 7x10 12 protons/bunch @ 20 GeV/c dallacceleratore 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 Astronuc Teramo 21/04/2005 La facility n_TOF al CERN Caratteristiche del fascio (a 187.5 mt) Alto flusso istantaneo di neutroni 10 5 n/cm 2 /impulso Ampio spettro di energie1 eV < E n < 250 MeV Alta risoluzione E/E ~ 10 -4 (fino a 100 keV) Basso rate di ripetizione0.8 Hz massimo Basso background10 -5 (flusso outside/flusso in beam)

12 Astronuc Teramo 21/04/2005 Lapparato sperimentale Costruiti specificatamente per avere una bassa sensibilità ai neutroni: C 6 D 6 con contenitore in fibra di carbonio (FZK) Porta campioni in fibra di carbonio Efficienza ai di cattura indipendente dalla cascata (utilizzo della Pulse Height Weighting Functions) I rivelatori

13 Astronuc Teramo 21/04/2005 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 Astronuc Teramo 21/04/2005 Misure a n_TOF Sezioni durto di cattura neutronica (n, ) Per migliorare laccuratezza dei dati Nucleari n C 6 D 6 scintillatori liquidi Porta Campioni CampioniMisure 90,91,92,94,96 Zr Giu.-Ago. 2003 93 Zr Ott. 2004

15 Astronuc Teramo 21/04/2005 Composizione isotopica Purezza dellisotopo (%) 90 Zr 91 Zr 92 Zr 93 Zr 94 Zr 96 Zr 90 Zr97.70.870.6-0.670.16 91 Zr5.4389.92.68-1.750.24 92 Zr4.651.6291.4-2.030.3 93 Zr * 1.519.020.0 19.0 94 Zr4.051.181.93-91.81.04 96 Zr19.415.218.2-8.6858.5 Contaminazione: Hf, Na, Mg, Al... * Isotopo radioattivo (T 1/2 =1.5x10 6 anni) Sample

16 Astronuc Teramo 21/04/2005 Caratterisiche degli isotopi di Zr misurati 90 Zr 91 Zr 92 Zr 93 Zr 94 Zr 96 Zr 197 AuLead Massa (g) 2.7171.4041.3494.882.0153.3981.8713.895 Spessore (cm) 0,1270,0650,0620,370,0910,1510.0250.09 Forma chimicaZrO 2 Metal Purezza (%)97.789.991.420.091.858.5100Nat. Tutti i campioni stabili 2.2 cm in diametro Gli isotopi stabili dello Zr incapsulati in 0.2 mm Al 93 Zr incapsulato in 0.2 mm Al ( 2.2 cm)+ 0.2 mm Ti ( 5.0 cm) Attivita del campione misurato di 93 Zr 92.5 MBq

17 Astronuc Teramo 21/04/2005 Analisi dei dati Calibrazione in energia ( 137 Cs, 60 Co,Pu/C) Scelta dei tagli e soglie per eliminare il rumore Correzione dellefficienza dei rivelatore C 6 D 6 PHWT Valutazione del Background Normalizzazione al flusso di neutroni

18 Astronuc Teramo 21/04/2005 Le misure con rivelatori C 6 D 6 richiedono una correzione per lefficienza di rivelazione (tipicamente < 10 %). Lefficienza totale di rivelazioni non è COSTANTE, ma dipende dalla natura della cascata di diseccitazione (molteplicità, energia dei raggi, etc…). IDEA: modificare via software la risposta del rivelatore, in modo da rendere lefficienza totale di un evento di cattura COSTANTE. SOLUZIONE: rendere lefficienza ai proporzionale alla loro energia: = E La tecnica delle weighting function c = E = E c Weighting function technique: multiplicare la risposta del rivelatore R(E d ) per weighting function W(E d ) (polinomiale del 4 th l) tale da minimizzare : E =4 MeV Raw spectrum Weighted spectrum

19 Astronuc Teramo 21/04/2005 Le simulazioni MC con GEANT 3.21 (GEANT 4, MCNP). Descrizione detagliata dellapparato: 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 da 0 a 10 MeV. Calcolo delle weighting functions Due metodi per determinare le WF Misure Utilizzando simulazioni MC (verificate con le misure di standard) Usata per minimizzare il 2 una routine (CERNLIB)

20 Astronuc Teramo 21/04/2005 Analisi dei dati - Zr yield di cattura degli isotopi stabili 90 Zr - nTOF Zr Yield, - Background Energy (eV) 96 Zr 91 Zr Energy (eV) Y(E n ) = (1 – e -n T (E n ) ) (E n )/ T (E n )

21 Astronuc Teramo 21/04/2005 Analisi dei dati - 93 Zr yield Yield – radioattività nat.del campione background 93 Zr Yield Radioattività naturale del campione

22 Astronuc Teramo 21/04/2005 Analisi delle risonanze Normalization Valutazione dei parametri delle risonanze E n,, n - ntof gold - fit SAMMY N.F.( 92 Zr)=0.6219 13 Resonance Fit Zr-92 data 1 2 3 4 42 197 Au 4.9eV SAMMY fit of 92 Zr

23 Astronuc Teramo 21/04/2005 Confronto con misure precedenti 90 Zr Boldeman at al.

24 Astronuc Teramo 21/04/2005 Analisi delle risonanze Capture Strength = g n / tot S 90 Zr 91 Zr 92 Zr 94 Zr 96 Zr c c

25 Astronuc Teramo 21/04/2005 Risultati Preliminari S ntof 10% - 20% più bassa dei dati precedenti

26 Astronuc Teramo 21/04/2005 Conclusioni Misurate le sezioni durto (n, ) degli isotopi 90,91,92,93,94,96 Zr I risultati degli isotopi analizzati mostrano S ntof 10% - 20% minore misure precedenti Totale incertezza ~ 5%