[論文レビュー] Simulations of Doppler Eects in Nuclear Reactions for AGATA Commissioning Experiments

Ali Al-Adili|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2009

Nuclear Physics and Applications参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、AGATAガンマ線トラッキング分光器のコンmissioningを目的として、モンテカルロシミュレーションとGeant4を用いてドップラー効果とエネルギー分解能を評価する逆運動量核反応をシミュレートした。d(V-51,n)Cr-52 反応が、エネルギーおよび角度方向の散乱によるターゲット由来のバックグラウンドが最小限であり、強いドップラーシフトを示すため最適であると特定された。

ABSTRACT

The purpose of this master thesis is to simulate suitable nuclear reactions for a commissioning experiment, to be performed with the AGATA gamma-ray tracking spectrometer. The main aim of the work is to find a reaction, which gives large Doppler effects of the emitted gamma rays, with as small contribution as possible due to the energy and angular spread of the nuclei emitting the gamma rays. Inverse kinematics heavy-ion (HI) fusion reactions of the type (HI,gamma), (HI, n) on proton and deuteron targets have been studied. Target effects were investigated using the program TRIM in order to determine the impact on the Doppler effects caused by energy and angular straggling in the target material. The cross sections of a large number of reactions of protons and deuterons on nuclei with mass numbers in the range A=20-100 have been evaluated using the TALYS reaction code. The fusion-evaporation reactions, d(V-51,n)Cr-52 and d(Cl-37,n)Ar-38 were simulated in detail using the Monte Carlo code evapOR. The interactions in AGATA of the gamma rays emitted in these reactions were simulated using Geant4. The energy resolution of the gamma rays after gamma-ray tracking and Doppler correction were determined as a function of the interaction position resolution of the germanium detectors. The conclusion of this work is that of the two reactions d(V-51,n)Cr-52 is more suitable for an AGATA commissioning experiment.

研究の動機と目的

• AGATA分光器のコンmissioningに適した、強いドップラー効果を示す核反応を特定すること。
• ドップラー補正の精度を低下させる要因となるターゲット由来のエネルギーおよび角度分散の寄与を最小限に抑えること。
• TALYSコードを用いて反応断面積およびガンマ線放出特性を評価すること。
• Geant4を用いてAGATAにおけるガンマ線の相互作用およびエネルギー分解能をシミュレートすること。
• 相互作用位置分解能の関数としてエネルギー分解能を評価することにより、検出器性能を最適化すること。

提案手法

• TALYSを用いて、プロトンおよびデュテロンターゲットにおける高エネルギー核反応（HI,γ）および（HI,n）の断面積を評価する逆運動量核融合・蒸発反応をシミュレートした。
• TRIMを用いてターゲット材料内のエネルギーおよび角度の散乱効果をモデル化し、ドップラー拡散に与える影響を定量した。
• 核の励起状態からの崩壊およびガンマ線放出をモデル化するため、evapORコードを用いてd(V-51,n)Cr-52およびd(Cl-37,n)Ar-38の詳細なモンテカルロシミュレーションを実施した。
• ガンマ線の放出に対するAGATA検出器応答を、ガンマ線トラッキングおよびドップラー補正を含めてGeant4を用いてシミュレートした。
• ゲルマニウム検出器における位置分解能の制限がエネルギー分解能の劣化に与える影響を定量した。
• ドップラーシフトの大きさおよびターゲット効果に起因するバックグラウンド寄与の観点から、2つの候補反応を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーおよび角度の散乱によるターゲット由来バックグラウンドを最小限に抑えつつ、ガンマ線放出において最大のドップラーシフトを生じる核反応は何か？
• RQ2 ターゲット材料内のエネルギーおよび角度の散乱が、AGATAにおけるドップラー拡散および補正精度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ガンマ線トラッキングおよびドップラー補正を施した後の実現可能なエネルギー分解能は、検出器の位置分解能の関数としてどのように変化するか？
• RQ4 d(V-51,n)Cr-52およびd(Cl-37,n)Ar-38の間で、シミュレートされたガンマ線スペクトルおよびドップラー効果にはどのような相違があるか？
• RQ5 ターゲット効果は、AGATAコンmissioning実験の性能にどの程度悪影響を及えるか？

主な発見

• d(V-51,n)Cr-52 反応は、放出されるガンマ線に強いドップラーシフトを示し、AGATAのコンmissioningに非常に適している。
• ターゲット由来のエネルギーおよび角度の散乱はドップラー効果を著しく拡散させるが、d(V-51,n)Cr-52 ではd(Cl-37,n)Ar-38に比べてその寄与が顕著に小さい。
• ドップラー補正およびガンマ線トラッキングを施した後のエネルギー分解能は、位置分解能が悪くなるに従って劣化するが、調査された分解能範囲においてもd(V-51,n)Cr-52 では十分に良好な性能を示した。
• TALYSコードによる断面積の予測は、期待される反応挙動と整合的であり、シミュレーションフレームワークの妥当性を裏付けた。
• Geant4シミュレーションにより、ガンマ線トラッキング性能がd(V-51,n)Cr-52 からのガンマ線スペクトルの重要な特徴を解像するのに十分であることが確認された。
• d(V-51,n)Cr-52 はd(Cl-37,n)Ar-38に比べ、信号対バックグラウンド比およびドップラー補正の忠実度において優れており、AGATAコンmissioningの最適選択である。