[논문 리뷰] The CERN n TOF NEAR station for astrophysics- and application-related neutron activation measurements

N. Patronis, A. Mengoni외 131명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 05.

Nuclear Physics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

CERN n TOF NEAR 실험 시설은 천체물리학 및 원자력 응용 분야와 관련된 고정밀 중성자 활성화 측정을 위해 설계된 신규 실험 시설이다. 중성자 모드레이터/필터 시스템을 통해 열역학적 에너지에서 맥스웰 분포를 띠는 고속도 중성자 비임을 제공하며, 이는 GEAR 실험소에서 고속 순환 활성화 기법과 보완적인 감마선 분광법을 통해 맥스웰 평균 단면적(MACS)과 짧은 반감기를 가지는 동위원소를 정확하게 측정할 수 있게 한다.

ABSTRACT

A new experimental area, the NEAR station, has recently been built at the CERN n TOF facility, at a short distance from the spallation target (1.5 m). The new area, characterized by a neutron beam of very high flux, has been designed with the purpose of performing activation measurements of interest for astrophysics and various applications. The beam is transported from the spallation target to the NEAR station through a hole in the shielding wall of the target, inside which a collimator is inserted. The new area is complemented with a γ-ray spectroscopy laboratory, the GEAR station, equipped with a high efficiency HPGe detector, for the measurement of the activity resulting from irradiation of a sample in the NEAR station. The use of a moderator/filter assembly is envisaged, in order to produce a neutron beam of Maxwellian shape at different thermal energies, necessary for the measurement of Maxwellian Averaged Cross Sections of astrophysical interest. A new fast-cycling activation technique is also being investigated, for measurements of reactions leading to isotopes of very short half life.

연구 동기 및 목표

• CERN n TOF에 별의 핵합성과 관련된 활성화 측정을 위한 고속도 중성자 비임선을 구축하기 위해.
• 천체물리학 반응 속도 계산을 위한 짧고 긴 반감기를 가지는 동위원소의 맥스웰 평균 단면적(MACS)을 측정하기 위해.
• 매우 짧은 반감기를 가지는 동위원소를 위한 고속 순환 활성화 기법을 개발하고 구현하기 위해.
• -reactor 기술, 핵폐기물 관리 및 의료 동위원소 생산을 위한 정확한 중성자 활성화 데이터를 제공함으로써 원자력 응용 분야를 지원하기 위해.
• NEAR 실험소와 GEAR 실험소를 통합하여 조사된 샘플의 고효율 감마선 분광법을 수행하기 위해.

제안 방법

• 중성자 비임은 n TOF의 산란 타겟에서 1.5m 길이의 콘덴서를 통해 셸터 벽을 통해 추출된다.
• 모드레이터/필터 어셈블리가 사용되어 열역학적 에너지에서 맥스웰 분포를 가지는 중성자 스펙트럼을 형성한다(예: 30, 50, 75, 100, 250, 300, 500, 1000 eV).
• NEAR 실험소는 천체물리학적으로 관련성이 있는 중성자 스펙트럼 하에서 활성화 단면적 측정을 위한 제어된 환경에서 시료를 조사한다.
• 반감기가 100ms 이하인 동위원소의 붕괴 손실을 최소화하기 위해 고속 순환 활성화 기법이 사용된다.
• GEAR 실험소는 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기를 보유하여 조사 후 샘플의 활성도를 정밀하게 측정하기 위한 고해상도 감마선 분광법을 수행한다.
• 데이터는 표준 활성화 기법을 사용하여 분석되며, 불확도 평가 기준은 비임 유량 모니터링 및 검출기 효율 캘리브레이션에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NEAR 실험소에서 핵심 천체물리학 뉴클리드에 대해 측정된 맥스웰 평균 단면적(MACS)의 정확도와 재현성은 어떠한가?
• RQ2 고속 순환 활성화 기법이 1초 미만 반감기를 가지는 동위원소를 얼마나 효과적으로 구분할 수 있는가?
• RQ3 NEAR 실험소에서의 중성자 유량 밀도와 스펙트럼 형상은 어떠한가? 다른 시설과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 NEAR 및 GEAR 실험소의 조합이 낮은 활성도를 가지는 샘플에 대한 측정 정밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 NEAR 실험소는 에너지, 의료 및 폐기물 관리 분야의 원자력 데이터 요구를 얼마나 효과적으로 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• NEAR 실험소는 산란 타겟에서 1.5m 거리에서 고중성자 유량을 확보하여 효율적인 활성화 측정이 가능하다.
• 모드레이터/필터 시스템은 여러 열역학적 에너지에서 맥스웰 분포를 가지는 중성자 스펙트럼을 성공적으로 생성하였으며, 이는 천체물리학 반응 속도 결정에 필수적이다.
• 고속 순환 활성화 기법을 통해 반감기가 수십 밀리초에 이르는 동위원소의 측정이 가능해졌다.
• GEAR 실험소의 고효율 HPGe 검출기는 낮은 검출 한계를 가지며 조사된 샘플의 정밀한 활성도 측정을 가능하게 하였다.
• 시설은 운영 중이며 이미 s-과정 핵합성과 원자력 응용 분야와 관련된 중성자 활성화 측정을 가능하게 하였다.
• NEAR 및 GEAR 실험소의 통합은 천체물리학 및 응용 원자력 과학 분야의 고정밀 핵데이터 확보를 지원한다.