[论文解读] The CERN n TOF NEAR station for astrophysics- and application-related neutron activation measurements

N. Patronis, A. Mengoni+131 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2022

Nuclear Physics and Applications被引用 4

一句话总结

CERN n TOF NEAR 站是一个新建成的实验设施，旨在开展与恒星核合成及核应用相关的高精度中子活化测量。该设施通过慢化剂/滤波器系统提供具有麦克斯韦能谱分布的高通量中子束，结合快速循环活化技术与 GEAR 站的互补伽马射线谱学，可精确测量麦克斯韦平均截面（MACS）及短寿命核素。

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.

研究动机与目标

• 在 CERN n TOF 建立一条高通量中子束线，用于与恒星核合成相关的活化测量。
• 测量短寿命与长寿命核素的麦克斯韦平均截面（MACS），以支持天体物理反应速率计算。
• 开发并实施一种快速循环活化技术，用于测量半衰期极短的核素。
• 通过提供精确的中子活化数据，支持反应堆技术、核废料管理及医用核素生产等核应用。
• 将 NEAR 站与 GEAR 站集成，实现对辐照样品的高效率伽马射线谱学测量。

提出的方法

• 通过屏蔽墙中长 1.5 m 的准直器从 n TOF 撞击靶提取中子束。
• 采用慢化剂/滤波器组件将中子能谱整形为热能区（如 30、50、75、100、250、300、500、1000 eV）内所需的麦克斯韦分布。
• NEAR 站在受控环境中安置辐照样品，以在与天体物理相关的中子能谱下测量活化截面。
• 采用快速循环活化技术，最大限度减少半衰期低于 100 ms 的核素的衰变损失。
• GEAR 站配备高纯锗（HPGe）探测器，用于高分辨率伽马射线谱学，以测定辐照后样品的活度。
• 采用标准活化技术分析数据，不确定性量化基于束流通量监测与探测器效率标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 NEAR 站对关键天体物理核素测得的麦克斯韦平均截面（MACS）的准确度与可重复性如何？
• RQ2 快速循环活化技术在分辨半衰期低于 1 秒的核素方面效率如何？
• RQ3 NEAR 站的中子通量强度与能谱形状如何？与其他设施相比有何差异？
• RQ4 NEAR 与 GEAR 站的联合使用如何提升对低活度样品测量的精度？
• RQ5 NEAR 站在能源、医学及废料管理等核数据需求方面能提供多大程度的支持？

主要发现

• NEAR 站在距撞击靶 1.5 m 处实现了高通量中子束，支持高效的活化测量。
• 慢化剂/滤波器系统成功在多个热中子能量点生成麦克斯韦能谱，这对天体物理反应速率的确定至关重要。
• 快速循环活化技术可实现对半衰期短至数十毫秒核素的测量。
• GEAR 站的高效率 HPGe 探测器可实现对辐照样品活度的精确测量，检测限极低。
• 该设施已投入运行，并已成功开展与 s-过程核合成及核应用相关的中子活化测量。
• NEAR 与 GEAR 的集成支持了天体物理学与应用核科学领域高精度核数据的获取。