Πειραματικός προσδιορισμός ενεργού διατομής σχάσης προκαλούμενης από νετρόνια των πυρήνων ²³⁴U και ²³²Th
Authors: Καραδήμος Δημήτριος 
Published: August 2021

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας συνοδεύονται από δικαιολογημένη ανησυχία. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου και τα διαφαινόμενα όρια εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων, η ανησυχία για τις επιπτώσεις από την χρήση της πυρηνικής ενέργειας και οι καθυστερήσεις στην έρευνα σύντηξης, οδήγησαν στην θεώρηση πολλών προηγμένων στρατηγικών για τα πυρηνικά καύσιμα και τα αντίστοιχα πυρηνικά συστήματα. Οι στρατηγικές αυτές περιλαμβάνουν: α) Την αύξηση του χρόνου λειτουργίας των εν ενεργεία πυρηνικών αντιδραστήρων, την αποδοτικότερη καύση των πυρηνικών καυσίμων, την ανακύκλωση του πλουτωνίου και κυρίως την «αποτέφρωση» των ακτινίδων και των μακρόβιων προϊόντων σχάσης και β) Τα οδηγούμενα από επιταχυντή συστήματα (Accelerator Driven Systems) ή «Ενισχυτή Ενέργειας» (Energy Amplifier), όπως προτάθηκαν από τον C. Rubbia και η πιθανή χρήση του κύκλου θορίου. Η λεπτομερής μελέτη και αξιολόγηση της σκοπιμότητας και ασφάλειας αυτών των στρατηγικών απαιτεί πολύ καλή γνώση των πυρηνικών δεδομένων και ιδιαίτερα των ενεργών διατομών για αντιδράσεις προκαλούμενες από νετρόνια. Τα πυρηνικά δεδομένα που υπάρχουν σήμερα προέρχονται από διάφορα πειράματα, τα οποία αφορούν συγκεκριμένες ενεργειακές περιοχές και ισότοπα, συχνά είναι ελλιπή και σε ασυμφωνία μεταξύ τους. Οι διαφορές αυτές είναι ακόμα πιο έντονες στην περίπτωση των ακτινίδων, των προϊόντων σχάσης και των ισοτόπων του κύκλου του Th, κυρίως λόγω της ραδιενέργειάς τους. Η Ευρωπαϊκή Ένωση ενέκρινε στο πλαίσιο του 5ου προγράμματος EURATOM το πείραμα n_TOF-ND-ADS, που προτάθηκε από τη συνεργασία n_TOF. Το κύριο πλεονέκτημα που προσέφερε αυτή η πρόταση είναι μια ολοκληρωμένη σειρά μετρήσεων υψηλής ακρίβειας ενεργών διατομών, εκτεινόμενη σε μεγάλο εύρος νετρονιακών ενεργειών, υψηλής διακριτικής ικανότητας, ικανοποιώντας τις ερευνητικές και βιομηχανικές απαιτήσεις. Το πειραματικό μέρος της διατριβής αυτής έγινε στις εγκαταστάσεις του ερευνητικού κέντρου CERN στην Γενεύη της Ελβετίας. Χρησιμοποιήθηκε η δέσμη πρωτονίων του επιταχυντή PS (Proton Synchrotron), η οποία προσέβαλλε στόχο μολύβδου για την παραγωγή νετρονίων μέσω της αντίδρασης κατακερματισμού (spallation). Τα νετρόνια που παρήχθησαν από την αντίδραση κατακερματισμού μεταφέρθηκαν στον πειραματικό χώρο μέσα σε ανοξείδωτο σωλήνα, το εσωτερικό του οποίου διατηρείτο σε κενό. Κατά μήκος του σωλήνα τοποθετήθηκαν μαγνήτες για να περιοριστούν τα φορτισμένα σωματίδια στο χώρο μετρήσεων, καθώς και η ακτινοβολία - γ, η οποία παράγεται από τις συγκρούσεις αυτών με τα τοιχώματα του σωλήνα. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν δυο κατευθυντήρες, για τον καλύτερο προσδιορισμό της δέσμης. Οι ανιχνευτές τοποθετήθηκαν σε απόσταση περίπου 180 m και σε μικρή γωνία ως προς τον άξονα της δέσμης πρωτονίων. Ο συνδυασμός της απόστασης των ανιχνευτών από τον στόχο κατακερματισμού και των παλμών πρωτονίων που παρείχε ο επιταχυντής CERN - PS, έδωσε τα μοναδικά χαρακτηριστικά της πειραματικής διάταξης του n_TOF. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι η μεγάλη διακριτική ικανότητα που προσφέρει στον υπολογισμό της ενέργειας του προσπίπτοντος νετρονίου, καθώς και το ευρύ ενεργειακό φάσμα των νετρονίων που παράγονται από τον στόχο κατακερματισμού. Το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων εκτείνεται από 0.02 eV, μέχρι 0.5 GeV με διακριτική ικανότητα ~10⁻⁴, για τα θερμικά νετρόνια και ~10⁻² για νετρόνια της τάξης μερικών MeV. Ο σκοπός της διατριβής αυτής ήταν ο προσδιορισμός της ενεργού διατομής σχάσης, προκαλούμενης από νετρόνια των ισοτόπων ²³⁴U και ²³²Th, σε ενέργειες από 10 keV - 0.5 GeV. Για την μέτρησή τους χρησιμοποιήθηκε ο ανιχνευτής FIC (Fission Ionization Chamber, ή Fast Induction Chamber). Ο ανιχνευτής αποτελείται από θάλαμο, γεμισμένο με τα αέρια αργόν (Ar) και τετραφθοριούχο άνθρακα (CF₄), μέσα στον οποίο ευρίσκονται υπό τάση οι στόχοι των υπό μελέτη ισοτόπων ²³⁴U και ²³²Th, καθώς και στόχοι από ²³⁸U και ²³⁵U, των οποίων η ενεργός διατομή σχάσης θεωρείται γνωστή. Η ενέργεια του νετρονίου υπολογίστηκε από τον χρόνο πτήσης, ο οποίος αρχίζει τη στιγμή της δημιουργίας του νετρονίου στο στόχο κατακερματισμού και τελειώνει με την πρόκληση σχάσης μέσα στους στόχους του ανιχνευτή. Ο χρόνος της δημιουργίας του νετρονίου υπολογίστηκε μέσω της «λάμψης - γ», που δημιουργήθηκε ταυτόχρονα με τα νετρόνια και διένυσε την ίδια γνωστή απόσταση με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός. Αν σε αυτό τον χρόνο προστεθεί η διαφορά χρόνου από την «λάμψη - γ», μέχρι την σχάση του πυρήνα (χρόνος θραύσματος σχάσης - χρόνος «λάμψης -γ»), υπολογίζεται ο χρόνος πτήσης του νετρονίου. Οι υπολογισμοί των χρόνων έγιναν μετά από διαδικασία βελτιστοποίησης των παραμέτρων της συνάρτησης παλμού, όπως αυτή ορίστηκε, ώστε να περιγράψει τους παλμούς του ανιχνευτή. Οι μονάδες fADC (flash Analog to Digital Converter) μετατρέπουν τα αναλογικά σήματα από τα θραύσματα της σχάσης και από τη «λάμψη -γ» σε ψηφιακά σε σταθερά χρονικά διαστήματα των 25 ns (ρυθμός δειγματοληψίας 40 MHz), κατόπιν επεξεργασίας με ηλεκτρονικές μονάδες, όπως προενισχυτές και ενισχυτές, προκειμένου να αποθηκευτούν σε υπολογιστή. Μετά την ψηφιοποίηση, το σήμα καταγράφεται στον σκληρό δίσκο του υπολογιστή μέσω του λογισμικού καταγραφής των δεδομένων (DAQ, Data Acquition), ως συνάρτηση του χρόνου, για την επεξεργασία τους σε χρόνο που έπεται του πειράματος (offline). Μετά τη λήξη της καταγραφής των πειραματικών δεδομένων ακολούθησε η ανάλυσή τους, ειδικά για την οποία αναπτύχθηκε λογισμικό. Σκοπός του λογισμικού ήταν η καταμέτρηση των γεγονότων σχάσης σε κάθε δείγμα, μετά τον διαχωρισμό τους από τα γεγονότα υποβάθρου, καθώς και ο υπολογισμός των ενεργών διατομών σχάσης από τα δεδομένα. Κατά την ανάλυση των δεδομένων διαπιστώθηκε ότι υπήρχε υψηλός ηλεκτρονικός θόρυβος στο σήμα του ανιχνευτή. Ο θόρυβος οφειλόταν στη μεγάλη ένταση του σήματος, όταν η «λάμψη - γ» εισέρχονταν στον χώρο του ανιχνευτή. Αν και το σήμα αυτό ήταν χρήσιμο για τον υπολογισμό του χρόνου δημιουργίας του νετρονίου στον στόχο Pb, το μέγεθος του σήματος ήταν τόσο μεγάλο, ώστε να προκαλεί κατάσταση κορεσμού των ηλεκτρονικών μονάδων και την βύθιση ή/και ταλάντωση της βασικής γραμμής του ανιχνευτή. Το λογισμικό ανάλυσης αναπτύχθηκε έτσι ώστε να αντιμετωπιστεί αυτή η παραμόρφωση του σήματος. Συγκεκριμένα, δημιουργήθηκαν «μέσοι όροι» των σημάτων, ώστε να προσδιοριστεί η βασική γραμμή του ανιχνευτή χωρίς την παρουσία σημάτων οφειλομένων σε σχάσεις, οι οποίοι στη συνέχεια αφαιρέθηκαν από κάθε σήμα. Με τον τρόπο αυτό αφαιρέθηκε ο θόρυβος στις περισσότερες των περιπτώσεων. Εντούτοις για την περιοχή από 10 MeV - 100 MeV, όπου και η ταλάντωση της βασικής γραμμής ήταν εντονότερη, ο θόρυβος επηρέασε τα τελικά αποτελέσματα. Έτσι αν και προσδιορίστηκε η ενεργός διατομή σε αυτή την ενεργειακή περιοχή, αποτελεί μάλλον μια εκτίμηση της πραγματικής τιμής. Αντίθετα στα ενεργειακά διαστήματα από 20 keV - 10 MeV και από 100 MeV - 0.5 GeV, η ενεργός διατομή σχάσης των ισοτόπων ²³⁴U και ²³²Th προσδιορίστηκε για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία με συστηματικό τρόπο, καθώς επίσης και το σφάλμα υπολογισμού της.