Study and Detection of Relativistic Solar Neutrons at Ground level with the Spherical Proportional Counter
Creators: name: Κυρατζής, Δημήτριος Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Ανίχνευση υψηλοενεργειακών ηλιακών νετρονίων
Σφαιρικός Αναλογικός Απαριθμητής
Αστροσωματιδιακή και Πυρηνική Φυσική
Detection of relativistic solar neutrons
Spherical Proportional Counter
Astroparticle and Nuclear Physics

description: Studying the acceleration mechanism and nuclear reactions of highly energetic particles that take place in a stellar environment are of great importance to both Astroparticle and Nuclear Physics. The particles of interest are neutrons, produced in solar flares within the interaction of highly energetic ions with the solar photosphere. Only the most energetic Solar Neutrons reaching Earth (En = 50 MeV–10 GeV) are able to propagate through the atmosphere and eventually be measured by ground level detectors located in high altitudes. A novel method of high energy neutron detection is proposed with the Spherical Proportional Counter (SPC), taking advantage of the 209Bi(n,f) reaction. This reaction, is considered as a standard for high energy neutron detection, due to large cross section values in the 100 MeV–1 GeV energy interval obtained at the n_TOF facility in CERN. A thin spherical shell of Bismuth will be situated in the large volume of the SPC (equal to the detector’s inner radius), serving as target for high energy neutrons bombarding the detector, thus resulting in fission fragment emission. A detailed simulation of the 209Bi(n,f) reaction with the C++ version of the INCL++ model coupled with the Fortran version of the ABLA07 de–excitation code is performed (cross section, mass &amp; atomic number distribution, kinetic energy per fragment) in the 100 MeV – 10 GeV energy interval, together with SRIM for the fragments’ projected range in 209Bi. Experimental data with a 252Cf source are obtained (benefiting from the 252Cf(sf)) and analyzed with ROOT, in order to validate the SPC’s efficiency in fission fragment detection. The results are verified with the simulated 252Cf(sf) reaction from the GEF model, together with the fragments’ projected range in various argon gas pressures using SRIM. Calculations for the expected reactions in the 209Bi shell have been performed in different atmospheric depths (700 &amp; 1000 g/cm2 ), and various spherical detector radii (r = 0.65, 2.5, 5, 10 m). Data from a background run have also been analyzed, in order to evaluate the atmospheric background component measured in our detector. An integrated study is concluded with calculations and experimental data analysis regarding the detection of fast neutrons (0.5 – 20 MeV) with the SPC, as a suitable mean concerning the measurement of the atmospheric neutron flux.
description: Η μελέτη των μηχανισμών επιτάχυνσης και των αλληλεπιδράσεων υψηλοενεργειακών σωματιδίων σε αστρικά περιβάλλοντα, αποτελούν σημαντικό πεδίο έρευνας για την Αστροσωματιδιακή και Πυρηνική Φυσική. Τα σωματίδια που εξετάζονται σε αυτή την εργασία είναι τα νετρόνια που παράγονται στις ηλιακές εκλάμψεις μέσω των αλληλεπιδράσεων που προκαλούν υψηλοενεργειακά ιόντα (πρωτόνια, σωματίδια άλφα, κλπ) με την ηλιακή φωτόσφαιρα. Τα νετρόνια που παράγονται, διαφεύγουν στον διαπλανητικό χώρο, δίχως να αλληλεπιδρούν με μαγνητικά πεδία (λόγω της ουδετερότητάς τους) και φτάνουν στη Γη σαν μια ισότροπη δέσμη. Μόνο τα πιο ενεργειακά ηλιακά νετρόνια (Ε = 50 MeV – 10 GeV) μπορούν να διαδοθούν στην ατμόσφαιρα και μετά απο έναν αριθμό αλληλεπιδράσεων, να μετρηθούν με τη βοήθεια επίγειων ανιχνευτών. Για την ανίχνευση των εν λόγω σωματιδίων, προτείνεται ο Σφαιρικός Αναλογικός Απαριθμητής, με σκοπό την εκμετάλλευση της αλληλεπίδρασης σχάσης του Βισμουθίου (209Bi) απο υψηλοενεργειακά νετρόνια (209Bi(n,f)), Η αντίδραση θεωρείται ως το κύριο πρότυπο ανίχνευσης των εν λόγω σωματιδίων καθώς εμφανίζει υψηλή ενεργό διατομή σχάσης στο διάστημα ενεργειών 100 MeV – 1 GeV, αποτελέσματα που προέκυψαν απο τα πειραματικά δεδομένα του n_TOF στο CERN. Γι’αυτό το λόγο θα χρησιμοποιηθεί ένα πολύ λεπτό σφαρικό φύλλο Βισμουθίου, το οποίο τοποθετείται στα εσωτερικά τοιχώματα του Σφαιρικού Αναλογικού Απαριθμητή, λειτουργώντας ώς στόχος απορρόφησης των υψηλοενεργειακών νετρονίων που τον βομβαρδίζουν. Με αυτό τον τρόπο παράγονται θραύσματα σχάσης τα οποία ανιχνεύονται μέσω των αλληλεπιδράσεών τους με το αέριο γέμισμα του απαριθμητή. Για την βαθύτερη κατανόηση των χαρακτηριστικών της 209Bi(n,f) αλληλεπίδρασης, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωσή της με τη βοήθεια των προγραμμάτων INCL++ και ABLA07 μελετώντας : την ενεργό διατομή της σχάσης, τις κατανομές μάζας και ατομικού αριθμού των θραυσμάτων αλλά και την κινητική ενέργεια που δίνεται στο κάθε θραύσμα για την ενεργειακή περιοχή των 100 MeV με 10 GeV. Τα αποτελέσματα, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα για την εύρεση του εύρους των παραγόμενων θραυσμάτων σχάσης στο Βισμούθιο με τη βοήθεια του προγράμματος SRIM. Με βάση τα προηγούμενα, εξάγoνται υπολογισμοί για τις αναμενόμενες αλληλεπιδράσεις των νετρονίων σε διαφορετικά ατμοσφαιρικά βάθη και μεγέθη ανιχνευτών. Στη συνέχεια μελετάται η ανίχνευση θραυσμάτων σχάσης με τον αναλογικό απαριθμητή, χρησιμοποιώντας πηγή 252Cf (για την αυθόρμητη σχάση του 252Cf). Προσομοίωση της αυθόρμητης σχάσης του Καλιφορνίου πραγματοποιήθηκε με το πρόγραμμα GEF καθώς και υπολογισμοί για το εύρος των θραυσμάτων σε διάφορες πιέσεις Αργού με το SRIM , έχοντας ως σκοπό την επαλήθευση των πειραματικών δεδομένων. Στη συνέχεια αναλύθηκαν πειραματικά δεδομένα απο μετρήσεις υποβάθρου στον ανιχνευτή, μαζί με υπολογισμούς και ανάλυση δεδομένων για την ανίχνευση ταχέων νετρονίων (Ε = 0.5 – 20 MeV), με σκοπό την μέτρηση της ατμοσφαιρικής ροής των νετρονίων.