Methods to measure low cross sections for nuclear astrophysics Mérési módszerek asztrofizikailag jelentős alacsony magfizikai hatáskeresztmetszetek meghatározására Szücs Tamás Nukleáris asztrofizikai csoport Témavezető: Dr. Fülöp Zsolt
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 2 Nukleáris Asztrofizika Csillagokban lejátszódó magreakciók Elemek keletkezése / Energiatermelés Energiák mélyen a Coulomb gát alatt (töltött részecske reakciók esetén) Hatáskeresztmetszetek a pikobarn tartományban vagy ez alatt Extrapoláció
Méréseim célja Kis jelek detektálhatóságának vizsgálata Érzékenység növelése A csúcsterület relatív hibája: S 2B 1 2B S S 2 S A relatív hiba csökkenthető Háttércsökkentés Jelnövelés S B Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 3
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 4 Háttércsökkentés Dolgozatomban a magas energiás (E >3MeV) laboratóriumi hátteret tanulmányoztam In-beam mérések esetén ebben a tartományban is várunk -sugárzást A laboratóriumi hátteret földfelszínen ebben a tartományban a kozmikus sugárzás okozza, főként a müonok
Háttércsökkentés Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 5 Árnyékolási módszerek Vétó detektor Árnyékolás Det. Det. Aktív árnyékolás Az ionizáló kozmikus sugarak ellen is jó, mert azok keresztülhaladnak a vétó detektoron és benne jelet keltenek A fő detektorban tiltható a jel Kisebb anyagmennyiség Bonyolultabb elektronika Véletlen jeltiltás lehetősége Passzív árnyékolás Környezeti radioaktivitás ellen jó A kozmikus sugárzás egy része ellen is jó Hogy müonok ellen is jó legyen hatalmas mennyiségű kell Föld alatti labor
Háttércsökkentés Kozmikus sugárzás gyengülése a mélységgel Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 6 Müonok intenzitása nagyon lassan csökken 15 m víz ekvivalens mélység (m. w. e.) kiszűri a kozmikus neutronokat Egy pont alatt már a mélységgel nem változó komponens dominál
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 7 Detektor Háttércsökkentés ATOMKI detektora, amit minden egyes helyszínre elszállítottunk Nagy tisztaságú germánium (HPGe) detektor Szegmentált Nagy hatásfok: - 122% addback módban Aktív bizmut-germanát (BGO) pajzs
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 8 Mély földalatti labor Háttércsökkentés LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) 1400m mély (3800m w.e.) Ritka események, sötét anyag keresése, nagyon alacsony hátteret igénylő mérések Egyetlen földalatti nukleáris asztrofizikai célokra használt gyorsító a LUNA-ban (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics) A nyalábidő szüneteiben háttérmérések (Összesen 12 nap hosszú háttérmérés, 6-8 órás spektrumokból összeadva)
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 9 Eredmény 1 Háttércsökkentés Az aktív árnyékolásnak nincs hatása a magas energiás laboratóriumi háttér tartományban mély földalatti laborban, ahol a kozmikus müonok fluxusát erősen csökkenti a labort árnyékoló szikla. T. Szücs, et al. (LUNA Collaboration) The European Physical Journal A 44, 513 (2010)
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 10 Háttércsökkentés Kozmikus sugárzás gyengülése a mélységgel Felszín Felsenkeller LNGS
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 11 Sekély földalatti labor Háttércsökkentés Felsenkeller Drezdában 47m mély (110m w.e.) Alacsony hátterű labor Kereskedelmi radiológiai analízis Néhány nukleáris asztrofizikai vizsgálat
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 12 Eredmény 2 Háttércsökkentés Sekély földalatti mélységben a kozmikus müonok fluxusa csak 40-ed része a felszíninek. Itt az aktív pajzs jelentősen csökkenti a magas energiás háttértartományt. T. Szücs, et al. The European Physical Journal A 48, 8 (2012)
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 13 Eredmény 2 Háttércsökkentés Megállapítottam, hogy az aktív árnyékolás segítségével ez a mélység is elegendő asztrofizikailag fontos magreakciók hatáskeresztmetszetének mérésére. Pl: 12 C( ) Méréseim alapján a Felsenkeller laboratóriumban tervezik egy nukleáris asztrofizikai célokra használandó gyorsító beszerzését!
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 14 Méréseim célja A csúcsterület relatív hibája: S 2B 1 2B S S S 2 S B
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 15 Aktivációs módszer Jelnövelés Az ATOMKI Nukleáris Asztrofizikai Csoportjában ezt a módszert használjuk a hatáskeresztmetszet mérésekhez A besugárzás és a -detektálás különválik Az keletkezett aktivitást az általánosan használt -detektálással határoztuk meg Célom érzékenyebbé tenni ezt a módszert
Jelnövelés Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 16 Aktivációs módszer karakterisztikus röntgensugárzás detektálásával A röntgen fotonok intenzitása a vizsgált tömegtartományban általában nagyobb, mint a gammáké (extrém esetben I = 0) A detektorok hatásfoka ebben a tartományban a legnagyobb Mivel elemekre jellemző, ezért azonos elem különböző izotópjai közt nem tesz különbséget
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 17 Detektor Jelnövelés Low Energy Germanium (LEGe) Vékony kristály Érzéketlen a magas energiákra Berillium ablak Réteges árnyékolás
Jelnövelés Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 18 Érzékenység A minimum detektálható aktivitás (MDA) egy jó mérőszáma az érzékenységnek Két detektor összehasonlításához az MDA arányt használhatjuk MDA 1 B 1 2 FWHM 1 MDA 2 B 2 1 FWHM 2
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 19 Érzékenység összetevői Laboratóriumi háttér Jelnövelés
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 20 Érzékenység összetevői Hatásfok Jelnövelés
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 21 Érzékenység összetevői Feloldás Jelnövelés
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 22 Érzékenység Jelnövelés
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 23 Eredmény 3 Jelnövelés Tanulmányoztam a röntgen méréshez használt detektort, hozzá illeszkedő árnyékolást terveztem. Megmértem a detektor érzékenységét. Ezzel bebizonyítottam, hogy a LEGe több mint 3-szor érzékenyebb a röntgen energia tartományban mint egy hagyományos nagykristályos detektor. Ezen kívül bizonyítottam, hogy 350keV-ig alacsony energiás gammák detektálására is alkalmasabb! G. G. Kiss, T. Szücs, et al. Nuclear Physics A 867, 52 (2011)
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 24 Példa a röntgen detektálás alkalmazására Jelnövelés 169 Tm(, ) és 169 Tm(,n) reakciók mérése Hagyományos gamma detektálással az (,n) csatorna jól mérhető 6,7 nap felezési idő Intenzív gammák ( ( ) csatorna mérése gamma detektálással nehéz: reakciótermékének felezési ideje 500 nap kis intenzitású, kis energiás gammák ) csatorna mérése röntgen detektálással: K röntgen vonalak intenzitása 44 és 76% Nyaláb indukált háttérre nem érzékeny a detektor A nagyon különböző felezési idők miatt a két csatorna reakciótermékének aktivitása külön mérhető
Jelnövelés 169 Tm(, ) és 169 Tm(,n) reakciók hatáskeresztm. Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 25 Röntgen detektálás
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 26 Eredmény 4 Jelnövelés Gamma sugárzás detektálása útján ~13MeV tömegközépponti energiáig mérhető 169 Tm(,n) reakciót megmértem Gamow ablak közeli energiákig. Gamma sugárzás detektálása útján mérhetetlennek ítélt reakció / 169 Tm( )/ hatáskeresztmetszetét megmértem le egészen 12.3MeV tömegközépponti energiáig. G. G. Kiss, T. Rauscher, T. Szücs, et al. Physics Letters B 695, 419 (2011)
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 27 Referált közlemények Háttércsökkentés: T. Szücs, et al. (LUNA Collaboration) An actively vetoed Clover -detector for nuclear astrophysics at LUNA The European Physical Journal A 44, 513 (2010) T. Szücs, et al. Shallow-underground accelerator sites for nuclear astrophysics: Is the background low enough? The European Physical Journal A 48, 8 (2012) Jelnövelés: G. G. Kiss, T. Szücs, et al. Activation method combined with characteristic X-ray counting: A possibility to measure ( ) cross sections Nuclear Physics A 867, 52 (2011) G. G. Kiss, T. Rauscher, T. Szücs, et al. Determining reaction cross sections via characteristic X-ray detection: -induced reactions on 169 Tm for the astrophysical -process Physics Letters B 695, 419 (2011)
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 28 Összes közlemény Dolgozat témájában megjelent folyóiratcikkek: 4 referált folyóiratcikk 2 konferencia proceedings 2 egyéb publikáció Egyéb folyóiratcikkek: 7 referált folyóiratcikk 15 konferencia proceedings Konferencia és egyéb szereplések a dolgozat témájában: 6 poszter 3 előadás Egyéb konferencia és tudományos műhely szereplések: 19 poszter 2 előadás
Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 29 Köszönet: Köszönetnyilvánítás Fülöp Zsolt témavetetőmnek A nukleáris asztrofizikai csoport minden tagjának Az itthoni, németországi és olaszországi munkatársaknak A német Herbert Quandt alapítványnak a féléves ösztöndíjért A dolgozat elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
Bírálói kérdés Szücs T., Ph.D. dolgozat munkahelyi vitája, 2012. március 20. 30