Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Թթվածնային ակտիվ թիրախ ցածր էներգիական միջուկային ռեակցիաների ուսումնասիրության համար

Խաչատրյան, Վաչիկ Հրաչյայի (2019) Թթվածնային ակտիվ թիրախ ցածր էներգիական միջուկային ռեակցիաների ուսումնասիրության համար. PhD thesis, Ա. Ի. Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիա (Երևանի ֆիզիկայի ինստիտուտ).

[img]
Preview
PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (7Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1100Kb) | Preview

      Abstract

      Thermonuclear burning in stars is responsible for the synthesis of most chemical elements heavier than helium in the universe. The 4He(αα, γ)12C and 12C(α, γ)16O reactions are two of the most important fusion processes in astrophysics. These reactions essentially govern the helium burning phase, and their rates determine the ratio of 12C:16O (C/O) in the “ashes” of the helium burning process. Consequently, these reactions strongly influence the subsequent nucleosynthesis processes for massive stars and their final nucleosynthesis yields. Stellar evolution models in which nuclear reaction networks are implemented in detail do not yield consistent results yet, and the 12C(α, γ)16O cross-section is one of the most important nuclear physics uncertainties still to be resolved. The Hoyle state, the 02+ state at excitation energy (Ex) 7.654 MeV in 12C, is considered archetypal of a state that exhibits α-particle structure, with one possible configuration being a 3-α gas-like structure similar to a Bose-Einstein condensate, consisting of three α particles all occupying the lowest 0S state. It is expected that equivalent Hoyle-like states should also exist in heavier α-conjugate nuclei such as 16O and 20Ne. A measurement of the 12C(4He,8Be)8Be excitation function indicated that a series of 2+ to 6+ resonances were populated in the Ex = 16–21 MeV energy range. The photodisintegration of 16O at ~8.0 MeV produces 4He and 12C with energies about 675 and 225 keV, respectively, flying back-to-back, which aids the positive identification of this channel. The detection of such low-energy nuclear fragments are challenging, so the main problem we tried to solve during this dissertation is to come up with a new detector system called Low-Pressure Multi-Wire Proportional Chamber (LPMWPC) active target to register low-energy, highly-ionizing particles. The dissertation is devoted to the development and testing of an oxygen-active target for low energy nuclear reaction studies. It is a position and time-sensitive detector system based on the low-pressure MWPC technique and Si detectors. The few Torr pressure of methylal ((OCH3)2CH2) serves as working gas for the MWPC operation, and in addition, the oxygen atoms of the methylal molecules serve as an experimental target. The main advantage of this new target-detector system is a high sensitivity to the low-energy, highly ionizing particles, produced after photodisintegration of 16O, and insensitivity to γ-rays and minimum ionizing particles, thus allowing us to detect only the products of the nuclear reaction of interest. The threshold energy for the detection of α particles and 12C nuclei are about 50 keV and 100 keV, respectively. Timing and position resolution of low-pressure MWPC modules were investigated using an α-particle source and fission fragments in laboratory conditions, as well as, using bremsstrahlung photon beam from 20 MeV electron beam. Design and develop LPMWPC capable of registering low-energy highly-ionizing particle, and simultaneously be insensitive for minimum-ionizing high energy particles and gamma-rays. Test in the laboratory conditions, find optimal parameters for the detector to obtain acceptable timing and position resolution to investigate reactions which are important for nuclear astrophysics. Proof that the detector system is capable of operating in high-intensity beams. Implement new methods for signal registration, data collection, and analysis. Measure the ionization loses of alpha particles in the methylal gas. The developed active target detector system is proposed to use to: Study of the cluster states in 16O using proton beams from the Yerevan proton cyclotron and laser Compton backscattered photon beams at the ELI-NP facility. Measure the 16O(γ,α)12C cross section at HIγS (High-Intensity Gamma-Ray Source) with a Low-Pressure MWPC based Active Target. Study of the decay pion spectroscopy of light hypernuclei at electron and proton-beam facilities, using the recoil distance technique for separation of produced hypernuclei and a magnetic spectrometer for precise measurement of the decay pion momentum. Measure the ionization energy losses of low-energy alpha particles for different gases: The main parameters of LPMWPC are: High rate capabilities (few. MHz) Low registration efficiency (<10-4 for single MWPC unit) against the minimum ionizing particles Good time resolution ~450 psec Good coordinate resolution ~1mm High registration efficiency (~100%) for low-energy nuclear fragments Minor effect on the fragment energy (fragment moves approximately with a constant speed inside the detector) There are currently two experimental approaches under consideration for measurement of the inverse 16O(γ, α)12C reaction, which is more accessible than the direct 12C(α, γ)16O reaction. One is based on the bubble chamber technique and a bremsstrahlung photon beam; the other employs an Optical Time Projection Chamber (O-TPC) and a Laser Compton Backscattered (LCB) γ-ray beam. Both methods are very sensitive to the background. The proposed method is based on two technologies: an active target based on low-pressure MWPCs, and a gamma-ray beam from backscattering of laser photons from several hundred MeV electrons. The latter produces an intense monochromatic gamma-ray beam with small angular divergence (<2 × 10−4 rad). Methylal ((OCH3)2CH2) and hexane (C6H14), at a pressure of a few Torr, serve as the filling gases for the operation of the MWPCs. Operation with hexane is intended for evaluation of the background from carbon nuclei in methylal. The proposed active-target system employs a gas pressure of 3–9 Torr to detect low-energy nuclear fragments and determine their trajectories and velocities. The low pressure renders it very insensitive to minimum ionizing particles and γ-rays, but the disadvantage of this is low luminosity due to the small density of the target. Laser backscattering delivers a highly-directed, pencil-like photon beam so that this drawback can be mitigated by using a multimodular active-target system with sufficient total length to provide the necessary luminosity for the experiment. For example, at ELI-NP, the angular divergence of the LCB γ-ray beam is expected to be less than 2 × 10−4 rad, which means that over a 10 m distance the transverse size of the beam will increase by only 2 mm. Therefore, the active-target system could, in principle, consist of a stack of some hundreds of modules with a total length equal to 10 m. The dissertation consists of an introduction, five chapters, conclusion, and the table of content; In this section, a brief history of nuclear astrophysics is discussed. A process of the synthesis and evolution of chemical elements is presented. We also discuss the mystery of Hoyle state, how it helped to solve the problem of Carbon production out of 3 Helium nuclei and how it is important for life as we know it. Moreover, we give a short review of various models that can explain the true nature of Hoyle excitation energy. Namely, the review of the first solely theoretical calculations of Hoyle state performed by E. Epelbaum using Lattice Monte Carlo simulation and Weinberg’s approach - the quark-gluon theory - for nuclear interaction, was presented. Also, a short description of ongoing experiments is presented. Nuclear reaction rates play a critical role in the understanding of stellar evolution and explosions. However, in many cases, nuclear reaction rates still carry large uncertainties due to the paucity of experimental data and incomplete theoretical understanding of the underlying reaction mechanisms. New experimental methods and techniques, combined with the development of new theoretical tools, have exposed fresh avenues to pursue nuclear reactions of significance for nucleosynthesis at, or near, the actual temperatures of stellar burning. Nuclear astrophysics has entered a period characterized by unprecedented demands for new information and for improved accuracy. This challenge is being driven by the quality and breadth of current observational data, a direct consequence of impressive advances in observational technology. This thesis provides an overview of the most critical nuclear reactions for a number of nucleosynthesis environments and suggests some new methods to overcome the difficulties from an experimental point of view. In this chapter, we present the overall overview of gaseous detectors, proportional chambers and low-pressure Multi-Wire Proportional Chambers (MWPCs). The LPMWPC is a proportional counter with three electrodes (two cathodes and one anode) having parallel-plane symmetry. The operational mechanism of the LPMWPC combines the principles of a regular multiwire proportional chamber (MWPC) and a parallel-plate avalanche counter (PPAC). MWPCs that operate at normal gas is not suitable for time measuring, because their time resolutions are typically on the order of several tens of nanoseconds. This is due to the long drift time of electrons, released in the sensitive volume towards the sense wire, where amplification occurs. The first measurements at low pressure (P =3 Torr) have shown that a time resolution of about 2.5 ns (FWHM) could be reached with 5.5 MeV α-particles. This result was simply attributed to a faster drift time at higher reduced fields. Further investigations have clearly shown that the amplification mechanism at low pressure is entirely different. The LPMWPC modules were designed, prepared and developed in AANL and Yerevan Telecommunication Research Institute. The detector module consists of two wired-cathode and three wired-anode plates stacked on top of each other. The electrodes are made of G10 (epoxy) with a thickness of 3 mm, which is also the plane spacing. Диссертация посвящена разработке и испытанию кислородно-активной мишени для исследований низкоэнергетических ядерных реакций. Это система детекторов, чувствительное к положению и времени частиц, которая основана на МПКНД (Мульти-проволочной Пропорциональной Камере Низкого Давления) и кремниевом детекторе. Рабочим газом для МПКНД служит метилаль ((OCH3) 2CH2) при давлении несколько торр, а атомы кислорода в молекуле метилаля служат в качестве экспериментальной мишени. Основным преимуществом этой новой системы мишени-детектора является высокая чувствительность к низкоэнергетическим сильно ионизирующим частицам, образующимся после фоторасщепления 16O, и невосприимчивость к γ-лучам и слабо ионизирующим частицам, что позволяет регистрировать только продукты представляющей интерес ядерной реакции. Пороговые энергии обнаружения α-частиц и ядер 12C составляют около 50 кэВ и 100 кэВ соответственно. Основные результаты которые мы получили для МПКНД: Высокая производительность и скорость (~ МГц) Низкая эффективность регистрации (<10-6) фона гамма-лучей и релятивистских частиц Хорошее разрешение по времени ~ 450 пс Хорошее координатное разрешение ~ 1 мм Высокая эффективность (~ 100%) для регистрации ядерных фрагментов Незначительное влияние на энергию фрагмента (фрагмент движется с постоянной скоростью внутри детектора) В рамках диссертации была проведена следующая работа: Детектор был испытан в лабораторных условиях, были найдены оптимальные параметры (для получения оптимальное временное и координатное разрешение для исследования реакций, важных для ядерной астрофизики). Детекторная система также была проверена на ускорителе, доказывая что детекторная система способна работать в пучках высокой интенсивности и нечувствительна к низкоионизирующих частиц Были измерены ионизационные потери альфа-частиц в метилальном газе. Было исследовано кластерная состояние в 16O с энергией 15,1 МэВ с использованием протонных пучков на Ереванском протонном циклотроне и лазерных комптоновских пучков обратного рассеяния на ELI-NP. Было предложено измерить поперечное сечение 16O(γ, α)12C на HIγS (источник гамма-излучения высокой интенсивности). А такж была предложено исследование спектроскопии распадающихся пионов легких гиперядер на электронных и протонных пучках с использованием метода расстояния отдачи для разделения образующихся гиперядер и магнитного спектрометра для точного измерения импульса распадающегося пиона. Новые методы были реализованы для регистрации сигналов, сбора и анализа данных. Ատենախոսությունը նվիրված է ցածր էներգիայի միջուկային ռեակցիաների ուսումնասիրության համար պատրաստված թթվածնի ակտիվ թիրախի մշակմանը, փորձարկմանը և կիրառություններին: Ակտիվ թիրախը դետեկտորային համակարգ է, որը hնարավորություն է տալիս չափել անցնող մասնիկի կորդինատը եւ ժամանակի։ Այն հիմնված է ՑՃԲՀԽ-ների (Ցածր Ճնշման Բազմալար Համեմատական Խցիկ) եւ սիլիկոնային դետեկտորի վրա: ՑՃԲՀԽ-ն համար որպես աշխատանքային գազ է ծառայում մեթիլալ ((OCH3) 2CH2) գազը, որը գտնվում է մի քանի Տորր ճնշման տակ, իսկ մեթիլալի մոլեկուլում գտնվող թթվածնի ատոմները ծառայում են որպես փորձարառական թիրախ: Այս նոր դետեկտոր-թիրախային համակարգի հիմնական առավելությունն այն է, որ այն կարող է գրանցել ցածր էներգիաների բարձր իոնիզացիա ունեցող մասնիկներին, որոնք առաջանալու են թթվածնի ֆոտոճեղքման ռեակցիայից։ Այն նաև չափազանց անզգայուն է գամմա ճառագայթների և մինիմում իոնիզացնող մասնիկների նկատմամբ, որը թույլ կտա գրանցել անմիջապես միջուկային ռեակցիայի արգասիքները: α-մասնիկների եւ 12C միջուկների գրանցման շեմային էներգիաները, համապատասխանաբար, կազմում են 50 կէՎ եւ 100 կէՎ: ՑՃԲՀԽ-ի համար ստացված հիմնական արդյունքներն են՝ Բարձր արագագործություն (~ ՄՀց) Գամմա ճառագայթների եւ ռելատիվիստական մասնիկների ֆոնի նկատմամբ ցածր գրանցման էֆեկտիվություն (<10-6) Լավ ժամանակային լուծունակություն ~450 պկվ Լավ կոորդինատային լուծունակություն ~1 մմ Բարձր արդյունավետություն (~100%) միջուկային ֆրագմենտների գրանցման համար Փոքր ազդեցություն մասնիկի էներգիայի վրա (մասնիկը շարժվում է գրեթե անփոփոխ արագությամբ դետեկտորի ներսում) Ատենախոսության ընթացքում կատարվել են հետեւյալ աշխատանքները՝ Դետեկտորը փորձարկվել է լաբորատոր պայմաններում, գտնվել են օպտիմալ պարամետրերը (ժամանակ եւ կոորդինատի լուծունակության ընդունելի արժեքներ՝ միջուկային աստղաֆիզիկայում կարևոր ռեակցիաներ ուսումնասիրելու համար): Դետեկտոր-համակարգը նույնպես փորձարկվել է Երևանի Ֆիզիկայի Ինստիտուտում գտնվող ինժեկտորային արագացուցչի վրա` ապացուցելով, որ այն կարող է գործել բարձր ինտենսիվությամբ փնջի տակ։ Ցույց է տրվել որ այն անզգայուն է փնջի ֆոնի մասնիկների նկատմամբ: Կիրառվել են նորագույն մեթոդներ տվյալների հավաքման և մշակման համար։ Կատրավել է մեթիլային գազի մեջ ալֆա մասնիկների իոնացման կորուստների չափում: Առաջարկվել է ուսումնասիվել 16O միջուկի կլաստերային վիճակերը 15.1 ՄէՎ էներգիական տիրույթում՝ օգտագործելով Երևանի պրոտոնային ցիկլտրոնի փունջը եւ ELI-NP-ի հետցրված լազերային կոմպտոնային փունջը։ Առաջարկվել է չափել 16O(γ, α)12C ռեակցիայի կտրվածքը HIγS- ում (բարձր ինտենսիվության գամմա ճառագային փունջ)։ Ինչպես նաև առաջրակվել է իրականացնել թեթև հիպերմիջուկների համար տրոհված պիոնների սպեկտրոսկոպիա, էլեկտրոնային և պրոտոնային փնջերի վրա՝ օգտագործելով հետցրված մասնիկների հեռավորության չափելու տեխնիկան՝ առաջացած հիպերմիջուկներին առանձնացելու համար, և մագնիսական սպեկտրոմետր՝ տրոհված պիոնի ճշգրիտ իմպուլսի որոշման համար։ Կիրառվել են նորագույն մեթոդներ տվյալների հավաքման և մշակման համար։ Գրանցիչ համակարգի հիմնական թերությունը դա ցածր լուսատվությունն է՝ պայմանավորված թիրախաի ատոմների ցածր խտությամբ:

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Թթվածնային ակտիվ թիրախ ցածր էներգիական միջուկային ռեակցիաների ուսումնասիրության համար: Кислородная активная мишень для исследований низкоэнергетических ядерных реакций.
      Uncontrolled Keywords: Խաչատրյան Վաչիկ Հրաչյայի
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 05 Oct 2019 12:52
      Last Modified: 04 Nov 2019 09:08
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/10698

      Actions (login required)

      View Item