Determination of ¹¹⁸Sn(p,γ)¹¹⁹Sb cross-section at astrophysical energies from X-ray emission yields

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Xarepe, Manuel António Tavares
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/48417
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021
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spelling Determination of ¹¹⁸Sn(p,γ)¹¹⁹Sb cross-section at astrophysical energies from X-ray emission yieldsMétodo de activaçãoEspetroscopia de raio-XEspetroscopia de retrodispersão de rutherfordSimulações de Monte CarloReação de captura radiativaTeses de mestrado - 2021Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado integrado em Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021Neste trabalho é determinada, experimentalmente, a secção eficaz da reação 118Sn(p,γ)119Sb através do Método da Ativação. Neste método são, normalmente, medidos os espetros de emissão-γ do declínio radioativo do produto da reação, determinando-se a partir da intensidade dos picos a sua atividade. Estes, por sua vez, relacionam-se diretamente com a secção eficaz. No entanto, nem sempre é possível aplicar este método, uma vez que alguns produtos de reação decaem, por captura eletrónica, diretamente para o estado fundamental do isótopo descendente, sem nenhuma emissão-γ associada ou então decaem para estados nucleares excitados com baixa probabilidade de emissão. Para estes casos foi proposto, recentemente, a medição de emissão de raios-X resultante da desexcitação atómica associada ao processo de captura eletrónica (que cria uma lacuna nas camadas atómicas internas). O objetivo principal deste trabalho é validar o Método de Ativação com base na análise da espetrometria de raios-X. O produto de reação, o isótopo 119Sb, tem a propriedade de decair por captura eletrónica, dando origem à emissão-γ de ∼23.9 keV e emissões de riscas Kα e Kβ com energias de ∼25.1 keV e ∼28.4 keV, respetivamente. Isto permite obter simultaneamente os espetros de emissão-γ e das riscas atómicas K com detetores calibrados para a mesma região de energias. Assim, comparando a secção eficaz obtida pela medição das intensidades dos picos de emissão-γ e das riscas K, podemos validar ou não o método. Tendo este objetivo em mente, o trabalho foi dividido em quatro etapas: a produção e caracterização de um alvo de estanho natural, a ativação dos alvos com um feixe protões, a aquisição dos espetros do decaimento radioativo dos alvos, e a análise dos dados. Na primeira etapa foram produzidos varios alvos de estanho natural utilizando a técnica de evaporação em vácuo, no laboratório NUC-RIA do LIP, situado na FCUL. Este estudo foi de grande importância, pois foi a primeira vez que foram produzidos alvos de estanho neste laboratório e era necessário validar a metodologia, de forma a garantir a produção futura de alvos altamente enriquecidos com 118Sn. Alvos finos (com aproximadamente 45 μg/cm2) foram evaporados sobre um suporte de alumínio e alvos mais grossos (com aproximadamente 432 μg/cm2) sobre um suporte de cobre. Ao variar a quantidade de estanho no ”barco” da evaporadora era possível controlar a espessura. Os resultados são promissores, uma vez que foi possivel produzir alvos homogéneos de várias espesssuras. Os alvos foram caracterizados através de duas técnicas distintas: a medição da perda de energia de partículas-α ao atravessarem o alvo e a retrodispersão de Rutherford (RBS) de protões. Os espetros de perda de energia das partículas-α foram medidos numa câmara de vácuo associada a um detetor PIPS, existente no laboratório de Física Nuclear da FCUL. Os resultados obtidos mostram que o sistema permite medir a espessura de alvos finos, mas as incertezas associadas são demasiado elevadas. De facto, os valores obtidos são da mesma ordem de grandeza dos obtidos por RBS, utilizando o Van de Graaff do Laboratório de Aceleradores e Tecnologias de Radiação (LATR) do CTN/IST. Na segunda etapa, os alvos foram depois activados usando o Tandem de 3 MV do LATR. O alvo no suporte de alumínio foi activado com um feixe de protões com energia nominal de Ep = 3.66 MeV e o alvo no suporte de cobre foi activado com um feixe de protões com energia nominal de Ep = 3.29 MeV. Em ambos os casos a ativação foi bem sucedida: o feixe manteve-se estável durante cerca de 11 horas e a espessura do alvo constante. Em ambas as irradiações adquiriram-se espetros de RBS utilizando dois detetores PIPS existentes na câmara de irradiação. Na terceira etapa procedeu-se à aquisição dos espetros recorrendo a dois detetores SDD, comumente utilizados na espetroscopia por fluorescência de raios-X. Os alvos foram transportados do CTN para a estação de medição na FCUL e procedeu-se à aquisição dos espetros em intervalos de 30 minutos, durante 10 dias. O processo de aquisição de dados foi totalmente automatizado. Na quarta etapa começou-se por fazer uma caracterização da função de resposta dos detetores SDD. Para isso determinou-se a resolução em função da energia dos dois detetores utilizados nas aquisições e implementaram-se simulações de Monte Carlo para determinar as respetivas eficiências. Estas simulações tiveram em conta as características físicas dos vários componentes dos detetores (dimensões e materiais) bem como da fonte: primeiro fontes pontuais e depois fontes extensas num suporte, representativas dos alvos ativados. Os espetros de contagens acumuladas em função do tempo foram corrigidos, com as funções de resposta simuladas, de modo a obtermos a intensidades dos picos de emissão. Uma grande desvantagem da utilização de emissões de raios-X no método de ativação é que estes são característicos do átomo. Assim, um alvo de estanho natural consiste em vários isótopos estáveis deste elemento, que dão origem a diferentes produtos com as mesmas emissões de raios-X característicos. No entanto, se os limiares de reação para os diferentes isótopos ou se os tempos de semi-vida dos produtos radioactivos forem suficientemente diferentes, é possível distinguir o contributo de cada uma delas. Depois de feita alguma análise, concluiu-se que para estanho natural a única componente não desejada seria a contribuição do decaimento de 117Sb que, por ter um tempo de semi-vida bastante diferente do decaimento de 119Sb, é possível corrigir. Após remover a contribuição do decaimento de 117Sb calcularam-se as razões de intensidades Kα/Kβ e Kα/γ, que foram comparadas com os valores tabelados na literatura. Relativamente à razão Kα/γ, obtiveram-se os valores de 3.6±0.3 para ambas as ativações, o que está de acordo com o valor tabelado de 3.6 ± 0.1. As secções eficazes foram determinadas através do método absoluto e do método relativo. No método absoluto consideram-se os valores medidos experimentalmente do fluxo de protões incidentes, da densidade superficial do alvo, e da intensidade dos picos de emissão. No método relativo eliminou-se a dependência no fluxo dos protões incidentes e na densidade superficial do alvo, utilizando as contagens de protões obtidas a partir dos espetros de RBS adquiridos durante as irradiações. Para a reação 118Sn(p,γ)119Sb obtivemos, pelo método absoluto, os valores de 1.6±0.3 mbarn para a ativação de Ep = 3.66 e de 0.27±0.01 mbarn para a ativação de Ep = 3.29 MeV. Os resultados obtidos, a partir da análise dos picos de emissão-γ e das riscas Kα, são idênticos dentro da barra de incerteza. No método relativo, para a energia de Ep = 3.66 MeV, obtivemos os valores de 1.3 ± 0.1 mbarn, a partir do pico de emissão-γ e de 1.31 ± 0.08 mbarn, a partir das riscas Kα. Para a energia de Ep = 3.29 MeV, os valores obtidos foram de 0.27 ± 0.02 mbarn para o pico de emissão-γ e idêntico, dentro da incerteza, para o cálculo utilizando a risca Kα. A consistência entre os valores obtidos mostra que, mesmo utilizando estanho natural, o Método de Ativação pode ser aplicado medindo o espetro de raios-X. No entanto, para a energia de Ep = 3.66 MeV, obteve-se uma diferença significativa das secções eficazes determinadas pelos dois métodos. Esta diferença pode ser justificada pelo cancelamento das dependências no fluxo incidente de protões e na espessura dos alvos quando se aplica o método relativo. Esses dois parâmetros foram particularmente afetados pelas incertezas de medição a esta energia. Este resultado mostra que o método relativo é mais robusto a erros nas medições do fluxo incidente e da espessura dos alvos, resultando em menores incertezas do que o método absoluto. Os métodos absoluto e relativo não são exclusivos, pois é possível aplicar os dois métodos na mesma irradiação, desde que os espetros de RBS sejam adquiridos. No nosso estudo também analisámos a reação 116Sn(p,γ)117Sb que ocorre na irradiação do estanho natural às energias utilizadas. Ao contrário da reação 118Sn(p,γ)119Sb, a secção eficaz desta reação já foi medida anteriormente, o que nos permitiu validar as nossas medidas e análise dos dados. De facto, a secção eficaz desta reação obtida pelo método relativo a Ep = 3.66 MeV, é de 0.7 ± 0.1 mbarn, o que está em muito bom acordo com os valores obtidos por N. Özkan et al em 2002 e Famiano et al. em 2008. Dando continuação a este trabalho, propomos que as próximas etapas a realizar sejam o estudo da ativação com um alvo altamente enriquecido em 118Sn. Neste estudo, várias outras melhorias deverão ser consideradas, nomeadamente, correções no detector colocado no interior da câmara que mede o fluxo de protões incidentes, a produção de um suporte para o alvo activado durante a aquisição e melhoramentos no sistema de medição de espessura por perda de energia no alvo. A ativação do alvo deve também ser realizada para mais pontos de energia, a fim de extrair a dependência energética da secção eficaz e consequentemente do fator-S astrofísico.The stellar synthesis of elements heavier than Fe is explained by slow (s) and rapid (r) neutron capture processes, involving explosive events (e.g. supernovae and kilonovae). However, about 35 proton-rich naturally occurring isotopes between Se and Hg cannot be produced by neutron capture processes. The reaction network for the production of the so-called p-nuclei combines (γ, n) and (p, γ) reactions on preexisting s- and r-process seed nuclei. In this work, the Activation Method is used to measure for the first time the cross-section of the radiative proton capture reaction 118Sn(p,γ)119Sb. The γ-emission associated to the electron capture to the excited state of 119Sb will be used to validate the method. To do this, several targets of natural tin of various thicknesses were produced using different backings. This targets were characterized using two different methods, Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and Energy-Loss Transmission method. Two of the characterized tin targets were then activated using different proton beam energies (3.66 MeV and 3.29 MeV). The decay acquisition was done at FCUL using two SDD detectors, placed in close geometry. The response functions of the detectors were fully characterized by means of Monte Carlo simulations, and the data acquisition and analysis was fully automatized. The detector response was also simulated using as input the emission spectrum of the Sn K-lines from MCDF method calculations. The contribution of 117Sb, produced in the proton capture reaction on 116Sn, was deconvoluted from the reaction of interest in the accumulated spectra. The 117Sb decay was the only contribution from other isotopes that was not negligible. This resulted in Kα/γ intensity ratios from the decay in agreement with the literature value. The cross-sections for both 118Sn(p, γ)119Sb and 116Sn(p, γ)117Sb reactions were calculated using two methods: the absolute method and the relative method. In the absolute method, it is necessary to know precisely the incident proton flux and the target thickness, while in the relative method, the number of backscattered protons was measured, eliminating the dependence on these two parameters. In both methods, the difference between the cross-sections obtained using the Kα-line and the γ-emission yields was negligible. Concluding this way that it is valid to use X-ray yields to calculate the 118Sn(p, γ)119Sb. However, there is a difference of about 16-18 % between the calculated values with absolute and relative methods at 3.66 MeV. This difference can be justified by the fact that the relative method cancels out any dependencies in the incident proton flux and thickness. The cross-section values obtained using either method are in the same order of magnitude as the ones given by TALYS code calculations, and the 116Sn(p, γ)117Sb reaction cross-sections are in good agreement with the experimental values obtained by N. Özkan et al. in 2002 and M. Famiano et al. in 2008. These results imply that even using a natural tin target, the calculated cross-section values for the 118Sn(p, γ)119Sb reaction are close to the real values. All these results are of extreme importance as they showed that it will be possible to produce and activate a highly enriched target of 118Sn to calculate the Cross-section.Sampaio, Jorge MiguelRedondo, Daniel GalavizRepositório da Universidade de LisboaXarepe, Manuel António Tavares2021-06-08T16:59:15Z202120202021-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/48417TID:202692744enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:51:49Zoai:repositorio.ul.pt:10451/48417Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:00:19.185095Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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