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Publicação
Assembly and commissioning of a high rate plastic scintillation detector for fission isomer studies
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
O trabalho descrito nesta tese centra-se na montagem e estudo do detetor de tiras cintilantes desenvolvido
visando medir os tempos de vida de isómeros de fissão. Este estudo foi realizado no âmbito da experiência
S182 da colaboração NUSTAR (NUclear STructure, Astrophysics and Reactions), no GSI Helmholtz
Centre for Heavy Ion Research em Darmstadt, Alemanha, uma instituição de renome na área da física
nuclear de alta energia.
Este detetor é composto por uma série de cintiladores feitos de plástico de dimensões reduzidas, cada
um medindo 20 cm x 4,5 cm, com uma espessura que varia entre 0,5 mm e 1 mm. A principal função
deste detetor é associar a identificação de partículas realizada pelo separador de fragmentos com a deteção
de eventos de fissão implantados. Dessa forma, o detetor possibilita a medição precisa dos tempos de
meia-vida de isómeros de fissão até agora desconhecidos. Além do detetor de implantação, Implanter,
também foram construídos mais dois detetores, denominados Veto1 e Veto2, que desempenham funções
essenciais na supressão de ruído e na deteção de partículas pesadas e leves, respetivamente.
Durante o período de seis meses de trabalho no GSI, todo o sistema de deteção e aquisição de dados
foi preparado e testado com o intuito de estar pronto para a experiência S182, prevista a acontecer em
junho de 2024. Esta experiência tinha como intuito a deteção de fragmentos de fissão provenientes dos
isómeros de fissão 236fU e 238fNp. Contudo, devido a problemas técnicos no íman de extração lenta do
acelerador SIS18, não foi possível realizar a experiência conforme planeado, o que resultou na ausência de
dados experimentais relativos aos isómeros de interesse. Apesar deste contratempo, foi possível recolher
dados relevantes durante o feixe de partículas do FRS, permitindo a caracterização da resolução temporal e espacial do nosso detetor. Os resultados obtidos mostraram-se bastante promissores, reforçando a
viabilidade do uso deste detetor no próximo ano para estudos avançados de isómeros de fissão no âmbito
da experiência S182.
A introdução desta tese aborda os conceitos teóricos fundamentais utilizados no trabalho, como núcleos exóticos, o processo de fissão nuclear e as barreiras de potencial que os núcleos têm de ultrapassar
para ocorrer fissão nuclear. Além disso, discute-se a motivação subjacente ao uso do sistema de implantação descrito na experiência S182 e em investigações futuras, com ênfase na relevância de medições
precisas dos tempos de meia vida de isómeros de fissão.
Nesta tese, são introduzidos os conceitos necessários à produção de feixes radioativos, assim como
os detetores e métodos usados, pela equipa do separador de fragmentos do GSI, para a identificação das
partículas. A formação de feixes radioativos baseia-se na colisão de um feixe primário de alta energia
com um alvo, gerando fragmentos secundários posteriormente selecionados pelo separador de fragmentos
conforme a sua razão massa/carga (A/Z). A identificação de partículas é feita utilizando uma série de detetores ao longo da linha de feixe, incluindo câmaras de iões para medir a energia perdida pelas partículas
ao longo do seu percurso, Multi-Sampling Ionization Chamber (MUSIC), detetores gasosos para medição
da posição de partículas, Time Projection Chamber (TPC), e sistemas de medição do tempo de voo das
partículas. Estes sistemas são calibrados usando o feixe primário, assegurando que os parâmetros de identificação estejam ajustados corretamente para distinguir diferentes isótopos. Para a experiência S182, foi
necessário calibrar meticulosamente os detetores da linha de feixe, usando como feixe primário 238U.
Para além disto, foi feita a simulação de parâmetros como a espessura dos degraders, a abertura das
slits, e os ajustes no campo magnético (Bρ) a usar na experiência S182. Esta simulação foi realizada
utilizando o “software” LISE++, uma ferramenta que permite a simulação das trajetórias dos iões. Este
processo permitiu otimizar a desaceleração dos iões de interesse, 236U e 238Np, garantindo que esses fragmentos fossem adequadamente identificados e detetados no Implanter. Esta ferramenta permitiu ainda visualização do alcance dos iões de interesse no nosso detetor.
A montagem do detetor Implanter foi um processo delicado e técnico, exigindo diversos ajustes
nos fotomultiplicadores para garantir uma resposta eficiente em altas taxas de eventos. Para isso, foi
necessário desenvolver circuitos específicos para aplicar boost voltages aos três últimos díodos dos foto-multiplicadores, aumentando assim a sensibilidade do detetor e permitindo uma deteção mais eficaz dos
eventos de fissão. Além disso, todo o sistema de aquisição e processamento de dados para a experiência
S182 foi desenvolvido com cuidado, utilizando um multi-hit TDC (Time-to-Digital Converter), modelo
V1290, e um digitizador, modelo V1742. Este sistema de aquisição foi testado extensivamente usando
fontes radioativas e durante o tempo de feixe.
Foram realizados testes “offline” utilizando uma fonte de 252Cf, cujo núcleo decai a través da emissão de alfa e fragmentos de fissão. Nesses testes, foi possível detetar amplitudes tanto de partículas alfa
quanto de fragmentos de fissão, permitindo uma análise detalhada da resposta dos fotomultiplicadore
R6427s. Em adição, estes testes foram fundamentais para a caracterização do fator de quenching para
os fragmentos de fissão e partículas alfa, fatores essenciais para a correta interpretação dos dados experimentais que serão coletados no futuro. Os fatores de quenching obtidos com o range dos iões simulado
em LISE++, permitiu-nos estimar o rácio entre as amplitudes dos iões e dos respetivos fragmentos de
fissão, sendo este um fator importante para a otimização do sistema de aquisição de dados, evitando a
saturação do mesmo.
Adicionalmente, foi realizado um teste ”online” utilizando o feixe primário 238U, no qual foi testada a
qualidade do sinal detetado pelas placas cintilantes do Implanter assim como foi caracterizada a resposta
dos fotomultiplicadores R4998.
Estes testes em conjunto foram essenciais para a otimização de diversos parâmetros dos módulos
eletrónicos utilizados no sistema de dados da experiência S182: como os ajustes no “threshold” do discriminador (Constant Fraction Discriminator(CFD)), o ganho dos pré-amplificadores, e o tempo de integração do QTC (Charge-to-Time Converter).
Paralelamente, foi criado um código usando a ferramenta de análise ”online”, Go4. Esta ferramenta
permitiu o processamento e análise inicial dos dados coletados, permitindo retirar conclusões relativas
aos eventos observados durante o tempo de feixe.
Durante testes feitos pela equipa do separador de fragmentos aos detetores usando o feixe primário
238U, foram recolhidos dados usando o nosso detetor, que permitiram calcular com precisão as resoluções
temporal e espacial deste. A resolução temporal obtida foi de 20,9 ps, enquanto a resolução espacial foi
de 3,2 mm. Estes resultados demonstram que o detetor tem um desempenho excelente para os objetivos
da experiência S182 e indicam que este sistema de implantação está altamente preparado para estudos
futuros na instalação FAIR, onde a precisão nas medições de tempo e posição será crucial para o sucesso
das experiências.
Em suma, a montagem e caracterização do sistema de implantação revelaram o seu grande potencial para estudos de eventos de fissão em isómeros raros. Apesar dos contratempos que impediram a
realização da experiência S182, os testes realizados validaram tanto a funcionalidade quanto a precisão
do sistema, que estará completamente pronto para ser utilizado em futuras experiências. Além disso,
a experiência adquirida com o desenvolvimento deste detetor e do sistema de aquisição de dados será
de grande valor em futuras implementações em grandes instalações de investigação como o FAIR, onde
medições precisas de fragmentos de fissão e isómeros são esperadas em ambientes de alta taxa de eventos.
Com este trabalho, foram dados passos significativos no desenvolvimento de tecnologias avançadas
para a deteção de isómeros de fissão, contribuindo diretamente para o progresso na compreensão de
processos fundamentais em física nuclear e abrindo novas oportunidades para descobertas em instalações de investigação de ponta como o FAIR. A precisão e a robustez do sistema de implantação como sistema
de deteção de alto desempenho posicionam-no como uma ferramenta para futuras investigações no campo
da física nuclear, onde medições de alta precisão são cada vez mais necessárias.
The ‘island’ of fission isomers identified in the actinide region (Z = 92 - 97, N = 141- 151) originates from multi-humped fission barriers, which can be described as the result of superimposing microscopic shell corrections to the macroscopic liquid drop barrier. The goal of this Master’s Thesis is to assemble and commission a high-rate plastic scintillator detector for fission isomer studies. The commissioning is planned to be done in the context of the GSI experiment S182, the main goal of which is to explore the production of the fission isomers 236fU and 238fNp with the 238U projectile fragmentation. The detector consists of three fast plastic scintillator strips, each with an active area of 200×34 mm2 . The thickness of the strips can be 1 mm or 0.5 mm, depending on the experimental requirements. Each strip is directly coupled to two photomultiplier tubes (PMTs) as readout. To maintain a good performance at high rates, boost voltages were prepared for the last three dynodes of the PMTs. After the assembly, offline tests with a 252Cf radioactive source and online tests using the primary beam 238U were performed to optimize the detector and DAQ system. LISE++ simulations were performed to optimize the FRS settings and to estimate the expected amplitude ratio between the implantation and decay signals in the S182 experiment. The online commissioning was done with heavy ion beams at the fragment separator (FRS) at GSI, Darmstadt. A time resolution of 20.9 ps (σT ) and a position resolution of 3.2 mm (σP ) were obtained with the presently developed detector. Such good performance makes it suitable for the S182 experiment in 2025 for fission isomer studies at the FRS.
The ‘island’ of fission isomers identified in the actinide region (Z = 92 - 97, N = 141- 151) originates from multi-humped fission barriers, which can be described as the result of superimposing microscopic shell corrections to the macroscopic liquid drop barrier. The goal of this Master’s Thesis is to assemble and commission a high-rate plastic scintillator detector for fission isomer studies. The commissioning is planned to be done in the context of the GSI experiment S182, the main goal of which is to explore the production of the fission isomers 236fU and 238fNp with the 238U projectile fragmentation. The detector consists of three fast plastic scintillator strips, each with an active area of 200×34 mm2 . The thickness of the strips can be 1 mm or 0.5 mm, depending on the experimental requirements. Each strip is directly coupled to two photomultiplier tubes (PMTs) as readout. To maintain a good performance at high rates, boost voltages were prepared for the last three dynodes of the PMTs. After the assembly, offline tests with a 252Cf radioactive source and online tests using the primary beam 238U were performed to optimize the detector and DAQ system. LISE++ simulations were performed to optimize the FRS settings and to estimate the expected amplitude ratio between the implantation and decay signals in the S182 experiment. The online commissioning was done with heavy ion beams at the fragment separator (FRS) at GSI, Darmstadt. A time resolution of 20.9 ps (σT ) and a position resolution of 3.2 mm (σP ) were obtained with the presently developed detector. Such good performance makes it suitable for the S182 experiment in 2025 for fission isomer studies at the FRS.
Descrição
Tese de Mestrado, Engenharia Física, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Cintilador de plástico Tubos fotomultiplicadores Resolução temporal Resolução espacial Isómeros de fissão Teses de mestrado - 2024