Коинцидентне методе за анализу временских карактеристика нуклеарних процеса

Abstract

У докторској дисертацији приказани су резултати развијених и примењених коинцидентних метода за временску анализу нуклеарних процеса. Експериментални коинцидентни системи засновани су на HPGe и пластичним сцинтилационим детекторима. Извршена су три експеримента, која су показала примењивост развијених коинцидентних система. Први део експерименталног дела обухвата анализе временских варијација интензитета космичког зрачења посредством нискоенергијских фотона. Показано је да се праћењем интензитета нискоенергијских фотона у току времена у различитим енергијским регионима остварује бољи увид у анализу фонских догађаја, стварајући предуслове за извођење експеримената који трагају за ретким нуклеарним процесима. Поред праћења временских варијација интензитета, метода се може применити и на детекцију периодичних и апериодичних догађаја повезаних са активношћу Сунца. Други део дисертације обухватао је истраживања везана за детекцију потенцијалних флуктуација константе распада 22 Na. Развијен је коинцидентни систем и у току времена је праћен интензитет анихилационе линије, која је резултат анихилације позитрона емитованог распадом 22Na. За време трајања аквизиције података, нису пронађена значајна одступања испитиване константе распада од стандардног експоненцијалног закона радиоактивног распада. У трећем делу експерименталног рада, приказана је коинцидентна метода за временско раздвајање догађаја индукованих мионима и неутронима у околини детекторског система. Добијена је временска крива у експерименту и извршена је детаљна анализа различитих временских региона. Извршене су Монте Карло симулације, на основу којих је добијена временска крива. Анализом различитих региона симулиране временске криве, показано је да се ови догађаји могу раздвојити у две велике групе–брзе и споре догађаје. Међу спорим догађајима, показано је да се може направити разлика између догађаја индукованих мионима, међу којима доминира анихилација, и догађаја индукованих неутронима, који спадају у закаснеле догађаје у групи спорих догађаја. Добијено је да неутрони највише доприносе нискоенергијском региону, првенствено у региону до ≈50 keV, што их чини нежељеном кариком фонских догађаја у експериментима који трагају за ретким нуклеарним догађајима. На основу резултата симулација, анализирани су електромагнетни и хадронски процеси индуковани мионима и неутронима, као и удели мионске и неутронске компоненте у коинцидентном спектру HPGe детектора и директном спектру пластичног сцинтилационог детектора. Закључено је да нискоенергијском спектру, који је превасходно значајан за ретке нуклеарне процесе, доминантно доприносе неутрони.

U doktorskoj disertaciji prikazani su rezultati razvijenih i primenjenih koincidentnih metoda za vremensku analizu nuklearnih procesa. Eksperimentalni koincidentni sistemi zasnovani su na HPGe i plastičnim scintilacionim detektorima. Izvršena su tri eksperimenta, koja su pokazala primenjivost razvijenih koincidentnih sistema. Prvi deo eksperimentalnog dela obuhvata analize vremenskih varijacija intenziteta kosmičkog zračenja posredstvom niskoenergijskih fotona. Pokazano je da se praćenjem intenziteta niskoenergijskih fotona u toku vremena u različitim energijskim regionima ostvaruje bolji uvid u analizu fonskih događaja, stvarajući preduslove za izvođenje eksperimenata koji tragaju za retkim nuklearnim procesima. Pored praćenja vremenskih varijacija intenziteta, metoda se može primeniti i na detekciju periodičnih i aperiodičnih događaja povezanih sa aktivnošću Sunca. Drugi deo disertacije obuhvatao je istraživanja vezana za detekciju potencijalnih fluktuacija konstante raspada 22 Na. Razvijen je koincidentni sistem i u toku vremena je praćen intenzitet anihilacione linije, koja je rezultat anihilacije pozitrona emitovanog raspadom 22Na. Za vreme trajanja akvizicije podataka, nisu pronađena značajna odstupanja ispitivane konstante raspada od standardnog eksponencijalnog zakona radioaktivnog raspada. U trećem delu eksperimentalnog rada, prikazana je koincidentna metoda za vremensko razdvajanje događaja indukovanih mionima i neutronima u okolini detektorskog sistema. Dobijena je vremenska kriva u eksperimentu i izvršena je detaljna analiza različitih vremenskih regiona. Izvršene su Monte Karlo simulacije, na osnovu kojih je dobijena vremenska kriva. Analizom različitih regiona simulirane vremenske krive, pokazano je da se ovi događaji mogu razdvojiti u dve velike grupe–brze i spore događaje. Među sporim događajima, pokazano je da se može napraviti razlika između događaja indukovanih mionima, među kojima dominira anihilacija, i događaja indukovanih neutronima, koji spadaju u zakasnele događaje u grupi sporih događaja. Dobijeno je da neutroni najviše doprinose niskoenergijskom regionu, prvenstveno u regionu do ≈50 keV, što ih čini neželjenom karikom fonskih događaja u eksperimentima koji tragaju za retkim nuklearnim događajima. Na osnovu rezultata simulacija, analizirani su elektromagnetni i hadronski procesi indukovani mionima i neutronima, kao i udeli mionske i neutronske komponente u koincidentnom spektru HPGe detektora i direktnom spektru plastičnog scintilacionog detektora. Zaključeno je da niskoenergijskom spektru, koji je prevashodno značajan za retke nuklearne procese, dominantno doprinose neutroni.

In this doctoral thesis, the results of the developed and applied coincidence methods on the timeanalysis of nuclear processes are presented. Coincidence systems, used in presented experiments, are based on the HPGe and plastic scintillation detectors. Three experiments were performed,showing a wide application of the developed coincidence systems. The first part of the experimental work involves the analysis of the time variations of cosmic rays via low-energy photons. It was shown that by analyzing the intensity of lowenergy photons better insight into the behavior of thebackground events is provided, which is especially important as a precondition for rare nuclear events experiments. Furthermore, it was shown that this method can be applied in order to search for periodic or aperiodic events resulting from the Sun activity. The second part contains the research of the 22Na decay constant fluctuations. The coincidence system was developed and the intensity of the annihilation line, resulting from annihilation of the positrons emitted from 22Na, was followed with time. During he acquisition time, no significant deviations from the standard exponential radioactive decay law were found. In the third part of the experimental work, the coincidence method for time separation of the events, induced by cosmic muons and neutrons in the vicinity of the detectors system, was presented. The time curve was obtained in the experiment and the detailed analysis of the different time regions was performed. The Monte Carlo simulations were conducted and the time curve from the simulation results was obtained. Analyzing the different regions of the simulated time curve, it was noticed that these events can be separated into two groups–prompt and delayed. Between delayed events, it was concluded that events induced by muons, dominantly annihilation line, and events induced by neutrons, which may be classified as more delayed events in the group of the delayed events, can be distinguished. It was concluded the neutrons dominantly contribute to the low-energy region, mostly in the region to ≈50 keV, which makes neutrons an important background in the experiments searching for rare nuclear events. Based on the simulation results, electromagnetic and hadronic processes induced by muons and neutrons, as well as portions of muon’s and neutron’s component in the coincidence spectrum of HPGe detector and direct spectrum of the plastic scintillation detector were analyzed. It was concluded that in the low-energy part of the spectrum, primarily important for the search for rare nuclear events, dominant influence is originated from cosmic neutrons.