ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Transcript

Preventivo per l'anno 2007
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_DRIFT
Resp. loc.: M. Masetti
Gruppo
3
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2007
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Attività di montaggio e collaudo dell’elettronica a Torino
8,0
Riunioni italiane della collaborazione
7,0
Stage al CERN per installazione, test ed integrazione della linea di acquisizione dati e
commissioning dell’apparato
25,0
Partecipazione ai run di test con il fascio per controllo della catena di acquisizione dati
10,0
Alice Meetings e meeting del gruppo ALICE ITS SDD
10,0
Acquisto componenti vari: fibre ottiche, FIFO, PCB e cavi di collegamento per la
realizzazione di una catena di buck up HW e SW dagli ibridi alla DDL e relativo DATE
25,0
di cui SJ
15,0
45,0
25,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Acquiso di un rack 9U, una CPU VME, 2 schede CARLOSrx per avere funzionante a
Bologna una catena di back up HW e SW dagli ibridi alla DDL. Cio ci pemetterà di
inviare componenti spare al CERN testati come pure tenera continuamenteaggiornato
il firmware di CARLOSrx.
20,0
Totale
20,0
105,0
di cui SJ
0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_DRIFT
Gruppo
3
ALLEGATO MODELLO EC2
Attività svolta da Luglio 2006 a Luglio 2006
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
− E' terminato il progetto del PCB End Ladder Board per la parte di competenza di Bologna. E stata fatta la produxione di 200
esemplari: cento sono stati testati con uno yeld del 14% e sono stati inviati a Torino che deve provvedere al bonding dei laser e a tutto
l'I/O: fibre ottiche e cavi twisted. Una volta terminata questa fase i PCB dovranno essere inviati a Bologna per il successivo collaudo.
− E' terminata la progettazione dei due PCB 9U CARLOSrx, i primi due prototipi sono in fase finale di test uno a Bologna e l'altro a
Torino.
− A Bologna per il test delle parti di cui sopra abbiamo la catena completa che parte da un ibrido che ci è stato fornito da Torino per
arrivare fino alla DDL funzionante con la versione finale di DATE del CERN.
Attività da svolgere da Luglio 2006 a tutto il 2007
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
− si prevede a inizio periodo di andare a Torino collaborare all'installazione sul Ladder della prime catene dall'ibrido alla DDL con la
versione finale dell'End Ladder completo di fibre ottiche e cavi di collegamento e provvedere ai relativi test,
− si prevede di terminare il test di CARLOSrx e di avviare la produzione entro settembre,
− verso la fine dell'anno si prevede di trasportare al CERN la catena testata a Torino
e di provvedere alla relativa messa in funzione,
− verrà realizzata a Bologna una catene di buck up uguale a quella funzionante al CERN con lo scopo di fornire componenti HW testati
e tenere aggiornato il firmare di CARLOSrx.
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_DRIFT
Gruppo
3
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_DRIFT
Gruppo
3
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
1
2
3
4
5
Qualifica
Affer.
RICERCATORE Dipendenti
Incarichi
al
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
RicercaAssoc
Antinori Samuele
Costa Filippo
Gandolfi Enzo
Masetti Massimo
Zanarini Gianni
Bors.
Bors.
P.A.
Altro
P.A.
3
3
3
3
5
%
100
100
40
75
30
N
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
T.L.
100
T.L.
20
Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
Cognome e Nome
2
1.2
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla
disponibilità di personale e attrezzature
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
5 Numero totale dei Tecnici
3.45 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Cognome e Nome
1 Falchieri Davide
2 Gabrielli Alessandro
N
Numero totale dei ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
TECNOLOGI
0
0
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_GRID
Resp. loc.: M. Luvisetto
Gruppo
3
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
di cui SJ
Altro
Aggiornamneto CPU con 10 Ksi2K aggiuntivi
10,8
Potenziamento disco con 3.0 TB
4,5
Potenziamento disco con 3.0 TB
4,5
Aggiornamneto CPU con 10 Ksi2K aggiuntivi
10,8
Totale
30,6
30,6
di cui SJ
0,0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_GRID
Gruppo
3
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_GRID
Gruppo
3
Relazione ALICE-Grid Bologna Fondi 2007
1
Introduzione
Il gruppo di Bologna dell’INFN è coinvolto in ALICE-TOF e nel progetto GRID per il calcolo di ALICE.
Per rispettare gli impegni di ALICE-TOF, che è un detector di totale responsabilità italiana, il gruppo
necessita di risorse di calcolo sia in termini di CPU che di spazio disco locale per poter svolgere le funzioni
di calibrazione, analisi del detector, analisi dei dati prodotti dai Data Challenge e l’analisi dei primi dati
da LHC.
La previsione di attività di calcolo per il 2007 non si discosta sostanzialmente da quella per il 2006 in
cui si prevede, su base trimestrale, di simulare non meno di 300 eventi con un’occupazione finale di 0.7
TB di disco. Per la produzione di 300 eventi Hijing, inclusi i recuperi, nell’ipotesi di nodi da 2.6 KSI2K,
si possono prevedere 4600 ore di CPU. Inoltre in fase di produzione occorre prevedere un overhead di
occupazione disco del 30% circa per un totale di 0.9 TB disco.
Alla luce dei Design Report sul calcolo, ALICE-TOF si inserisce nella gerarachia dei siti come centro
Tier-3 e nelle discussioni sul Calcolo, ALICE-TOF ha prospettato il seguente piano di sviluppo:
Proiezione delle Risorse per il Tier 3 Bologna–TOF
2005
2006 2007 2008 2009 2010
CPU (KSI2K) 20.6 [*] 44.0 54.0 75.0 140.0 210.0
Disk (Tbytes)
3.2
7.0
10.0 15.0
25.0
50.0
[*] - di cui 10 KSI2K forniti da Grid-Bologna
Per quanto riguarda la valutazione di potenza delle CPU, il calcolo di KSI2K si basa sulla misura
fornita dalla procedura get_spec_int del pacchetto ig-cpu_ns_test utilizzato da INFN-Grid.
Ad esempio per un processore Xeon a 3.00GHz la procedura fornisce il valore di 1.167 KSI2K/CPU,
pari a ∼ 2.334 KSI2K per nodo bi-processore. Per un analogo nodo AMD Opteron la misura fornita e’
di ∼ 3.248
La potenza di CPU di cui disponiamo è decisamente sottodimensionata rispetto alle nostre esigenze
di calcolo ed è essenzialmente fornita da nodi acquisiti sui finanziamenti 2004 a cui si associano i nodi
di Grid-Bologna per un totale massimo di ∼ 31.0 KSI2k inferiori di almeno 10.0 KSI2k rispetto al valore
indicato in tabella per il 2006 e di 20.0 KSI2k per il 2007.
Tenendo conto che lo spazio disco di circa 0.5-0.6 TB preventivato nel 2004 per il 2005 è stato
ampiamente superato, con la produzione di 1.3 TB di simulazioni, lo spazio disco attualmente disponibile
è appena sufficiente per il lavoro mensile e deve essere costantemente monitorato con trasferimento dei
dati non necessari on-line su CASTOR al Tier-1 del CNAF, con dispendio di risorse sia umane che di
rete e riduzione della produttività.
Alle necessità di ALICE-GRID si aggiungono le necessità di esperimento con lo svecchiamento delle
postazioni di lavoro dei ricercatori coinvolti, tenendo presente che alcune WS sono talmente da vecchie da
non consentire l’istallazione di Scientific Linux perdendo pertanto la compatilibilità con i sistemi operativi
di esperimento e di Grid
Le postazioni fisse (Work Station) devono avere configurazione hardware adeguata alle diverse funzioni
connesse con l’analisi dei dati e precisamente processore veloce, memoria adeguata a sostenere processi
concorrenti di grafica e simulazioni (tipicamente 2 GB RAM per CPU), un video grafico di risoluzione
adeguata all’uso intensivo di ROOT per l’analisi dei dati prodotti a tutti i livelli (MC, calibrazione,
prestazioni TOF, eventi LHC etc.) e sufficiente spazio disco per il campione di eventi da analizzare
(tipicamente 2 dischi da 250 GB).
1
Sommario Richieste per il Calcolo
Il finanziamento richiesto per il 2007, anticipabile al 2006, si articola nei punti:
• per ALICE-GRID:
kE. 3.75 + IVA = kE. 4.50 (potenziamento disco con 3.0 TB aggiuntivi)
kE. 9.00 + IVA = kE. 10.80 (aggiornamento CPU con 10 KSI2K aggiuntivi)
2
2
Impegni e Partecipanti
Impegni Internazionali
Per quanto riguarda l’attività TOF il gruppo ha le seguenti responsabilità
• TOF Particle Identification [TOF-PID]
• Ottimizzazione dei parametri per l’algoritmo di identificazione delle particelle e valutazione dei
livelli di contaminazione, alla luce delle prestazioni migliorate dei rivelatori
• Ricostruzione delle tracce nel TOF utilizzando anche le coincidenze tra doppi impatti nelle regioni
di overlap geometrico fra strip contigue
• Determinazione del tempo T0 dell’evento
• Calibrazione del TOF con determinazione dei ritardi relativi tra i singoli canali
• Partecipazione ai 4 working group che si sono formati per l’analisi e gli studi di fisica con presenza
massiccia del gruppo TOF
Impegni Nazionali
• Partecipazione al Technical Board di Grid Italia
• Partecipazione al Comitato Tecnico del Tier-1 per la gestione del calcolo di ALICE
Ricercatori partecipanti
Il totale dei ricercatori del gruppo di Bologna partecipanti ad ALICE-GRID per il 2006 è di 3 unità per
un totale di 1.25 FTE. La distribuzione dei gruppi e la partecipazione dei collaboratori è
Silvia ARCELLI
Francesco NOFERINI
Enzo UGOLINI
Sergey KISELEV
Annalisa DE CARO
Daniele DE GRUTTOLA
Collaboratori al Gruppo Offline ALICE-TOF
Collaboratori della Sezione di Bologna
Giovanni CARA ROMEO Luisa CIFARELLI
Alessandro PESCI
Ombretta PINAZZA
Chiara ZAMPOLLI
Collaboratori di ITEP
Alexander SELIVANOV
M.M. TCHOUMAKOV
Collaboratori del Gruppo distaccato di Salerno
Mario FUSCO GIRARD
Rosetta SILVESTRI
3
Maria Luisa LUVISETTO
Franco SEMERIA
Boris ZAGREEV
Claudio GUARNACCIA
Attività e Percentuali FTE
Attività
Partecipanti
Percentuale
Detector Description
G. Cara Romeo
75%
Track Extrapolation and PID S. ARCELLI
25%
A. DE CARO
50%
S. KISELEV
50%
R. SILVESTRI
50%
B. ZAGREEV
50%
C. ZAMPOLLI
50%
Calibrations and T0
S. ARCELLI
25%
C. ZAMPOLLI
50%
GRID Bologna
S. ARCELLI
25%
M. L. LUVISETTO
50%
E. UGOLINI
50%
GRID Salerno
A. DE CARO
25%
M. FUSCO GIRARD
25%
R. SILVESTRI
25%
GRID ITEP
A. SELIVANOV
25%
M. TCHOUMAKOV
25%
Physics
S. ARCELLI
25%
A. DE CARO
25%
D. DE GRUTTOLA
25%
C. GUARNACCIA
25%
S. KISELEV
25%
F. NOFERINI
50%
A. PESCI
50%
R. SILVESTRI
25%
B. ZAGREEV
25%
TOF Database
O. PINAZZA
25%
F. SEMERIA
25%
Totale FTE
0.75
2.75
0.75
1.25
0.75
0.5
2.75
0.5
Ruoli e responsabilità
Luisa CIFARELLI
Annalisa DE CARO
Maria Luisa LUVISETTO
deputy chairperson di ALICE-TOF
responsabile dell’offline di ALICE-TOF
membro dell’Offline Board di ALICE
rappresentante ALICE Italia nel Technical Board del Tier-1
membro del Technical Board di INFN-GRID per ALICE-Bologna
4
3
Attività ALICE-GRID (Bologna) – Referee: Mauro Taiuti
Attività svolta nel periodo Luglio 2005 - Giugno 2006
L’attività svolta dalla Sede di Bologna si articola in svariati settori:
• management tecnico del Calcolo con installazione/manutenzione, supporto della farm di Bologna,
analisi prestazioni e indagini/valutazioni di aggiornamento
• manutenzione/aggiornamento della farm Grid di Bologna secondo le direttive di INFN-Grid in
collaborazione con il Servizio Calcolo e Reti della Sezione.
I compiti maggiormente orientati a GRID comprendono:
• la partecipazione al gruppo di servizio SA1 di EGEE per la gestione, la manutezione e l’efficienza
della Grid
• la partecipazione alle decisioni del TB di INFN-Grid per l’integrazione della farm Grid di Bologna
con la Grid di Produzione dell’INFN in accordo con le decisioni dei Comitati LCG ed EGEE
• interazione con il gruppo INFN-Grid di installazione e supporto con contributi ai documenti indirizzati all’utenza
• utilizzo di un nodo ALICE-TOF con funzione di SE
• aggiornamento e manutenzione dell’unità Grid composta da nodi Quantum-Grid con SE fornito da
ALICE-TOF in funzione dei prossimi Data Challenge
• collaborazione con il Servizio Calcolo e Reti della Sezione di Bologna all’installazione e manutenzione
della Grid locale
• monitor del funzionamento del nodi Grid
L’attività del gruppo di ALICE Bologna è determinante nella messa a punto e collaudo dell’unità Grid in
funzione a Bologna, sia fornendo risorse di personale sia con il contributo di risorse ALICE-TOF essenziali
per il funzionamento della Grid.
Sulla farm locale vengono svolte le seguenti attività:
• installazione, aggiornamento e manutenzione dei sistemi operativi
• installazione del software di ALICE
• esecuzione delle simulazioni locali
• manutenzione del software client CASTOR e archivio delle simulazioni locali
• attività di monitoring della produzione locale con tool sviluppati dal gruppo ALICE-Bologna sia
per i nodi della farm che per i nodi Grid
Tenendo conto delle esigenze particolari di AliRoot riguardo al livello del sistema operativo e del compilatore, è indispensabile disporre di macchine dedicate che possano essere riconfigurate in funzione delle
necessità di ROOT e AliRoot.
5
Attività di calcolo ALICE-TOF
L’attività di calcolo è orientata alla produzione di alcuni set minimali di circa 250-300 eventi:
• set di eventi Pb-Pb divisi per bin di centralità per l’ottimizzazione degli algoritmi di Particle Identification, la determinazione del T0 e la calibrazione del TOF per un totale di 300 GB disco
• set di eventi generati secondo parametrizzazione degli stati finali Pb-Pb, per studi sistematici
delle prestazioni della TOF Pid al variare della densità di tracce cariche nella zona centrale e
dell’occupancy sul TOF, per un totale di 250 GB disco
• set di eventi pp a 14TeV per lo studio e l’ottimizzazione della TOF Pid in collisioni pp per un totale
di 20 GB
• set di eventi Pb-Pb e pp per lo studio dei jet per un totale di 300 GB disco
• set di eventi Pb-Pb per la rivelazione di mesoni e barioni con flavour manifesto per un totale di 300
GB disco
• partecipazione ai PDC05/06 ????? per l’analisi dei dati prodotti nelle fasi 1 e 2
Tutte queste attività richiedono sia risorse di calcolo che spazio disco. Attualmente il calcolo locale
del TOF viene fatto su una serie di 6-7 nodi dedicati di cui 3 di recente acquisizione e i rimanenti
appartenenti a precedenti dotazioni e perciò di età e prestazioni variabili. La capacità di calcolo effettiva
per le simulazioni si aggira quindi intorno a 7.5 KSI2K. I risulati recenti vengono conservati sul disk-server
locale, mentre le precedenti simulazioni sono disponibili SOLO su CASTOR.
La stima di spazio disco richiesto per gli eventi da produrre per i set minimali ammonta a circa 1.0
TB per le simulazioni e 250 GB per le parametrizzazioni per un totale di ∼ 1.25 TB, portando cosi’ alla
saturazione dello spazio disponibile, volendo tenere un margine di sicurezza sul disk-server.
Allo spazio disco degli eventi si aggiunge lo spazio richiesto dal software che in questa fase è spesso
presente in più versioni, quindi in media occorrono circa 10 GB per un ragionevole supporto e test di
ROOT/AliRoot.
Un maggiore problema si pone per l’analisi degli eventi che difficilmente terminarà entro i 3-4 mesi di
intervallo tra una simulazione e la seguente rendendo molto critico l’accesso ai dati data la limitazione
di spazio disco. Il ricorso sistematico a CASTOR si traduce inevitabilmente in una seria riduzione di
efficienza con un carico rilevante delle risorse di rete. Inoltre, in periodi di stress test (PDC e SC),
l’accesso a CASTOR è proibitivo.
6
Pubblicazioni e Documentazioni ALICE-Grid
• The INFN-Grid Testbed, R. Alfieri et al., Future Generation Computing Systems (FGCS), Elsevier
FUTURE 1101
• The INFN-Grid Testbed, R. Alfieri et al., Nota interna INFN/TC-02-30
• Usage of INFN Tier1 CASTOR for ALICE and ALICE-TOF, G.LoRe, M.L.Luvisetto, P.Ricci ,
ALICE Internal Note 2003-05-14
• Grid-base Simulation Computing in ALICE, P. Buncic et al., Computing in High Energy and
Nuclear Phsyscs, 24-28 March 2003
• ALICE production on the EU DataGrid Test-Bed, S. Bagnasco et al., ALICE-INT-2003-036 200309-30
• ALICE Multi-site Data Transfer Tests on a Wide Area Network, S.Bagnasco et al., CHEP 2004 –
Interlaken, 27 Settembre – 1 Ottobre 2004
(Sottomesso per la sezione di 7 – Wide Area Networking)
• ALICE Technical Design Report of the Computing, CERN-LHCC-2005-18, ALICE TDR 012, 15
June 2005
http://aliceinfo.cern.ch/NewAlicePortal/en/Collaboration/Documents/TDR/Computing.html
Siti web con Guide (Tutorial, Installation, etc.)
• http://www.bo.infn.it/alice/introgrd/mll-introgrd.html
• http://grid-it.cnaf.infn.it/ ai link Installation, Upgrade, CVS Repository
Comunicazioni SIF 2003/2004/2005
• Identificazione di particelle e rivelazione del mesone φ con l’apparato di tempo di volo (TOF)
nell’esperimento ALICE a LHC, Presentato da A. De Caro, 17-22 Settembre 2003, LXXXIX Congresso della Società Italiana di Fisica, Parma, Italia
• Studio della Molteplicità in urti di ioni pesanti, nel regime di saturazione degli stati gluonici, Presentato da F. Noferini, 17-22 Settembre 2003, LXXXIX Congresso della Società Italiana di Fisica,
Parma, Italia
• Identificazione di particelle con il sistema di tempo di volo TOF dell’esperimento ALICE a LHC,
Presentato da C. Zampolli, 20-25 Settembre 2004, LXXXX Congresso della Società Italiana di
Fisica, Brescia, Italia
• Rivelazione del mesone φ nell’esperimento ALICE tramite l’identificazione di K + K − con l’apparato
di tempo di volo (TOF), Presentato da A. De Caro, 20-25 Settembre 2004, LXXXX Congresso della
Società Italiana di Fisica, Brescia, Italia
• Studio della correlazione a due particelle, in eventi ad alto pT, in collisioni di ioni pesanti ad LHC,
Presentato da F. Noferini, 20-25 Settembre 2004, LXXXX Congresso della Società Italiana di Fisica,
Brescia, Italia
• Primi risultati sulla produzione degli MRPC per il sistema TOF di ALICE, presentato da A. Alici,
21 Settembre 2004, XC Congresso Nazionale Società Italiana di Fisica, Brescia, Italia
• Studio di Fluttuazioni Evento per Evento per l’esperimento ALICE a LHC, Abstract presentato
da C. Zampolli, 26 Settembre-1 Ottobre 2005, XCI Congresso Nazionale della Societa’ Italiana di
Fisica, Catania, Italia
• Studio della Molteplicità di Carica in Funzione dell’Energia Effettiva nell’Esperimento ALICE a
LHC, Abstract presentato da F. Noferini, 26 Settembre-1 Ottobre 2005, XCI Congresso Nazionale
Società Italiana di Fisica, Catania, Italia
7
• Determinazione del Tempo Zero dell’evento (T0) con il sistema a Tempo di Volo (TOF) dell’esperimento
ALICE, Abstract presentato da C. Zampolli, 26 Settembre-1 Ottobre 2005, XCI Congresso Nazionale
della Società Italiana di Fisica, Catania, Italia
Tesi PHD
• The ALICE TOF (Time-Of-Flight): a powerful detector for relevant observables in nucleus-nucleus
collisions at LHC, Tesi di Dottorato di Annalisa De Caro, XV ciclo, Università degli Studi di
Bologna, Marzo 2004
http://alice.sa.infn.it/PhDthesisAdeCaro.ps.gz
• Realizzazione dei Sistemi di Qualità nella Costruzione dei Rivelatori Basati sulle MRPC (Multigap
Resistive Plate Chamber) per il Sistema di Tempo di Volo (TOF) dell’Esperimento ALICE ad LHC,
Tesi di Dottorato di A. Alici, XVII ciclo, Università degli Studi di Bologna, Marzo 2005
• Sviluppo dei Rivelatori MPRC (Multigap Resistive Plate Chamber) per il Sistema di Tempo di Volo
(TOF) dell’Esperimento ALICE: dalla Fase di R&D alla Configurazione Finale, Tesi di Dottorato
di Gilda Scioli, XVII ciclo, Università degli Studi di Bologna, Marzo 2005
Talks, Note, Pubblicazioni ALICE
• ALICE: Addendum to the Technical Design Report of the Time of Flight System (TOF), ALICE
Collaboration (P. Cortese et al.), Apr 2002, CERN–LHCC–2002–016
• A Study of the Multigap RPC at the Gamma Irradiation Facility at CERN, ALICE TOF Group
(A. Akindinov et al.), Nuclear Instruments and Methods A490:58-70, 2002
• Simulation of φ → K + K − detection possibility in ALICE experiment, A. De Caro, A. Pesci, B.
Batyunya, S. Zaporozhets, G. Paic, ALICE Internal note /SIM ALICE/03-067 (2003).
• TOF PID and Global PID , Vol. 1, Chapter 3, ALICE PPR (Physics Performance Report),
CERN-LHCC-2003-049.
• TOF PID and Global PID , Vol. 2, Chapter 5, ALICE PPR (Physics Performance Report), in fase
editoriale
• Studio di MRPC con raggi cosmici, A. Alici et al., 26 Giugno 2003
• Particle identification with the ALICE TOF detector at very high particle multiplicity, C.Zampolli,
Proceedings of the International School of Subnuclear Physics, 29 Agosto – 7 Settembre 2003, Erice,
to be published by World Scientific.
• The ALICE-TOF MRPC, G. Scioli, International School of Subnuclear Physics, 29 August – 7
September 2003, Erice
• Report on TOF Reconstruction, S.Arcelli, 8 Marzo 2004, ALICE Offline Week
• Status of TOF Reconstruction, S.Arcelli, 16 Marzo 2004, Physics Forum, ALICE Week
• Status of TOF PID, B.Zagreev, 16 Marzo 2004, Physics Forum, ALICE Week
• Plasma signatures in the K+K- system near threshold, A. Pesci, 22 Giugno 2004, Physics Forum,
ALICE Week
• Study of Two-Body Correlation at High-pt in Heavy Ion Collisions at LHC, F. Noferini, Colmar,
22 Giugno 2004, Physics Forum, ALICE Week
• TOF raw data: preliminary implementation, A. De Caro, 29 Giugno 2004, ALICE Offline Week
• Telescopio per test di MRPC strip con raggi cosmici a Bologna, A. Alici et al., 18 Luglio 2004
8
• Event T0 determination with TOF in pp minimum bias events and comparison with Pb-Pb, S.
Arcelli, 3 Dicembre 2004, pp physics meeting
• Particle Identification with the ALICE TOF Detector at Very High Particle Multiplicity, ALICE
TOF Collaboration (A. Akindinov et al.), 2004, Eur.Phys.J.C32S1:165-177,2004
• Operation of the Multigap Resistive Plate Chamber using a Gas Mixture Free of Flammable Components, N. Akindinov et al., 2004, Nucl.Instrum.Meth.A532:562-565,2004
• Results from a Large Sample of MRPC-Strip Prototypes for the ALICE TOF Detector, V. Akindinov
et al., 2004, Nucl.Instrum.Meth.A532:611-621,2004
• Latest Results on the Performance of the Multigap Resistive Plate Chamber used for the ALICE
TOF, N. Akindinov et al., 2004, 7th Workshop on Resistive Plate Chambers and Related Detectors
(RPC2003), Clermont-Ferrand, France, 20-22 Oct 2003, Nucl.Instrum.Meth.A533:74-78,2004
• Study of Gas Mixtures and Ageing of the Multigap Resistive Plate Chamber used for the ALICE
TOF, N. Akindinov et al., 2004, 7th Workshop on Resistive Plate Chambers and Related Detectors
(RPC2003), Clermont-Ferrand, France, 20-22 Oct 2003, Nucl.Instrum.Meth.A533:93-97,2004
• Design Aspects and Prototype Test of a Very Precise TDC System Implemented for the Multigap
RPC of the ALICE-TOF, N. Akindinov et al, 2004, 7th Workshop on Resistive Plate Chambers
and Related Detectors (RPC2003), Clermont-Ferrand, France, 20-22 Oct 2003, Nucl.Instrum.Meth.
A533:178-182,2004
• Space Charge Limited Avalanche Growth in Multigap Resistive Plate Chambers, N. Akindinov et al,
2004, 4th International Symposium on LHC Physics and Detectors (LHC 2003), Batavia, Illinois,
1-3 May 2003, Eur.Phys.J.C34:S325-S331,2004
• First Results from the MRPC Production for the ALICE TOF System, A. Alici, 2004, Il Nuovo
Cimento, Vol. 27 C, N. 5, Settembre–Ottobre 2004
• Radiation Tests of Key Components of the ALICE TOF TDC Readout Module, A. Alici, P. Antonioli, A. Mati, S. Meneghini, M. Pieracci, M. Rizzi, C. Tintori, 13-17 September 2004, Proceedings
of 10th Workshop on Electronics for LHC Experiments and future Experiments, Boston
• Studio della Correlazione a Due Particelle e Fisica dei Jets in Collisioni di Ioni Pesanti, F. Noferini,
11 Gennaio 2005, Congresso Nazionale della fisica di ALICE, Catania
• Hadron Identification and Inclusive Spectra, C. Zampolli, 11-12 Gennaio 2005, 1 Convegno Nazionale
sulla Fisica di Alice, Catania, Italia
• TOF Calibration and Alignment Database, C. Zampolli, 21st-25th February 2005, Calibration and
Alignment Miniworkshop, ALICE Offline Week, CERN, Geneva, Switzerland
• Two Particle Correlation at High pT, F. Noferini, 02 Marzo 2005, PWG4 meeting - Geneva, CERN
• Study of possible plasma signatures in the φ → K + K − signal, A. Pesci, 15 Marzo 2005, Soft Physics
Working Group Workshop, CERN
• PPR: Status of the TOF Section, C. Zampolli, 31st March 2005, ALICE Reconstruction Meeting,
CERN, Geneva, Switzerland
• Status of the TOF PPR Section, C. Zampolli, 30th May-6th June 2005, ALICE Offline Week,
CERN, Geneva, Switzerland
• Pulsing tests on MRPC strips, A. Alici e D. Cavazza, 05 Giugno 2005
• Two Particle Correlation and Jet Physics in Heavy Ion Collisions,
Hadron correlation, F. Noferini, 8 Giugno 2005, PWG4 meeting - Geneva, CERN
9
• Particle Identification in ALICE, Hadron Collider Physics symposium, presentato da S. Arcelli 3-9
Luglio 2005, Les Diablerets
• Some results on hadron correlations, F. Noferini, 7 Settembre 2005, PWG4 meeting - Geneva,
CERN
• TOF Calibration Database, 3rd-7th October 2005, ALICE Offline Week, CERN, Geneva, Switzerland
• TOF Alignment Database, 3rd-7th October 2005, ALICE Offline Week, CERN, Geneva, Switzerland
• Status of the TOF section for the PPR Chapter 5, Final Updates, S.Arcelli, Physics Forum, ALICE
Week, 12th October 2005, CERN, Geneva, Switzerland
• Status of the TOF Reconstruction, S. Arcelli, 4-10 Dec 2005, The First ALICE Physics Week, Erice,
Italy
• Effective energy and multiplicity @ LHC, F. Noferini, 7 Dicembre 2005, Alice Physics Week Meeting
- Erice, Italy
• Quality assurance procedures for the construction of the ALICE TOF detector, 10 – 12 Ottobre
2005, VIII Workshop on Resistive Plate Chambers and Related Detectors Seoul, South Korea
• TOF Calibration Status Report, 6th-10th March 2006, ALICE Offline Week CERN, Geneva, Switzerland
• Status of the TOF Alignment, S. Arcelli, 8 Mar 2006, ALICE Offline Week, CERN, Geneva, Switzerland
• Effective energy @ LHC: last results, F. Noferini, 14 Marzo 2006, PWG2 - Alice Week, Geneva,
CERN
• Status on hadron correlation studies, F. Noferini, 14 Marzo 2006, PWG4 - Alice Week, Geneva,
CERN
• Jet shape analysis, F. Noferini, 27 Aprile 2006, PWG4 meeting, Geneva, CERN
• Event by Event Fluctuations Studies for the ALICE Experiment, 15th-20th May 2006, Hot Quark
Workshop 2006 - Villasimius, Italia
• Two particle correlations: from RHIC to LHC, F. Noferini, 16 Maggio 2006, - HOT QUARKS 2006,
Villasimius, Italy
• Update on correlation studies from Fourier analysis. Applicability to pp events, F. Noferini, 21
Giugno 2006, ALICE week, Bologna
• The Time of Flight (TOF) System of the ALICE Experiment, G. Scioli for the collaboration, 2005,
Eur.Phys.J.C39S3:7-12, 2005
• Simulation of φ → K + K − detection in the ALICE experiment, B.Batyunya, A.De Caro, G.Paic,
A.Pesci, S.Zaporozhets, Journal of Joint Institute for Nuclear Research: Physics of Elementary
Particles and Atomic Nuclei, Letters (Particles and Nuclei, Letters) Volume 2, No. 2(125), 2005
• Study of QGP Signatures with the φ → K + K − Signal in Pb-Pb ALICE Events, N. Akindinov et
al, Eur.Phys.J. C45 (2006) 669
• Particle Identification with the ALICE Time of Flight System, S.Arcelli, L.Cifarelli, A.De Caro, S.
Kiselev, F.Noferini, R.Preghenella, R.Silvestri, B. Zagreev and C.Zampolli, ALICE-INT-2005-044
• ALICE Physics Performance Report, Vol II, The ALICE Collaboration, 5 Dec 2005, CERN-LHCC
2005-030, Ed.s B.Alessandro et al., Particle Identification in ALICE
10
In preparazione:
• Two-particle correlations from RHIC to LHC, a Monte Carlo approach, Proceedings” per Hot Quark
2006: (scadenza 1/8/2006)
• Multiplicity Studies and Effective Energy in ALICE at the LHC
11
4
Utilizzo della CPU
In questa sezione vengono riportati grafici e dati utili alla valutazione dell’utilizzo delle risorse di calcolo
di ALICE-TOF, farm locale e postazione Grid.
Il grafico in Fig. 1, relativo alle simulazioni riporta un esempio d’uso di un nodo della farm con
hyperthreading attivo per il mese di Maggio 2006. Il grafico riportato è un tipico esempio di attività di
calcolo del gruppo ALICE-TOF e non varia sensibilmente nel tempo. Tutti i nodi della farm presentano
andamento comparabile.
Per quanto riguarda l’utilizzo di Grid l’andamento è diverso da quello della farm locale che è dedicata
alle simulazioni con un uso costante. L’uso di Grid dipende dalla stabilità della versione di middleware,
dal software di esperimento, dall’uso diversificato delle VO in base ai relativi impegni, data challenge,
etc. Un esempio di tale andamento è fornito dal grafico di Fig. 2, relativo ad un nodo Grid nello stesso
intervallo di tempo.
Il grafico in Fig. 3, prodotto dal monitor di GridICE e relativo allo stato delle code Grid, riporta
l’andamento dei job accodati (rosso) e dei job in esecuzione (verde) per il CE di Bologna relativamente
al mese di Giugno 2006. Come si può vedere le risorse non sono sufficienti ad eseguire i job sottomessi e
il numero di job in coda è confrontabile con il numero di job in esecuzione.
Dal presente anno 2006, il sistema Grid fornisce statistiche di utilizzo a livello dei Centri Regionali.
In Fig. 4 e Fig. 5 vengono riportate rispettivamente le statistiche dei Job processati e delle ore di CPU
utilizzate per il CE di Bologna.
Per l’efficienza e il buon funzionamento della grid si rimanda ai seguenti siti:
http://gridice4.cnaf.infn.it:50080/gridice/site/site.php
http://lcg-testzone-reports.web.cern.ch/lcg-testzone-reports/cgi-bin/lastreport.cgi
http://goc.grid.sinica.edu.tw/gstat/INFN-BOLOGNA/
Fig. 1 - Simulazioni: Esempio di Utilizzo della CPU per le simulazioni di ALICE-TOF
12
Fig. 2 – Grid-CPU: Esempio di utilizzo della CPU per il CE di Bologna
Fig. 3 – Grid-Queue: Esempio dello Stato delle Code per il CE di Bologna
Job in esecuzione (verde) vs. Job in coda (rosso)
13
Fig. 4 – ROC Report: Esempio dei Job Processati dal CE di Bologna
Fig. 5 – ROC Report: Esempio dell’uso di CPU per il CE di Bologna
14
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_GRID
Gruppo
3
N
RICERCATORE
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
%
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
1 Arcelli Silvia
2 Luvisetto Maria Luisa Ric.
R.U.
3
2
0
0
N
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Annotazioni:
mesi−uomo
Mod EC./EN. 7
0
0
%
Collab.
Assoc. tecnica
tecnica
0 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
N
TECNOLOGI
0
0
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_TOF
Resp. loc.: M. Basile
Gruppo
3
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Visite di controllo periodico della produzione (componenti meccaniche ed elettroniche) 8,0
presso le Ditte
5,0
Riunioni ALICE−Italia e CSNIII
Partecipazione ai Physics Working Groups di ALICE in Italia, Congressi e Scuole in
Italia, riunioni con gruppo di Salerno
di cui SJ
20,0
7,0
Test Moduli con stazione cosmici al CERN (fisici: 12 m.u.; tecnici: 2 m.u.) [assumendo 74,0
1 m.u. per Bologna = 5.27 kEuro]
Assemblaggio e test 9 SuperModuli (fisici: 21.6 m.u.; tecnici: 28.8 m.u.)
265,5
Installazione 9 SuperModuli nello Space Frame (fisici/tecnologi: 4.5 m.u.; tecnici: 9
m.u.)
71,0
ALICE weeks (6 m.u.) + riunioni TB e MB (2 m.u.) + riunioni dei Gruppi di lavoro
(Physics Working Groups, Offline,....)(4 m.u.): fisici/tecnologi 12 m.u.
63,0
Presa dati (1 mese di p−p a sqrt(s)= 900 GeV): 3 "detector
experts"(FEE/RO,DCS,DAQ) (fisici: 3 m.u.)
16,0
Affitto strumentazione elettronica E−POOL del CERN
15,0
Prelievo di materiali vari dai magazzini CERN (stazione raggi cosmici per test Moduli;
assemblaggio ed installazione SuperModuli)
50,0
Consumi a Bologna (assemblaggio Moduli e test di qualità delle MRPC "strips" con
stazione raggi cosmici)
35,0
Trasporto dei Moduli di produzione assemblati con le MRPC "strips" da Bologna al
CERN.
20,0
489,5
100,0
20,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Sostituzione 2 posti di lavoro (WS) per analisi (inclusi VT LCd e IVA)
3,5
1 Oscilloscopio portatile per test su SpaceFrame, zona trigger, balconate UX25
[TDS3052B : 500 MHz, 2 ch] (IVA inclusa)
9,0
1 Minicrate VME portatile (partizione TTC portatile per test schede DRM,...) [CAEN
VME8002 − WIENER VME195, 9 slot 6U] (IVA inclusa)
3,5
19,0
2,5
1 kit di test per fibre ottiche ("patch cords") (IVA inclusa)
0,5
2 ricetrasmittenti (Counting room − Space Frame) (IVA inclusa)
Totale
648,5 di cui SJ
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
0,0
Mod EC./EN. 2
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_TOF
Gruppo
3
Richieste finanziarie per il 2007
Missioni Interno
Richiesta totale: 20 k€
Dettaglio richiesta:
a) Controllo della produzione : 8 k€
L’esperienza degli ultimi due anni ha dimostrato l’importanza fondamentale di effettuare visite di controllo periodiche presso le ditte che
stanno costruendo le varie componenti meccaniche ed elettroniche del rivelatore. Nel 2005 abbiamo speso 14.5 k€ su questa voce e nei
primi 6 mesi del 2006 8 k€ . Nel 2007 tutta la restante produzione deve essere consegnata entro metà anno.
b) Riunioni di ALICE−Italia e CSN−III : 5 k€
Tre riunioni all’anno di cui dal 2005 una dedicata alla fisica; dopo il primo Convegno Nazionale sulla Fisica di ALICE, a Catania nel
Gennaio 2005, il secondo si è svolto a Salerno nel Maggio 2006. Nel 2005 abbiamo speso circa 7 k€ su queste voci e nei primi 6 mesi
del 2006 1.7 k€ .
c) Riunioni con gruppo di Salerno, ALICE PWGs, congressi e scuole in Italia: 7 k€
A Salerno per coordinamento software offline/simulazioni/analisi fisica. Con l’avvio dal 2005 dei 4 “Physics Working Groups” di ALICE,
di cui 2 coordinati da italiani, si prevede almeno una riunione all’anno in Italia. Nel 2005, a Settembre, il PWG2 a Catania, e la prima
“Alice Physics Week”, a Dicembre, a Erice. Nel 2005 abbiamo speso circa 8.9 k€ su queste voci. Nel Settembre 2006 sono fissate le
seguenti riunioni in Italia dei PWG : PWG2 (Soft Physics) a Catania, PWG3 (Heavy Flavours) a Trento, PWG4 (Jets) a Trento.
Missioni Estero
Richiesta totale: 489.5 k€ (assumendo 1 m.u. per Bologna = 5.27 k€ )
1) Test Moduli con stazione cosmici al CERN
(1.5 fisici presa dati e analisi x 8 mesi +1 tecnico x 2 mesi )
fisici 12 m.u., tecnici 2 m.u.
2) Assemblaggio e test SuperModuli (S.M)
(9 S.M.; 0.8 m.u./SM con 3 fisici e 4 tecnici) fisici 21.6 m.u.,tecnici 28.8 m.u.
3) Installazione 9 SuperModuli nello Space Frame
(0.25 m.u./SM con 2 fisici/tecnologi e 4 tecnici) fisici/tecnologi 4.5 m.u.
tecnici 9 m.u.
4) ALICE weeks (6 m.u.) + riunioni TB e MB (2 m.u.) +
Gruppi lavoro (PWG, Offline,….) (4 m.u.) fisici/tecnologi 12 m.u.
5) Presa dati (1 mese p−p): 3 detector experts (FEE/RO,DCS,DAQ) fisici 3 m.u.
TOTALE
(fisici/tecnologi 53.1 m.u. + tecnici 39.8 m.u.): 92.9 m.u. x 5.27 k€ = 489.5 k€
Materiale di Consumo
a) Strumentazione elettronica in affitto dall’Electronics Pool del CERN : 15 k€
b) Prelievo di materiali vari dai magazzini CERN (stazione raggi cosmici
per test moduli,assemblaggio/installazione SuperModuli, “run”) : 50 k€
c) Consumi a Bologna (stazione raggi cosmici per test MRPC “strips”,
assemblaggio moduli) : 35 k€
Materiale Inventariabile
a)Sostituzione 2 posti lavor
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_TOF
Gruppo
3
o (WS) per analisi (inclusi VT LCD e IVA) : 3.5 k€
b)1 Oscilloscopio portatile per test su SpaceFrame, zona trigger,
balconate UX25 [TDS3052B : 500MHz, 2 ch] (IVA inclusa) : 9.0 k€
c)1 minicrate VME portatile (partizione TTC portatile)
[CAEN VME8002 − WIENER VME195, 9 slot 6U] (IVA inclusa) : 3.5 k€
per test schede (DRM,...)
d)1 kit di test per fibre ottiche ("patch cords")(IVA inclusa) : 2.5 k€
e)2 ricetrasmittenti (Counting room – SpaceFrame) (IVA inclusa) : 0.5 k€
Trasporti
Trasporto dei moduli di produzione assemblati con le MRPC “strips” da Bologna al CERN
Struttura
BO
Codice
Esperimento
ALICE_TOF
Gruppo
3
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
RICERCATORE
Cognome e Nome
Alici Andrea
Antonioli Pietro
Arcelli Silvia
Basile Maurizio
Cara Romeo Giovanni
Cifarelli Luisa
Cindolo Federico
Hatzifotiadou Despina
Luvisetto Maria Luisa
Margotti Anselmo
Nania Rosario
Noferini Francesco
Pesci Alessandro
Preghenella Roberto
Scapparone Eugenio
Scioli Gilda
Williams Meurig Crispin Stowe
Zampolli Chiara
Zichichi Antonino
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Affer.
al
%
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
AsRic
Ric.
R.U.
P.O.
Ric.
P.O.
D.R.
I Ric
Ric.
Ric.
D.R.
Dott.
Ric.
Dott.
Ric.
AsRic
D.R.
Dott.
P.E.
3
3
3
3
3
3
3
3
2
3
1
3
2
3
3
3
3
3
1
1
2
3
4
Elettr.
O.M.
P. Mecc.
STG
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
D.T.
50
Dipendenti
100 1 Laurenti Giuliano
60
100
100
100 Tecnologi Full Time Equivalent
Qualifica
80
TECNICI
80 N
Dipendenti
Incarichi
Cognome e Nome
Collab.
Assoc.
100
Ruolo Art. 15
tecnica
tecnica
60
70
50
100
60
100
100
100
100
100
40
16 Tecnici Full Time Equivalent
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
N
TECNOLOGI
mesi−uomo
24.0
24.0
12.0
24.0
Mod EC./EN. 7
1
0.5
%
0
0
Codice
Esperimento
Gruppo
FINUDA
3
Rapp. Naz.: Tullio Bressani
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA
NUCLEARE
Rappresentante nazionale:
Struttura di appartenenza:
Posizione nell'I.N.F.N.:
Tullio Bressani
TO
INFORMAZIONI GENERALI
Fisica degli Ipernuclei
Linea di ricerca
I.N.F.N. / L.N.F.
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
FINUDA
Sigla dello
esperimento
assegnata
dal laboratorio
Collisionatore eze{ DA¦NE
Acceleratore usato
D2 (seconda zona d'interazione) eze{ (510−510) MeV
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato
strumentale
utilizzato
K{stop + Nucleo −> À{prompt + Ipernucleo. Decadimento ipernucleo. Aggregati nucleari di Antikaoni
profondamente legati
Spettrometro magnetico a grande accettanza e buona risoluzione energetica per particelle cariche.
Spettrometro per neutroni.
BARI, BOLOGNA, BRESCIA, LNF, PAVIA, TORINO, TRIESTE
Sezioni partecipanti
all'esperimento
TRIUMF, KEK (Giappone), RIKEN (Giappone), Seoul National University (Corea del Sud), Teheran Shahid
Istituzioni esterne Beheshty University (Iran),GSI
all'Ente partecipanti
Almeno 3 anni
Durata esperimento
Mod EC. 1
(a cura del responsabile nazionale)
Struttura
BO
Codice
Esperimento
FINUDA
Resp. loc.: R. Dona'
Gruppo
3
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
11 settimane/uomo per 1.2 FTE (partecipazione turni di misura e calibrazioni presso
Dafne; test di misura delle deformazioni di una microstrip del rivelatore di vertice con
sensori del tipo Fiber Bragg Grating da effettuarsi presso ENEA Frascati; riunioni di
collaborazione).
12,0
Acquisto stampante laser, scanner, toner, supporti magnetici e ottici per backup di dati.
1,0
di cui SJ
12,0
1,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Totale
13,0
di cui SJ
0,0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
BO
Codice
Esperimento
FINUDA
Gruppo
3
Struttura
BO
Codice
Esperimento
FINUDA
Gruppo
3
Codice
Esperimento
Gruppo
FINUDA
3
NUCLEARE
PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2007
In KEuro
A CARICO DELL' I.N.F.N.
Struttura
Missioni
interne
Missioni
estere
SJ
BA
BO
LNF
PV
TO
TS
TOTALI
170,0
12,0
18,0
60,0
320,0
55,0
635,0
Materiale
di
consumo
SJ
15,0
55,0
55,0
Trasporti
e
facchinaggi
SJ
Spese
di
calcolo
SJ
18,0
5,0
25,0
7,0
30,0
1,0
188,0
3,0
50,0
32,0
2,0
5,0
70,0
304,0
7,0
Affitti
e
Materiale Costruzione
manutenz. inventariabile apparati
SJ
SJ
SJ
SJ
15,0
2,0
2,0
30,0
6,0
12,5
12,0
75,5
A
carico
di altri
Enti
TOTALE
Compet.
SJ
230,0
13,0
256,0
74,0
409,5 80,0
111,0
5,0
20,0
5,0
20,0 1093,5 80,0
NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente
Mod EC./EN. 4
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
Codice
Esperimento
Gruppo
FINUDA
3
NUCLEARE
A) ATTIVITA' SVOLTA FINO A GIUGNO 2006
Da Aprile a Giugno è stata effettuata l' operazione di rimontaggio dell' apparato con il nuovo insieme di targhette (2x6Li, 2x7Li, 2x9Be,
1x13C, 1xD2O). Tutte le fasi sono state completate secondo il programma di lavoro presentato, discusso ed approvato. Il roll−in del
rivelatore è previsto per la fine Giugno/inizi di Luglio.
Sono state completate molte analisi dei dati finora raccolti, ed i risultati inviati per la pubblicazione su riviste. I risultati delle ultime analisi
verranno presentati all Conferenza HYP 2006, la più importante del settore con cadenza triennale, nell' Ottobre 2006 a Mainz.
Nei mesi di Luglio− Agosto (??)2006 è prevista una campagna di calibrazione ed allineamento del rivelatore con raggi cosmici, con e
senza campo magnetico.
A Settembre è previsto l. inizio della presa dati, che si dovrebbe protrarre alla prima metà del 2007.
B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2007
Gennaio−Giugno: possibile completamento della presa dati (se verrà raccolta una luminosità integrata di almeno 1 fb−1, analisi fisica
preliminare dei dati raccolti.
Luglio: ricalibrazione finale del rivelatore
Agosto−Dicembre: possibile ripresa della presa dati. Continuazione dell' analisi fisica dei dati raccolti.
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
finanziario
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
TOTALE
Missioni
interne
Missioni
estere
Materiale di Trasporti e
consumo facchinaggi
36,1
36,1
105,8
131,6
317,6
426,0
258,2
340,8
418,3
325,0
384,0
460,0
414,0
469,0
644,0
46,4
28,4
108,4
180,2
50,0
24,2
41,3
42,3
53,1
49,0
40,0
49,0
42,0
56,0
65,0
87,7
113,6
666,2
253,0
271,1
260,2
290,7
358,9
338,2
261,0
215,0
181,0
182,0
132,0
252,5
5,1
2,5
28,4
165,2
12,9
11,3
20,6
25,8
23,0
13,0
6,0
6,5
5,0
7,0
4766,5
875,3
3863,1
332,3
Spese di
calcolo
Affitti e
manutenz.
15,4
25,8
15,4
26,0
30,0
112,6
In kEuro
Materiale
Costruzione
inventariabile
apparati
123,9
92,9
243,7
1495,1
353,7
509,7
245,8
385,7
80,5
95,0
70,0
114,0
71,5
82,0
68,5
4032,0
2324,0
397,6
1032,9
196,2
171,9
28,4
15,4
20,0
20,0
TOTALE
314,6
2597,5
1521,7
3121,2
1379,6
1404,9
847,3
1176,7
946,7
779,0
752,0
810,0
736,0
764,0
1037,0
4206,4 18188,2
Mod EC. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Codice
Esperimento
Gruppo
FINUDA
3
NUCLEARE
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In KEuro
ANNI
Missioni Missioni
FINANZIARI interne estere
690,0
630,0
630,0
2007
2008
2009
TOTALI
70,0
110,0
110,0
1950,0 290,0
Mod EC./EN. 6
Spese
Materiale
Affitti e
Trasporti e
di
di
facchinaggi
calcolo
consumo
20,0
2,0
80,5
7,0
304,0
20,0
90,0
10,0
300,0
20,0
90,0
10,0
300,0
904,0
27,0
2,0
0,0
260,5
60,0
TOTALE
Compet.
1173,5
1160,0
1160,0
3493,5
Struttura
BO
Codice
Esperimento
FINUDA
Gruppo
3
N
Qualifica
Affer.
Incarichi
al
%
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
1 Dona' Roberto
2 Vitale Antonio
R.U.
P.O.
3
1
100
20
N
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Annotazioni:
mesi−uomo
Mod EC./EN. 7
0
0
%
Collab.
Assoc. tecnica
tecnica
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
N
TECNOLOGI
0
0
Codice
Esperimento
Gruppo
FINUDA
3
NUCLEARE
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2007
Data
completamento
Descrizione
30−06−2007
Fine presa dati corrispondente a 1 fb−1.
31−12−2007
Completamento dell' analisi di alcuni canali di reazione.
31−12−2007
Completamento di un' eventuale ulteriore presa dati
Mod EC./EN. 8
Struttura
BO
Codice
Esperimento
N−TOF
Resp. loc.: G. Vannini
Gruppo
3
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
Riunioni collaborazione nazionale e analisi dati
di cui SJ
11,5
11,5
Riunioni di collaborazione
10,0
Discussioni analisi dati
9,0
Set−up apparati sperimentali, preparazione turni di misura e presa dati
23,0
Metabolismo locale
1,0
42,0
1,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
Un Pc
3,0
3,0
Totale
57,5
di cui SJ
0,0
Mod EC./EN. 2
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Struttura
BO
Codice
Esperimento
N−TOF
Gruppo
3
Struttura
BO
Codice
Esperimento
N−TOF
Gruppo
3
Codice
Esperimento
Gruppo
N−TOF
3
Rapp. Naz.: Nicola Colonna
NUCLEARE
In KEuro
Struttura
Missioni
interne
Missioni
estere
SJ
BA
BO
LNL
TS
TOTALI
Materiale
di
consumo
SJ
SJ
10,0
11,5
12,0
5,0
47,0
42,0
72,0
41,5
26,0
1,0
9,0
2,0
38,5
202,5
38,0
Trasporti
e
facchinaggi
SJ
Spese
di
calcolo
Affitti
e
SJ
SJ
SJ
SJ
10,0
3,0
3,0
2,5
3,0
3,0
5,5
13,0
9,0
TOTALE
Compet.
SJ
93,0
57,5
98,5 12,0
48,5
9,0 297,5 12,0
Mod EC./EN. 4
A
carico
di altri
Enti
0,0
0,0
0,0
0,0
Esperimento n_TOF: piano triennale 2007-2009
Proponenti:
N. Colonna (Responsabile nazionale, 100 %), S. Marrone (60%), G. Tagliente (100 %)
INFN, Sezione di Bari
P.F. Mastinu (resp. locale, 80 %), M. Calviani (100 %), M. De Poli (20 %), F. Gramegna (20 %),
A.J.P. Rodriguez (100 %), Shen-Quan Yan (100 %)
INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro
P.M. Milazzo (resp. locale, 100 %), U. Abbondanno (30 %), K. Fujii (100 %)
INFN, Sezione di Trieste
G. Vannini (resp. locale, 30 %), A. Ventura (100 %), C. Massimi (100 %)
Dipartimento di Fisica, Univ. di Bologna, ENEA e INFN, Sez. di Bologna
Introduzione
Completata nel 2004 la prima fase di misure presso la facility per neutroni n_TOF al CERN, lo scorso anno è stata
presentata all’INTC (Isolde and n_TOF Commitee) la proposta di una nuova fase di misure per i prossimi anni. La
prosecuzione dell’attività sperimentale ad n_TOF è prevista nel mid-term plan del CERN, che si è impegnato a fornire
il fascio e il necessario supporto alla facility fino al 2010. Le nuove misure riguarderanno principalmente sezioni d’urto
di cattura di interesse per l’Astrofisica e per i progetti di trasmutazione delle scorie radioattive, nonché lo studio delle
reazioni di fissione coinvolte nella produzione di energia (ciclo Th/U) e nella trasmutazione degli attinidi minori.
Saranno utilizzati gli apparati sperimentali appositamente sviluppati e impiegati con successo nella prima fase, in
particolare un calorimetro γ a BaF2 per la misura delle reazioni di cattura, Parallel Plate Avalanche Counters (PPAC) e
Fast Ionization Chambers (FIC) per le reazioni di fissione. Le nuove misure sarebbero dovute iniziare già nel 2006, ma
a causa della richiesta da parte del servizio di Radioprotezione del CERN di sostituire il bersaglio di spallazione,
l’inizio del nuovo programma è slittato al 2007. Il presente piano finanziario, di durata triennale, riguarda la
partecipazione del gruppo INFN alla nuova fase di misure presso la facility n_TOF.
Il progetto n_TOF
A partire dal 2001, è entrata in funzione al CERN una innovativa facility per neutroni,
n_TOF. Le caratteristiche innovative del fascio di neutroni, in particolare l’elevato flusso
istantaneo, hanno permesso di misurare numerose sezioni d’urto per reazioni di cattura e di
fissione di interesse per l’Astrofisica Nucleare e per applicazioni nel campo delle tecnologie
nucleari avanzate. La Tabella 1 contiene la lista delle misure effettuate nella prima campagna
sperimentale della Collaborazione n_TOF. Una parte consistente delle misure ha riguardato
isotopi radioattivi, in alcuni casi mai studiati prima d’ora (come per esempio per il
151
Sm e il
1
241
Am). Fra questi, da notare le reazioni di cattura su isotopi dell’Uranio e su attinidi minori, di
interesse per i progetti di trasmutazione delle scorie radioattive. Tali misure sono state effettuate
nel corso del 2004 con un calorimetro per raggi γ a BaF2, progettato e sviluppato appositamente
per n_TOF, al fine di minimizzare il contributo delle varie sorgenti di background, in particolare
quello indotto dal fascio di neutroni. I risultati ottenuti ad n_TOF, caratterizzati da elevata
precisione, alta risoluzione e basso background, assumono una grande rilevanza da un lato per il
miglioramento dei modelli di Nucleosintesi Stellare, e dall’altro per la progettazione ed
eventualmente la realizzazione di sistemi (reattori di quarta generazione e/o ADS) per la
trasmutazione delle scorie radioattive. Anche nel caso delle reazioni di fissione, i dati raccolti ad
n_TOF sono in molti casi caratterizzati da una migliore risoluzione, minor incidenza del
background e maggiore accuratezza rispetto ai dati precedentemente esistenti.
Table 1: Lista delle reazioni indotte da neutroni misurate nel periodo 2001-2004 ad n_TOF
Misure di Cattura
151
233,234,236
Sm
204,206,207,208
209
232
Misure di Fissione
232
Pb
Th
Bi
237
Th
241,243
139
245
La
U
Np
Am
Cm
24,25,26
Mg
90,91,92,93,94,96
Zr
186,187,188
233,234
Os
U, 237Np, 240Pu,
197
Au
243
Am
235,238
U
L’INFN ha partecipato sin dall’inizio al progetto n_TOF, prendendo parte attiva alla
costruzione della facility, alla costruzione degli apparati sperimentali, alle varie misure ed infine
all’analisi dei dati. A partire dal 2000, il gruppo INFN ha usufruito per la partecipazione al
progetto, di un finanziamento totale pari a 1400 k€, di cui 250 k€ forniti dalla Commissione
Europea nell’ambito di un contratto del V Programma Quadro (dal 2001 al 2004). La
2
partecipazione media nei sei anni dell’esperimento, è stata di circa 10 ricercatori, e circa 8 FTE. Da
notare la nutrita partecipazione al progetto di giovani ricercatori, in particolare di dottorandi (due
tesi già completate e tre attualmente in corso), assegnisti e borsisti EC. La formazione dei giovani
ricercatori, che hanno acquisito competenza ed esperienza in vari campi, rappresenta a nostro
parere, uno degli risultati più importanti raggiunti dal progetto n_TOF.
La prima campagna di misure ad n_TOF conclusasi con successo nel 2004, non ha esaurito le
necessità di dati nucleari nei campi dell’Astrofisica e delle applicazioni. In particolare, la
disponibilità del calorimetro per il solo 2004 ha consentito di effettuare solo una minima parte delle
misure richieste nel campo delle tecnologie nucleari emergenti. Inoltre, a causa delle restrizioni
sull’utilizzo di bersagli radioattivi, che è stato necessario sigillare in capsule di Titanio, i dati sono
inficiati da un background dovuto alla cattura neutronica nelle capsule, difficile da sottrarre, e che
quindi peggiorano l’accuratezza nella regione al di sopra del keV (laddove la sezione d’urto del Ti
presenta una grossa risonanza). Pertanto, la Collaborazione n_TOF ha ritenuto opportuno
intraprendere una nuova campagna sperimentale, per misurare nuovi isotopi o per ripetere misure
già effettuate in passato, ma con una soluzione che minimizzi il background indotto dalla capsula in
Titanio. Inoltre, per alcuni isotopi disponibili in quantità molto piccola, o altamente radioattivi, un
grosso vantaggio deriverebbe dall’effettuare le misure di cattura in una seconda area sperimentale
molto più vicina al bersaglio di spallazione (20 metri a fronte dei circa 200 della sala sperimentale
attuale). Si potrebbe così utilizzare un flusso di neutroni di gran lunga superiore a quello attuale, di
un fattore 100, che renderebbe fattibili misure (sebbene con una risoluzione energetica minore)
attualmente impossibili da effettuare presso qualunque facility per neutroni. Pertanto, la
Collaborazione ha proposto la costruzione di una seconda linea di fascio, perpendicolare alla prima,
in cui effettuare misure ad altissimo flusso, quali
231,233
Pa,
241
Am e
245
Cm. Per minimizzare i costi
della costruzione e i problemi di radioprotezione associati all’accesso a questa nuova area, è stato
proposto di costruire la nuova area direttamente sopra il bersaglio. Attualmente sono in corso le
simulazioni per ottimizzare le caratteristiche del fascio di neutroni.
La proposta di una nuova fase pluriennale di misure presso la facility n_TOF (“n_TOFPh2, vedasi file pdf allegato), è stata presentata ad Aprile 2005 all’INTC. Le misure proposte sono
riportate nella Tabella 2. La proposta è stata discussa ed approvata dall’INTC, che ha incoraggiato
la collaborazione a proseguire l’attività sperimentale al CERN, sfruttando appieno le
caratteristiche innovative della facility per neutroni, nonché le elevate prestazioni degli apparati
sperimentali e del sistema di acquisizione, sviluppati ed utilizzati per la prima campagna di misure
(vedasi rapporto INTC, CERN-INTC-2005-035, INTC-M-013, 24 Nov. 2005, par. 6.2).
3
Tabella 2: Lista delle principali misure proposte per la fase 2 del progetto n_TOF (anni 2007-2009). In rosso
gli isotopi che necessitano di una nuova area sperimentale a più breve distanza dal bersaglio di spallazione.
Misure di Cattura
Mo, Ru, Pb
Astrofisica Nucleare (residui di r-process)
Fe, Ni, Zn, Se
Astrofisica Nucleare (s-process) +
applicazioni (materiali strutturali nei reattori
tradizionali e ADS)
233,234
U, 231,233Pa
235,238
239,240,242
ADS, ciclo del Th/U
U
Standard di misura, reattori tradizionali
Pu, 241,243Am, 245Cm
Trasmutazione attinidi minori
Misure di Fissione
231
Pa, 245Cm, 241Pu, 241,243Am, 244Cm
244
U
Trasmutazione scorie radioattive
Studio degli stati vibrazionali alla barriera di
fissione
Altre misure
147
Sm(n,α), 67Zn(n,α), 99Ru (n,α)
58
Ni(n,p)
Astrofisica Nucleare (studio degli s-process)
Produzione di gas in materiale strutturale
Dopo il fermo degli acceleratori al CERN nel 2005, era previsto che il programma
sperimentale ad n_TOF riprendesse nel 2006, con le prime misure già approvate dall’INTC
(reazioni di cattura per vari isotopi del Fe e Ni, e fissione per Am e Cm). Tuttavia, il servizio di
radioprotezione del CERN ha chiesto di sostituire il bersaglio di spallazione di Pb, a causa di una
elevata radioattività riscontrata nell’acqua di raffreddamento, probabilmente dovuta al
deterioramento (con microfratture o ossidazione) del vecchio bersaglio. Attualmente è in
costruzione un nuovo bersaglio, provvisto di un “cladding” in zirc-alloy (una lega di alluminio e
zirconio). L’installazione del nuovo bersaglio di spallazione è prevista entro la fine del 2006 o
primi mesi del 2007. Per questo motivo, non sarà possibile effettuare misure nel corso del 2006,
ed il programma sperimentale riprenderà nel 2007. I costi per la costruzione del nuovo bersaglio,
stimati in circa 450 kEu, saranno in grossa parte sopportati dal CERN, con un piccolo contributo
richiesto, per simulazioni e installazione, alla Collaborazione (la quota richiesta alla
4
Collaborazione è attualmente oggetto di negoziazione, e sarà inserita all’interno nel nuovo
Memorandum of Understanding in fase di definizione).
Il nuovo bersaglio di spallazione, attualmente in fase di costruzione, è stato progettato per
ottimizzare anche il flusso nella seconda area sperimentale. La costruzione di questa nuova area
non è stata ancora approvata dal CERN, ne è stata definita l’eventuale ripartizione dei costi fra il
CERN e la Collaborazione. Allo stato attuale si stima che per la costruzione della nuova sala e per
l’approntamento della linea di fascio potrebbero essere richiesti alla collaborazione circa 200 kEu,
di cui una parte consistente potrebbero derivare dai fondi di Maintenance and Operation.
Attività del gruppo INFN e richieste finanziarie 2007-2009
Al progetto n_TOF partecipa, sin dalle sue prime fasi (a partire dal 2000), un gruppo di
ricercatori afferenti a quattro sezioni dell’INFN (Bari, Bologna, LNL, Trieste). Il gruppo ha
partecipato attivamente alla progettazione [3,4], costruzione [1,6], installazione e debugging degli
apparati sperimentali, nonché all’analisi dei dati [9,10,13,14,15,19]. Nel dettaglio, l’INFN ha
fornito un grosso contributo all’approntamento dei rivelatori per le reazioni di cattura, in
particolare un calorimetro γ a BaF2, per il quale ha costruito le capsule in fibra di carbonio
additivato con 10B in cui sono inseriti i cristalli, che hanno lo scopo di minimizzare il background
indotto dai neutroni diffusi dal bersaglio. Conseguentemente, il gruppo INFN ha preso in carico
l’analisi dati di numerose misure di cattura, fra cui quelle su attinidi minori di interesse per i
progetti di trasmutazione delle scorie radioattive. Da qualche mese, grazie soprattutto all’aggiunta
di tre nuovi dottorandi (a Bologna, Legnaro e Trieste), l’attività di analisi dati del gruppo INFN si
è incrementata, particolarmente con il gruppo dei LNL attivamente coinvolto nell’analisi dei dati
delle reazioni di fissione e nello sviluppo di nuovi rivelatori.
Per i prossimi tre anni, si prevede di continuare l’attività di analisi dati, sia delle reazioni
misurate nella prima campagna (fino al 2004), sia delle misure che saranno effettuate a partire dal
2007. Non sono previsti grossi upgrade degli apparati sperimentali esistenti, mentre sarà
completata la costruzione di rivelatori per reazioni (n,p) e (n,α) di interesse per l’Astrofisica.
Inoltre è allo studio la possibilità di realizzare un calorimetro a 4π per la misura dei frammenti di
fissione con risoluzione in massa ed energia, impiegando rivelatori tipo CORSET, che grazie ad
una risoluzione temporale di 180 ps, consentirebbero la ricostruzione dei frammenti con la tecnica
del tempo di volo.
Il gruppo proponente è attualmente costituito da 15 ricercatori (di cui 9 staff) afferenti alle
Sezioni dell’INFN di Bari, Bologna, Laboratori Nazionali di Legnaro e Trieste - per un totale di
5
11.3 FTE (partecipazione media circa 80 %). L’esperienza, le competenze e gli interessi scientifici
del gruppo italiano, acquisite nell’ambito del primo piano triennale n_TOF, sono in linea con le
attività previste. I proponenti ritengono opportuno non disperdere tali competenze, proseguendo su
questa attività anche nei prossimi tre anni.
Considerato che la maggior parte degli apparati da utilizzare sono già stati costruiti, si
richiede un livello di finanziamento sufficiente a garantire la funzionalità degli apparati, in
particolare del monitor di fascio, del calorimetro γ e del sistema di acquisizione, nonché per il
completamento di nuovi rivelatori per reazioni (n,p) ed (n,α). Riteniamo pertanto necessario per il
2007 e per i due anni successivi, un finanziamento totale di circa 250 k€/anno, di cui 10 k€ per
Apparati, 10 k€ per Consumo, 35 k€ di Missioni Interne e 180 k€ di Missioni Estere, per effettuare
le misure presso la facility n_TOF al CERN. A questi andrebbero poi aggiunti gli eventuali
Running Costs al CERN, per un totale prevedibile di ulteriori 22 k€/anno su Consumo.
Rispetto agli anni precedenti, le richieste sono superiori di circa un 25 %. Tale incremento è
dovuto principalmente all’aumentato numero di ricercatori equivalenti, passato da una media di 9
FTE degli anni scorsi agli oltre 11 attuali.
Pubblicazioni
[1] S. Marrone et al., Nucl. Instr. Meth. A490 (2002) 299
[2] J.L. Tain et al., J. Nucl. Sci. Tech., S2 (2002) 689
[3] P.M. Milazzo et al., Nucl. Instr. Meth. B213 (2003) 36
[4] N. Colonna et al., Nucl. Instr. Meth. B213 (2003) 104
[5] S. Marrone, Nucl. Instr. Meth. B213 (2003) 246
[6] S. Marrone et al., Nucl. Instr. Meth. A517 (2004) 389
[7] U. Abbondanno et al., Nucl. Instr. Meth. A521 (2004) 545
[8] J. Pancin et al., Nucl. Instr. Meth. A 524 (2004) 102
[9] G. Lorusso et al., Nucl. Instr. Meth. A 532 (2004) 622
[10] U. Abbondanno et al., Phys. Rev. Lett. 93, (2004) 161103
[11] U. Abbondanno et al., Nucl. Instr. Meth. A 538, 692 (2005)
[12] U. Abbondanno et al., Nucl. Phys. A 758, 501 (2005)
[13] S. Marrone et al., Nucl. Phys. A 758, 533 (2005)
[14] G. Tagliente et al., Nucl. Phys. A 758, 573 (2005)
[15] S. Marrone et al, Phys. Rev. C 73, 03604 (2006)
6
[16] G. Aerts et al., Phys. Rev. C 73, 054610 (2006)
[17] P.F. Mastinu, Journal of Physics 41, 352 (2006)
[18] C. Domingo-Pardo et al., Phys. Rev. C in press
[19] S. Marrone et al., subm. to Phys. Rev. C
[20] C. Domingo-Pardo et al., subm. to Phys. Rev. C
Tesi di dottorato: S. Marrone, Università di Bari: “Measurement of neutron capture cross-sections
at the n_TOF facility at CERN”
Tesi di dottorato: R. Terlizzi, Università di Bari: “Misura di sezioni d’urto di cattura neutronica
per 139La e 237Np a n_TOF”.
7
EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH
CERN-INTC-2005-021
INTC-P-197
April 2005
Proposal to the INTC Committee
n_TOF-Ph2
The physics case and the related proposal for measurements at the CERN
Neutron Time-of-Flight facility n_TOF in the period 2006-2010
(The n_TOF Phase-2 initiative)
Edited on behalf of the n_TOF Collaboration Board by:
A Mengoni (CERN, Geneva/ENEA, Bologna)
F Käppeler (FZK, Karlsruhe)
E Gonzales Romero (CIEMAT, Madrid)
2
U. Abbondanno20, H. Álvarez36, F. Alvarez-Velarde33, S. Andriamonje9, J. Andrzejewski28,
P. Assimakopoulos12, L. Audouin11, G. Badurek1, P. Baumann8, F. Bečvář 5, E. Berthoumieux9,
A. Borella9, F. Calviño37, D. Cano-Ott33, R. Capote35,2, A. Carrillo de Albornoz30, P. Cennini39,
V. Chepel29, N. Colonna19, G. Cortes37, A. Couture42, J. Cox42, S. David7, I. Dillmann11,
C. Domingo-Pardo34, W. Dridi9, I. Duran36, M. Embid-Segura33, L. Ferrant7, A. Ferrari39,
R. Ferreira-Marques29, K. Fujii20, W. Furman31, S. Ganesan16, C. Guerrero33, I. Goncalves30,
R. Gallino23, E. Gonzalez-Romero33, A. Goverdovski32, F. Gramegna18, F. Gunsing9,
R. Haight40, M. Heil11, A. Herrera-Martinez39, M. Igashira25, E. Jericha1, Y. Kadi39,
F. Käppeler11, D. Karamanis12, D. Karadimos12, M. Kerveno8, V. Ketlerov32, G. Kim27,
P. Koehler41, V. Konovalov31, E. Kossionides14, M. Krtička5, C. Lamboudis13, H. Leeb1,
A. Lindote29, I. Lopes29, M. Lozano35, S. Lukic8, J. Marganiec28, L. Marques30,
G. Martin Hernandez4, S. Marrone19, P. Mastinu18, A. Mengoni39,17, P.M. Milazzo20,
C. Moreau20, M. Mosconi11, Y. Nagai26, F. Neves29, H. Oberhummer1, S. O'Brien42,
M. Oshima24, J. Pancin9, C. Papachristodoulou12, C. Papadopoulos15, C. Paradela36,
N. Patronis12, A. Pavlik1, P. Pavlopoulos10, R. Plag11, A. Plompen3, A. Poch37, C. Pretel37,
J. Quesada35, T. Rauscher38, R. Reifarth40, C. Rubbia21, G. Rudolf8, P. Rullhusen3,
J. Salgado30, C. Stephan7, G.Tagliente19, J.L. Tain34, L. Tassan-Got7, L. Tavora30, R. Terlizzi19,
G. Vannini22, P. Vaz30, A. Ventura17, D. Villamarin33, M.C. Vincente33, V. Vlachoudis39,
R. Vlastou15, F. Voss11, S. Walter11, M. Wiescher42
The n_TOF Collaboration
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
Atominstitut der Österreichischen Universitäten,Technische Universität Wien, Austria
IAEA – Nuclear Data Section, Viena, Austria
CEC-JRC-IRMM, Geel, Belgium
Centro de Aplicaciones Tecnologicas y Desarollo Nuclear, Havana, Cuba
Charles University, Prague, Czech Republic
Centre National de la Recherche Scientifique/IN2P3 - CENBG, Bordeaux, France
Centre National de la Recherche Scientifique/IN2P3 - IPN, Orsay, France
Centre National de la Recherche Scientifique/IN2P3 - IReS, Strasbourg, France
CEA/Saclay - DSM, Gif-sur-Yvette, France
Pôle Universitaire Léonard de Vinci, Paris La Défense, France
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (FZK), Institut für Kernphysik, Germany
University of Ioannina, Greece
Aristotle University of Thessaloniki, Greece
NCSR, Athens, Greece
National Technical University of Athens, Greece
Bhabha Atomic Research Centre, Mumbai, India
ENEA, Bologna, Italy
Laboratori Nazionali di Legnaro, Italy
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Bari, Italy
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Trieste, Italy
Università degli Studi Pavia, Italy
Dipartimento di Fisica, Università di Bologna, and Sezione INFN di Bologna, Italy
Dipartimento di Fisica Generale, Università di Torino and Sezione INFN di Torino, Italy
Japan Atomic Energy Research Institute, Tokai-mura, Japan
Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan
Osaka University, RCNP, Osaka, Japan
Kyungpook National University, Daegu,, Korea
University of Lodz, Poland
LIP - Coimbra & Departamento de Fisica da Universidade de Coimbra, Portugal
3
30. Instituto Tecnológico e Nuclear, Lisbon, Portugal
31. Joint Institute for Nuclear Research, Frank Laboratory of Neutron Physics, Dubna,
Russia
32. Institute of Physics and Power Engineering, Kaluga region, Obninsk, Russia
33. Centro de Investigaciones Energeticas Medioambientales y Technologicas, Madrid,
Spain
34. Consejo Superior de Investigaciones Cientificas - University of Valencia, Spain
35. Universidad de Sevilla, Spain
36. Universidade de Santiago de Compostela, Spain
37. Universitat Politecnica de Catalunya, Barcelona, Spain,
38. Department of Physics and Astronomy - University of Basel, Switzerland
39. CERN, Geneva, Switzerland
40. Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
41. Oak Ridge National Laboratory, Physics Division, Oak Ridge, USA
42. University of Notre Dame, Notre Dame, USA
4
Table of Contents
ABSTRACT
7
SUMMARY TABLE OF THE PROPOSED MEASUREMENTS
9
INTRODUCTION
11
GENERAL MOTIVATIONS
13
1. The physics case for neutron cross section measurements for nuclear
astrophysics
13
2. The physics case for nuclear data measurements for advanced nuclear
technologies and nuclear waste transmutation
16
3. The physics case for neutron cross section measurements for basic nuclear
physics
20
FACILITY
22
Interventions in the present target-cooling assembly configuration
22
The Second n_TOF beam-line
22
The Second n_TOF experimental area (EAR-2)
24
CAPTURE STUDIES
27
Introduction
27
Nuclear Astrophysics
27
Stellar neutron capture cross sections of Mo, Ru, and Pd isotopes
27
The s-process efficiency in massive stars
28
Radioactive branch points and stellar neutron poisons
29
Nuclear waste transmutation & related nuclear technology studies
31
NEUTRON INDUCED FISSION STUDIES
34
Introduction
34
Measurement of the 235U fission cross section up to 150 MeV
35
Fragment Distributions of Vibrational Resonances at the Fission Barrier
38
5
Fission cross sections and related measurements with PPACs detectors
40
Fission-fragments angular distributions
41
Fission-fragments yields
43
OTHER REACTIONS
45
(n,p), (n,α), and (n,xc) reactions
45
Detection systems 1: Compensated Ion Chamber (CIC)
47
Detection systems 2: MICROMEGAS
48
Detection systems 3: ΔE-E telescopes
49
Neutron scattering reactions
50
MEASUREMENTS RELATED TO DETECTOR DEVELOPMENTS
53
Gas detectors
53
Neutron cross-section measurements of relevance for Radiation Dosimetry,
Radiation Protection and Radiation Transport
54
REFERENCES
57
6
ABSTRACT
The following document represents a proposal for the experimental program
to be performed at the CERN Neutron Time-of-Flight facility n_TOF for the period
2006-2010. The experimental program follows the lines defined during the first
three experimental campaigns in 2002, 2003, and 2004, which identified the three
main objectives of the experimental activities at n_TOF: (1) neutron cross section
measurements for nuclear astrophysics, (2) nuclear data measurements for advanced
nuclear technologies and nuclear waste transmutation, and (3) neutron cross section
measurements for basic nuclear physics.
After a description of the physics case for the three main lines of activity, the
experimental plan for each group of measurements is outlined in some detail. The
most important measurements to be performed during the second phase of activities
(n_TOF-Ph2) are identified and the related detection systems are described.
A first sketch of the proposal for the construction of a second neutron beam
line and of the corresponding experimental area (EAR-2) is presented together with
a discussion of the decisive improvements, which this initiative would bring in terms
of neutron intensity, background conditions, and a more efficient use of the facility.
7
8
SUMMARY TABLE OF THE PROPOSED MEASUREMENTS
This summary table contains a list of the proposed measurements for the n_TOF-Ph2
period (2006-2010). Measurements which require the second beam line and its related
experimental area (EAR-2) are marked in red.
Capture measurements
Mo, Ru, Pd stable isotopes
calculation of r-process residuals
isotopic patterns in SiC grains
Fe, Ni, Zn, Se stable isotopes
s-process nucleosynthesis in massive stars
accurate nuclear data needs for structural
materials
A≈150 (isotopes varii)
s-process branching points
long-lived fission products
234,236
Th/U nuclear fuel cycle
235,238
standards, conventional U/Pu fuel cycle
U, 231,233Pa
U
239,240,242
Pu, 241,243Am, 245Cm
incineration of minor actinides
197
Calibrations
Au, C, Pb
Fission measurements
231
Pa,245Cm,241Pu,241,243Am,244Cm fission cross section data for minor actinides
235
new 235U(n,f) cross section standard
Varii
FF angular distribution
Varii
FF mass distribution
234
study of vibrational resonances at the fission
barrier
U(n,f) with p(n,p’)
U(n,f)
Other measurements
147
Sm(n,α), 67Zn(n,α), 99Ru(n,α)
p-process studies
58
gas production in structural materials
Al, V, Cr, Zr, Th, 238U(n,lcp)
structural and fuel material for ADS and other
advanced nuclear reactors
He, Ne, Ar, Xe
low-energy nuclear recoils (development of gas
detectors)
n+D2
neutron-neutron scattering length
Total reaction cross sections on
various materials (C, N, O, etc.),
CR-39 and TLD dosimetry
radiation protection, dosimetry and radiation
transport
Ni(n,p), other (n,lcp)
9
10
INTRODUCTION
The experimental program at the CERN neutron Time-of-Flight facility
n_TOF in the three experimental campaigns in 2002, 2003 and 2004 has covered
capture and fission cross section measurements on a large number of samples.
Capture and Fission measurements
Measurements of capture and fission cross sections performed at CERN
n_TOF during the 2002, 2003 and 2004 experimental campaigns. Radioactive
species are marked in bold.
Capture
measurements
Fission
measurements
151
233,234,236
Sm
204,206,207,208
Pb
209
Bi
Th
139
La
232
24,25,26
U
Th
237
Np
241,243
Am
245
Cm
232
Mg
90,91,92,93,94,96
186,187,188
Zr
Os
233,234
U
237
Np
243
Am
240
Pu
197
Au
235,238
U
Most of the measurements have been performed within the framework
defined by the n_TOF-ND-ADS Project (n_TOF Nuclear Data for Accelerator
Driven Systems), an FP5 initiative of the European Commission on basic studies for
the Partitioning and Transmutation (P&T) of nuclear wastes. The motivations and
physics cases of the various measurements have been provided in great detail in the
proposals for measurements submitted to the CERN INTC Committee during the
period 2000-2004 (n_TOF-02 to n_TOF-10). Most of the measurements had a strong
relevance, unique in a few cases, in nuclear astrophysics, in particular for studies on
s-process nucleosynthesis.
In the present proposal, the physics cases for measurements at n_TOF for a
“second phase” of activities (hence the title “n_TOF-Ph2”) are discussed. The
planned measurements are presented in sufficient detail for judging the relevance of
the physics to be performed during the future operation of n_TOF, presumably
covering the period 2006-2010.
After a general description of the physics cases for the three major lines of
activities, Nuclear Astrophysics, Advanced Nuclear Technologies, and Basic
Nuclear Physics, the proposals for different measurements, capture, fission and
cross sections for some other reaction channels will be presented.
11
Of particular relevance in the present proposal is the plan for the
construction of a second beam line and its related experimental area at a short
distance from the spallation module (n_TOF EAR-2). This additional beam line,
approximately 20 m long, would allow for a new class of measurements at n_TOF,
enhancing further the unique characteristics of n_TOF, in particular for the
extremely high instantaneous flux obtainable (a factor of ~100 higher than
presently available in EAR-1 at a flight path of 185 m). The 90º angle between the
incident proton beam and the new neutron beam line would, in addition, improve
drastically the background conditions in particular those due to the high-energy
particles at short times (“flash”). The opportunities for new classes of
measurements at this proposed new beam line are underlined in the various
proposals for measurements of capture, fission and other reaction channels.
An important aspect, which we want to stress in the Introduction, is the
predicted availability of protons for n_TOF. The facility is using the 20 GeV
proton beam from the PS. A recent study of the CERN AB Department [1] showed
that, giving the highest priorities to the LHC filling and the SPS experiments,
approximately 1.5 × 1019 protons per year could be allocated to n_TOF during the
period 2006-2010, without any influence on other fixed target experiments.
Considering that during the 2002-2004 period of operation the number of protons
delivered to the n_TOF target has been of the order of 1.3 × 1019 per year, it can be
inferred that experimental campaigns similar to those successfully performed
during the first three years of operation of n_TOF could also be planned for the
period 2006-2010. Hence, the present proposal has been well balanced in terms of
proposed measurements along the three main lines of activities in Nuclear
Astrophysics, Nuclear Technologies and Basic Nuclear Physics.
Finally, concerning the organizational aspects of the activities to be carried
on during n_TOF-Ph2, it is important to notice that a Letter of Intent has been
signed by 24 research institutes (with a total of 42 research teams), comprising
essentially all the partners in the previous n_TOF Collaboration (listed in the
n_TOF Memorandum of Understanding for the period 2000-2004) as well as four
Institutes from India, Cuba, China and South Korea. This Letter of Intent expresses
the interest in the continuation of the n_TOF activities and sets the basis for the
construction of the new n_TOF Memorandum of Understanding for n_TOF-Ph2. It
is foreseen to start the negotiation for a new MoU for the Phase-2, after the present
scientific proposal has been endorsed by the INTC and approved by the CERN
Research Board, hopefully within the end of 2005/beginning of 2006.
12
GENERAL MOTIVATIONS
1. The physics case for neutron cross section measurements for
nuclear astrophysics
All the elements heavier than iron are synthesized by neutron induced reactions. In
particular, approximately half of the elemental abundances between iron and bismuth
are produced by the slow neutron capture process (“s process”) while the other half is
contributed by the rapid neutron capture process (“r process”). In this context, “rapid”
or “slow” has to be associated with the rate of β-decay in comparison to the neutron
capture rate 1 . Generally speaking, the s process can be associated with the quiet, slow
burning phases of stellar evolution while the r process can be The s process
assigned to explosive scenarios Neutrons can be produced during burning phases of
13
such as supernovae.
C(α,n) or
stellar evolution by reactions such as
22
Both, the s and r process
are based on neutron capture
reactions. In particular, for the s
process, there is a direct
correlation between the neutron
capture cross section, σ(n,γ),
and the observed abundance of a
given isotope in the universe.
This correlation makes it
necessary to measure the
neutron capture cross sections of
all isotopes along the valley of
β-stability, a program which has
been going on since the early
days of nuclear astrophysics.
Ne(α,n). When enough amount of seed material is
available together with a sufficient neutron fluence,
successive neutron captures on seed nuclei and βdecays along the stability valley lead to the synthesis of
heavy elements. In the specific case of the s process,
56
the seed material is Fe, which is the final product of
charged-particle fusion reactions taking place in stars. A
quantitative theory of the s process formulated by D.
Clayton in the ‘60ies leads to the s-process condition
<σΑ>•NA ≈ const.
where <σ> is the Maxwellian averaged neutron capture
cross section and N is the abundance of the isotope with
mass number A. From this relation it follows immediately
that the abundances of nuclei with small neutron capture
cross sections are enhanced. In fact, this is precisely
what is observed in the solar-system abundance pattern.
Recently, the simple
picture just described has been
enriched by the enormous
progress made by astronomical
observations of stellar spectra as
well as by important developments in understanding and
modeling stellar evolution. In
the specific case of the s process,
the present scenario is connected
to the evolution of AGB
(“Asymptotic Giant Branch”)
stars. Moreover, the picture is
1
The half-life for β-decay is simply related to the beta decay rate λβ by τβ= ln2/λβ
while the neutron capture rate is λn = n <σv>. Here, n is neutron density, σ the neutron
capture cross section and v the neutron velocity.
13
clear enough to disentangle the two s process components, responsible for the
nucleosynthesis in two different stellar mass regimes: while the helium layers of
thermally pulsing low mass AGB stars are efficiently producing the s-process
abundances in the mass region 90 < A < 209, massive stars contribute mostly to the
region from A < 90 down to iron. In any case neutron capture cross sections with
accuracies at the level of a few percent are required for the quantitative description
of s-process nucleosynthesis.
Not only the need for neutron capture cross sections is enhanced by these
recent developments, but the necessity of high accuracy is evident. The accuracy at
the level of a few percent is mandatory for studying the details of the process taking
place in AGB stars in a realistic fashion.
Gd
152
153
154
155
156
157
Eu
151
152
153
154
155
156
Sm
150
151
152
153
154
Gd
Eu
Sm
Gd
Eu
Sm
Gd
Eu
Sm
Gd
Eu
Sm
Gd
Eu
Gd
Eu
Sm
93 a
s-process
Figure 1: s process branchings in the mass region A ≈ 150.
Particularly unique features of s process nucleosynthesis are branchings in
the reaction path. Since typical neutron capture times are of the order of one year,
the majority of unstable isotopes encountered by the neutron capture chain decays so
fast that neutron capture becomes negligible. A number of isotopes, however,
exhibit half lives comparable with the neutron capture time. The resulting
competition gives rise to a branching of the reaction path, a local phenomenon that
involves usually not more than eight isotopes before the branching is closed and the
capture path continues as a single reaction chain.
Detailed analyses of such branchings are so fascinating because the evolving
abundance patterns reflect the physical conditions at the stellar site of the s process.
In the simplest case, this is the stellar neutron flux but there are branchings that are
strongly determined by temperature, pressure or even by the convective motions in
the deep stellar interior. Obviously, this type of information represents stringent tests
for stellar models of the AGB phase, which is known to be the stage when the s
process operates. A prominent example of a branching point is 151Sm sketched in
Figure 1, which determines the reaction flow towards the s-only isotope 152Gd.
An essential piece of information for analysing the branchings in the reaction
path are the neutron capture cross sections of the unstable branch point isotopes
themselves. Such measurements are difficult because the radioactivity of the sample
may cause excessive backgrounds in the detectors or may be unacceptable because
of standard safety limits. Both problems suggest that sufficiently sensitive
techniques are required, which can tolerate the use of extremely small samples.
14
From the detector side, the n_TOF TAC, which has been built by the n_TOF
collaboration, represents an optimal solution due to the combination of high
detection efficiency and excellent discrimination of γ-ray background. In addition to
the optimized capture detector, the characteristcs of the neutron source are of crucial
importance. The neutron source
Asymptotic Giant Branch (AGB) stars
is required to exhibit the highest
The large majority of all stars in the Universe that have
possible flux in the energy range
left the quiescent central hydrogen burning phase, i.e.,
from 1 keV to 300 keV in order
the main sequence, will reach their final evolutionary
to compensate for the small
stage as stars on the asymptotic giant branch (AGB).
This will also happen to our own Sun in about 8 billion
sample mass. This clearly calls
years from now. An AGB-star is a cool, luminous, and
for a spallation neutron source.
unstable red giant star. It will gradually develop an
Another important requirement is
intense wind that removes material from the surface at
an increasing rate as the end is approached. This will
that the source should operate at
have a profound effect on the evolution of the star, and
the lowest possible duty factor in
it will eventually terminate its life as a star.
order to obtain an efficient
Furthermore, the wind also carries the results of
internal nuclear processes, activated during the AGB
discrimination of the constant
evolution, and hence contributes to the chemical
background from the sample
evolution of the galaxies.
activity via time-of-flight.
There is direct evidence for the s-process occurring in
AGB stars: Technetium, with Z=43 is an s-process
In its present design, the
element which is radioactive and has a half-life of only
n_TOF facility is already
200,000 years. It has been detected in AGB stars that
superior to other spallation
are much older than that, thus demonstrating the
occurrence of the s-process in such type of stars.
sources thanks to the very high
instantaneous flux, the low duty
The s-process is taking place in a thin layer between
the He and the H shells surrounding the C/O rich core
factor (repetition rate of the
of the AGB star. The s-process products are then
proton driver of only ≈1 Hz) and
brought to the stellar surface by recurrent episodes of
deep mixing and they are carried into the interstellar
the short pulse width of 7 ns.
medium by the strong stellar winds.
While this geometry is perfect
for high resolution measurements
as well as for obtaining high fluxes at the highest possible neutron energies, an
additional short flight path perpendicular to the proton beam would result in a
unique neutron source for astrophysics applications as well as for measurements of
relevance for transmutation. With such a short flight path the experimental
sensitivity would be unique worldwide, thus allowing astrophysics measurements
even on the very small unstable samples that could be produced on site at ISOLDE.
Another important astrophysical aspect concerns the origin of the 35 rare
nuclei on the proton-rich side of the stability valley, which cannot be produced in
either the s- or the r-process. Current scenarios are the hot, late phases in the
evolution of massive stars, where sufficiently high temperatures are reached to
produce these so-called p nuclei by photodisintegration. Although models of
massive stars can reproduce the p-abundances across a range of nuclear masses, the
regions A<124 and 150≤A≤165 remain problematic, either due to problems in the
astrophysical models or due to severe uncertainties in the nuclear physics input. It
has been found that the α-nucleus optical potential needed for calculating the
important stellar (γ,α) and (n,α) reaction rates is badly constrained at the low
energies involved. The study of (n,α) reactions at the n_TOF facility will help to
improve the optical potential and the respective nuclear reaction models
significantly, an essential contribution for solving this persistent p-process puzzle.
15
2. The physics case for nuclear data measurements for advanced
nuclear technologies and nuclear waste transmutation
Nuclear waste is one of the main problems for the public acceptance of
nuclear energy production and for the sustainability of this energy source. Although
a deep underground repository seems to be a scientifically proven and
technologically viable solution for the nuclear waste for the first thousands of years,
this option presents difficulties for social acceptability. For this reason, nuclear
waste transmutation has been proposed as a way to reduce the inventory of the long
lived component of the nuclear waste – and mainly the trans-uranium actinides - by
a factor of 100 or more.
Actinide transmutation is proposed to take place by fission in nuclear
systems like critical reactors or subcritical accelerator driven systems (ADS). In
most transmutation scenarios, the use of fast neutron energy spectra and specific fuel
compositions, highly enriched in high mass trans-uranium actinides, are proposed. In
addition, the transmutation of long-lived fission fragments has also been proposed
using neutron absorption (mainly by radiative capture) normally in thermal and
epithermal neutron energy spectra.
The present knowledge of the neutron cross sections of actinides is mainly
related to the exploitation of the U-Pu cycle in nuclear reactors with a thermal
neutron spectrum and to the design and operation of experimental fast U-Pu nuclear
reactors. In addition, the currently existing nuclear data bases can be used for the
conceptual design of the transmutation oriented nuclear devices – critical reactors or
ADS – and for the first order evaluation of the impact of the transmutation
technology in the nuclear waste management. However, the detailed engineering
designs, safety evaluations, and the ultimate performance assessment of dedicated
transmutation ADS and critical reactors (i.e. with fuels highly enriched in
transuranic isotopes) require more precise and complete basic nuclear data. In
addition, more accurate cross sections of the U-Pu fuel cycle isotopes, transuranic
elements, and specific structural materials help to improve the safety and
optimisation of present and future nuclear reactors.
The large amount of 238U in the current fuels, more than 95%, is the basis of
the production of the highly radiotoxic actinides by successive neutron captures and
beta decays, leading to the formation of isotopes of Pu, Am and Cm. Very accurate
capture data are needed and for this reason an overwhelming quantity of neutron
capture experiments on 238U exists and has formed the basis for the establishment of
a secondary capture standard, which will be updated in the near future. New data on
238
U(n,γ), especially in a large energy range, are welcome to improve the precision
of this standard. Since at nearly every time-of-flight facility a 238U capture
experiment has been performed it is highly desirable to have such a data set for the
n_TOF facility with a high purity 238U sample (containing less than 100 ppm 235U).
In addition, these data will be considerably helpful in the analysis and interpretation
of the measurements of the other actinides. An additional important quantity in
current reactors is the capture to fission ratio of 235U. Although the fission cross
section is considered a standard, the capture cross section is not, because of the
difficulty of measuring the capture cross section of a fissile isotope. With the
proposed capture setup at n_TOF, including a fission veto detector, an accurate
measurement of the 235U capture cross section comes within reach.
16
A different approach is to reduce the amount of nuclear waste, notably the
higher actinides, by using a fuel cycle based on 232Th. The isotope 232Th itself is not
fissile but after neutron capture followed by β-decay, the fissile isotope 233U is
formed. The build-up of the higher actinides, especially americium and curium, is
strongly suppressed due to the lower atomic and mass number of thorium. The use
of the thorium cycle needs accurate data for isotopes that are less important in the
conventional uranium cycle, and in particular capture data on 232Th, 233,234,236U and
231,233
Pa. The large radioactivity of 231Pa and the related safety issues has prevented a
capture measurement in the first phase of n_TOF. However, at the 20 m station
(EAR-2), much lower sample masses are needed and therefore a low resolution
capture measurement becomes possible. With a suitable sample, even the capture
cross section of 233Pa, with a half life of only 27 days, can be measured with a
sample of only several micrograms. The capture chain in the actinide region is
shown in Figure 2.
Figure 2: The relevant isotopes of the neutron capture and beta decay chain
in the actinide region.
Of crucial importance is the composition of the fuels proposed for
transmutation devices with a large concentration of minor actinides and higher
plutonium isotopes. These isotopes with moderate relevance for the operation of
present reactors will play an important role in the neutron balance of the transmuters.
The respective fuel compositions modify severely the role of the different
isotopes for the global operation of the reactor and, in particular, for its
transmutation performance. Figure 3 shows the relative contribution to the total
number of captures from the different isotopes in the fuels previously described.
Particular key isotopes for the transmutation scenarios, which are showing
significant capture fractions, are 237Np, 238,239,240,241,242Pu, 241,243Am and 244,245,246Cm.
17
69.3%
70%
PWR Fresh fuel. Capture
PWR 50 GWd/THM. Capture
60%
Trans. Equilibrium MOX+ADS. Capture
Trans. ADS Phase-OUT. Capture
39.3%
50%
23.4%
21.0%
20.3%
26.5%
30%
27.4%
30.3%
33.7%
40%
12.4%
0.0%
0.2%
0.0%
0.4%
0.0%
0.0%
0.0%
0.0%
0.0%
0.0%
0.0%
0.7%
0.0%
0.7%
0.0%
0.0%
0.4%
0.0%
0.0%
0.1%
0.0%
AM242M
AM243
CM242
CM243
CM244
CM245
CM246
CM247
0.8%
AM241
5.6%
6.0%
9.4%
1.0%
1.7%
PU242
3.0%
4.5%
1.9%
9.4%
8.6%
PU241
0.4%
1.1%
PU238
PU240
1.1%
NP237
0.0%
0.0%
U238
1.8%
0.2%
0.0%
U236
0.2%
0.0%
U235
U234
0%
0.4%
0.1%
0.7%
0.0%
3.8%
7.2%
10%
PU239
10.0%
15.2%
20%
Figure 3: Capture contributions from the isotopes present in the fuels of
different nuclear plants: PWR (fresh and irradiated fuels) and for two transmutation
devices.
The high radioactivity and spontaneous fission probability of 238Pu (t1/2 =
87.74 yr) and 244Cm (t1/2 = 18.1 yr) makes it extremely difficult to perform the
capture measurements of these isotopes at the present n_TOF beam line. A new
shorter beam line with higher instantaneous flux could make these measurements
viable. In this case it could also be interesting to measure the neutron capture cross
section of 242mAm (t1/2 = 141 yr), the only long-lived even americium isotope.
Already in its present configuration, the n_TOF facility offers worldwide
unique features for performing the capture measurements discussed herein: it
combines a high instantaneous neutron intensity at a very long flight path of 185 m,
excellent energy resolution, a high-performance data acquisition system based on
flash ADCs and a segmented BaF2 total absorption calorimeter (TAC). As a
remarkable example, at n_TOF it has been possible to obtain the first direct neutron
18
capture cross section data in the resolved resonance region for the highly radioactive
sample 243Am.
For these reasons, it is proposed to continue the experimental program on
neutron capture cross section measurements for isotopes relevant to nuclear
technology that was started successfully in 2004 as a part of the n_TOF project.
19
3. The physics case for neutron cross section measurements for
basic nuclear physics
A number of basic nuclear properties are commonly used in model
calculations for neutron capture cross sections as well as for fission cross sections.
One can think of nuclear masses, decay half-lives, level densities at high excitation
energies, excitation strengths of giant resonances, fission barriers, and many others.
Nuclear theories, both for nuclear structure as well as for reaction processes are
normally developed on the basis of experimental knowledge. Hence, microscopic as
well as phenomenological approaches are deeply dependent on data obtained in a
continuing experimental effort.
A huge amount of experimental information is presently available for the
development of nuclear structure and reaction models. However, most recently, a
great effort has been devoted to expand the present knowledge in isospin space by
studying nuclei far from the valley of β-stability. Only recently, with the availability
of radioactive ion beams (RIBs), some of the nuclei far from stability in the low
mass region have been accessed experimentally. However, for applications such as
the physics of the r process, these nuclear properties need to be predicted by theoretical models.
Critical improvements on the reliability of theoretical model predictions
could be reached by experiments dedicated to the accurate measurements of
quantities such as neutron strength functions, nuclear level densities, and
reaction cross sections. Especially at neutron shell closures, neutron strength
functions and level densities are still not well known and also hard to predict.
Experiments at n_TOF can be used to determine such quantities. Likewise, a high
energy resolution is useful to study the interplay between compound and direct
capture mechanisms, which is important in nuclei with low level densities.
Measurements focused on this point on closed-shell nuclei and/or on light nuclei
will provide very useful information on nuclear structure and reaction mechanisms.
Along this line, one can observe that recent experiments with RIBs have
shown the possibility of investigating reaction mechanisms as well as nuclear
structure properties of unstable nuclei with reactions such as the Coulomb
dissociation technique (Coulomb breakup). This process can be viewed as the timereversal invariant of the capture process. In particular, the Coulomb dissociation
into the AZ + n channel is the time-reversal of the neutron capture process. It is
therefore evident that the possibility of performing neutron capture cross section
measurements on unstable targets can provide crucial information on the possibility
of applying the Coulomb dissociation techniques in experiments with RIBs, in
addition to the direct determination of neutron capture rates on unstable nuclei.
Meanwhile, the development of accurate models for the representation of the two
basic reaction mechanisms, the direct and resonance processes, would allow to
improve the reliability of such models in the extrapolation to nuclei far from the
stability.
20
n+ AZ → A+1Z + γ
1+ 2 → 3 + 4
σ n,γ
kγ2 2 J 3 + 1
σ γ ,n
= 2
kn 2 J 2 + 1
n+ AZ ← γ + A+1Z
Figure 4: The neutron capture process and its time-reversal invariant, the
photon (or Coulomb) dissociation.
The possibility of performing measurements on very small samples of a few
micrograms will open completely new opportunities at n_TOF. In fact, in a
combined effort with ISOLDE a plan for measurements on radioactive samples,
even with relatively short half-life would allow to study nuclear structure properties
of unstable nuclei. Neutron capture γ-ray spectroscopy studies on stable isotopes
have been one of the key tools for studying nuclear structure properties on stable
nuclei and could in this way be expanded into the region of unstable species.
21
FACILITY
As an introduction to this section it is to be emphasized – as it was said
before - that the n_TOF facility in its present form constitutes the most attractive
neutron source for time-of-flight experiments worldwide. The options discussed here
aim at substantial further improvements, which will allow a more flexible use of the
facility and will greatly expand the experimental possibilities.
Interventions in the present target-cooling assembly configuration
The use of H2O as the coolant for the n_TOF target had severely hampered a
number of measurements of (n,γ) cross section during the first phase of n_TOF,
because of a strong γ-ray background due to neutron captures in the hydrogen of the
cooling water. These γ-rays are traveling along with the beam and are reaching the
185 m station EAR-1 together with neutrons in the energy range from a few keV up
to several hundred keV. These γ-rays are scattered by the capture sample and cause a
background in the C6D6 detectors required for measurements of small, resonancedominated capture cross sections, e.g. those of the important neutron magic isotopes.
In fact, this background limits the sensitivity of the entire facility.
This background can be eliminated or substantially reduced either by adding
boric acid to the cooling water or by replacing it with heavy water. The first option
would provide a reduction by an order of magnitude and would also soften the
spectrum of the in-beam γ-ray background considerably, while there are open
problems with the filters in the coolant circuit. On the other hand, replacing the
cooling water by D2O would reduce the intensity of the in-beam γ-rays by a factor of
100, thus practically eliminating the problem completely. In addition, this solution
would also boost the neutron flux at keV energies by a factor of five.
The collaboration is, therefore, determined to implement the necessary
modifications to the present n_TOF target/moderation assembly configuration
before the next measuring campaign in 2006, preferentially using the D2O option. In
which way the necessary improvement can be achieved, are presently under
discussion but will depend on the result of the technical inspection of the target
planned for the summer of 2005.
The Second n_TOF beam-line
The long flight path of the present n_TOF facility is of great advantage for
measurements with high resolution in neutron energy. The overall efficiency of the
experimental program and the range of possible measurements could be enormously
improved, however, with the installation of an additional shorter flight path of
approximately 20 m. There are two main reasons for this improvement
The existing flight path exhibits an angle of only 10 degrees with respect to
the incident proton beam line. Therefore, a burst of weakly interacting relativistic
22
spallation products is emitted into the neutron flight path at each proton pulse. In
spite of massive shieldings and the use of a sweeping magnet for deflecting the
charged particles, a remaining background in form of a “time-zero flash” is causing
an overload of the detectors and hampers measurements at high neutron energies. In
particular, capture measurements with the total absorption BaF2 calorimeter, fission
studies with ionization chambers, and measurements with Ge detectors, e.g. of
(n,xn) cross sections are strongly affected by this flash. Since all particles causing
the flash are emitted in forward direction the flash would be strongly reduced at an
angle of 90 degrees with respect to the proton beam direction.
The idea for an additional second beam line as sketched Figure 5 is making
use of the existing vertical shaft, through which the spallation target was brought
into its present position. Therefore, it would be sufficient to drill a narrow hole only
a few cm in diameter from the surface to the service gallery above the target, not
requiring an intervention in the critical zone around the target area itself.
New
Experimental
Area (EAR-2)
New neutron beam line
n_TOF target
Figure 5: Layout of the second beam-line at approximately 20m from the
spallation module.
The second main motivation for the implementation of a second beam line is
related to the possibility of obtaining a much higher neutron flux (a factor of
roughly 100) with respect to the present neutron fluence in EAR-1 set at 185 m from
the spallation module. This will be described in the following section.
23
The Second n_TOF experimental area (EAR-2)
The optimal condition for performing measurements on radioactive samples
would be to have an experimental area as a Class-A laboratory. In this sort of
laboratory, open radioactive sources can be handled and, therefore, used for
measurements in a more flexible way. A non-exhaustive list of requirements for the
EAR-2 are:
•
Controlled Access
•
Solid building, fire resistant for a certain time
•
Monitored and filtered ventilation, guaranteeing an under pressure in the
laboratories
•
Wardrobe facilities to don special clothing
•
Showers
•
Monitoring: dose rate, aerosol concentration, hand-foot-monitor, portable
monitors
The possible location of the EAR-2 with the vertical beam line is shown in
the Figure 6 below. As can be seen, this is at present a part of building 559
(barrack) which could be rearranged in order to host the EAR-2 together with
some offices.
Offices in
Barrack 559
Figure 6: Vertical position of the n_TOF target (“CIBLE TOF”) and the
present location of the barrack 559.
24
The gain in experimental sensitivity that can be obtained in such an EAR-2 is
best illustrated at the example of the capture data taken in 2002 with a sample
containing 150 mg of 151Sm.
Figure 7: Signal-to-background ratio illustrated at the example of the raw
spectra from the (n,γ) cross section measurement on 151Sm taken in 2002 at n_TOF.
The arrow indicates the energy range around 30 keV, which is the most relevant
region for the astrophysical aspects of this cross section.
From the experimental side the necessary amount of sample material could
have been reduced by a factor of 30, assuming that a signal-to-background ratio of
unity is adequate and that the C6D6 detectors, which were actually used, were
replaced by the 10 times more efficient TAC. Thus, the measurement could have
been performed with a sample of 5 mg at best.
In dealing with radioactive samples it is mandatory to reduce this limit
further, since most of the isotopes of relevance for astrophysics are not available in
milligram amounts and in order to keep the radiological hazards as low as possible,
in particular for the actinide samples, which are of interest for technological
applications. However, a further reduction of the sample mass and the corresponding
increase in sensitivity can only be achieved by an increase in neutron flux. In this
direction another factor of five would be gained by using a heavy water moderator,
but by far the largest gain would result from a 10 times shorter flight path. In
addition to the factor of 100 from the increased solid angle, the measurement would
also benefit from the 10 times lower duty factor because the neutron burst is passing
the sample in a correspondingly shorter time interval. Accordingly, a D2O moderator
and a flight path of 20 m would imply a fantastic enhancement of the experimental
sensitivity by a factor of 5000!
25
This opens the possibility to perform measurements on samples of a few
micrograms. Since samples of that mass can be accumulated at future RIB facilities
in a few hours this improvement of the sensitivity implies a multitude of possibilities
not only for measurements on s-process branch point isotopes but also on unstable
isotopes related to explosive nucleosynthesis, e.g. to the aforementioned r process as
well as to the p process, which is responsible for the origin of the rare proton-rich
isotopes, and which occurs also in supernovae.
For measurements on actinide isotopes, there would be practically no more
serious limitations due to the radiotoxicity of the sample. For instance, the necessary
amount of 241Am could be limited to 10 micrograms corresponding to an activity of
106 Bq only. Even cross section measurements at yet shorter-lived actinide isotopes
would be possible at such a short flight path, e.g. on 238Pu, 242Amm and 242,243,244Cm.
Also in the field of nuclear fission the high flux and still superb TOF
resolution will allow one to perform much more comprehensive measurements
covering the many facets of this complex reaction in a more adequate way.
In summary, an additional, short flight path at n_TOF bears most exciting
options for a completely new class of experiments and will be further investigated
by detailed simulations and by studying the technical feasibility.
26
CAPTURE STUDIES
Introduction
Neutron capture reactions are of utmost importance for the neutron balance
in stars and in nuclear reactors as well as for the quantitative understanding of the
related stellar nucleosynthesis and of the production of hazardous nuclear wastes. A
considerable part of the experimental program of the collaboration is motivated by
these aspects, since n_TOF provides unique possibilities for establishing reliable and
accurate data for these applications. The proposals outlined below are based on the
experience with previous experiments and are using the detection techniques
developed during the first phase of n_TOF. Some cases, however, are formulated
under the assumption of the dramatically improved sensitivity that can be realized
with a second, short beam line (see “The Second n_TOF beam-line”, page 22).
Nuclear Astrophysics
Stellar neutron capture cross sections of Mo, Ru, and Pd isotopes2
n_TOF offers optimal performance for neutron capture studies in nuclear
astrophysics. The proposed measurements on the stable Mo, Ru, and Pd isotopes
benefit particularly from the high neutron flux, the superb resolution in time of flight,
the low intrinsic backgrounds, and the wide neutron energy range. The neutron
capture cross sections of Mo, Ru, and Pd are required in two fields, for the
interpretation of the isotopic patterns in presolar SiC grains and for the reliable
determination of the r-process abundances in the critical mass region between Zr and
Ba.
SiC grains are found in meteorites and originate from circumstellar clouds of
AGB stars, which are highly enriched in fresh s-process material produced by these
stars. They survived the high temperatures during the collapse of the proto-solar
cloud and represent the most direct information [2] on the s-process efficiency of
individual stars, an important constraint for current s-process models.
The abundances between Fe and the actinides are essentially built by neutron
capture reactions in the s and in the r process. Since the s-process component can be
reliably determined on the basis of accurate (n,γ) cross sections, the r-process
counterpart is obtained by the difference, Nr = Nsol - Ns [3]. Recent spectral analyses
of very old stars have shown that they contain essentially only r-process material
and that the abundances of all elements heavier than Ba scale exactly as in the solar
r-process pattern [4]. Below Ba this perfect agreement appears strongly disturbed.
This could either indicate the operation of two independent r-processes or could
simply be due to uncertain s-process abundances. The latter case can not be
excluded at present, since the cross sections in this mass region exhibit large
uncertainties. Hence, improved data will definitely be required to settle this exciting
issue.
2
Contributed by: M Heil, F Käppeler, and R Plag (Forschungszentrum Karlsruhe).
27
Setup: Practically all measurements can be performed at the existing flight
path, mainly using the TAC. However, a few cases may need additional runs with
the C6D6 detectors if the neutron scattering background becomes too dominant.
Samples: All samples are stable and not hazardous in any respect. Metal
samples are preferable, but if not available, the oxides are acceptable alternatives.
Count-rate estimate (# of p): Assuming sample masses of typically 500 mg,
measuring times with the TAC of typically a few days will be sufficient.
Accordingly, 5x1016 p are estimated for each of the 20 stable isotopes of Mo, Ru,
and Pd.
The s-process efficiency in massive stars3
About 50% of the elements beyond iron are produced via slow neutron
capture nucleosynthesis (s process). Starting at iron-peak seed, the s-process mass
flow follows the valley of stability since the time scale for beta decay is much faster
than for neutron capture. In the vicinity of the Fe seed the resulting abundances are
dominated by the weak s-process component, which is related to helium burning in
massive stars of 10 to 25 Msol [5]. Only above Zr, the contributions from thermally
pulsing low mass AGB stars begin to dominate the s-process abundances in the solar
system [3].
The neutron exposure during the weak s-process is not strong enough that
the so-called local equilibrium is reached, which implies different production rates
for neighbouring nuclei. Accordingly, the neutron capture rate of a nucleus,
which experiences the entire mass flow, will affect not only the abundance of that
particular isotope, but the abundances of all isotopes in the following reaction chain
and hence the overall s-process efficiency as well. That this behaviour depends
critically on the cross sections of single isotopes near the Fe seed has been recently
found in detailed nucleosynthesis calculations for a 25 Msol star [6]. In this work the
role of important bottle-neck cross sections has been demonstrated at the example of
62
Ni. The experimental cross section data showed obvious discrepancies, rather
typical for most isotopes in this mass region. According to recent sensitivity
analyses [7], it appears mandatory to re-measure all Fe, Ni, Zn and Se isotopes
with much improved accuracy, using the unique features of the n_TOF facility, i.e.
high neutron flux, superb resolution in time of flight, low intrinsic backgrounds, and
a wide neutron energy range. These results will eventually be the basis for settling
the crucial problem of the contributions from massive stars to the abundance
distribution in the universe.
Setup: Practically all measurements have to be performed with the C6D6
detectors because of the huge neutron scattering background, which is expected for
these resonance dominated cross sections. Since all cross sections in this group of
3
For the Se measurements: Y Nagai (Osaka University), M Igashira, and T Osaki (Tokyo
Institute of Technology).
28
isotopes are small, it is important to reduce the in-beam γ-ray background as
discussed in the Section “Facility”.
Samples: All samples are stable and not hazardous in any respect. Metal
samples are preferable, but if not available, the oxides are acceptable alternatives.
Count-rate estimate (# of p): Assuming sample masses of typically 200 mg,
measuring times with the C6D6 detectors of typically 10 days will be required.
Accordingly, 2x1017 p are estimated for each of the 9 stable isotopes of Fe and Ni.
Radioactive branch points and stellar neutron poisons4
Branchings in the reaction chain of the slow neutron capture process (s
process) have been shown to represent invaluable diagnostic tools for the deep
stellar interior [3]. Though beta decays are in general much faster than neutron
capture reactions in the s process, which occur on a time scale of typically 1 yr, there
are some 15 cases of beta unstable isotopes with sufficiently long half-lives that beta
decay and neutron capture may compete. The resulting branchings are local
phenomena as indicated in Figure 8 at the example of the branchings at A=147/148.
The strength of a branching can be expressed in terms of the rates for beta decay and
neutron capture of the branch point nuclei as well as by the σNs values of the
involved s-only isotopes 148Sm and 150Sm, which stand for the corresponding parts
of the reaction flow.
The key data for the analysis of a branching are (n,γ) cross sections of the
stable s-only isotopes and of the radioactive branch point nuclei. While
measurements on most s-only isotopes are available with the required accuracy of 1
to 2%, there is almost no experimental information for the radioactive branch points.
The type of information that can be deduced from branching analyses
includes the neutron flux, temperature, pressure, and convective motions at the
stellar site – crucial constraints for any s-process model. These constraints become
even more stringent by the fact that the related parameters affect the various
branchings in different ways, making the consistent description of all branchings an
even more demanding task.
As was already demonstrated the extremely low duty factor makes the
n_TOF facility ideally suited for measurements on radioactive samples [9][10]. In
the course of these experiments it turned out that a reduction in flight path leads to
an enormous increase in sensitivity. With this improvement, measurements on
samples with masses in the μg regime will become possible, an essential step in
reducing the radiation hazard associated with such measurements.
Based on experimental data taken in the measurement of the 151Sm cross
section, it can be realistically expected to improve the sensitivity by four orders of
magnitude if the water moderator is replaced by D2O and if a second flight path of
20 m can be constructed perpendicular to the direction of the proton beam.
4
29
Figure 8: The s-process path between Nd and Sm is partly bypassing 148Sm due to
the branchings at A =147/148. The second s-only isotope, 150Sm experiences the full
reaction flow. Note that both s-only isotopes are shielded against the respective r-process
contributions by their stable isobars in Nd. The half-lives of the branching points reflect the
stellar values [8].
The higher flux at a shorter flight path would also open new possibilities for
measurements of very small cross sections, e.g. for the very light elements. In spite
of their small cross sections this species has a strong influence on the stellar neutron
balance simply because they populate the s-process site in very large abundances.
The yet uncertain effect of these neutron poisons represents a pending problem,
which needs to be addressed with improved cross sections.
Setup: Measurements on unstable targets should preferentially be performed
with the TAC in order to achieve the optimal sensitivity required for investigations
with very small amounts of sample material. For the neutron poisons the choice of
setup depends on the particular case. However, both types of measurements will
depend on the possibility to use a shorter flight path.
Samples: Unstable samples are potentially hazardous and should therefore
minimized in mass as far as possible. The radiotoxicity may vary and needs to be
considered for each case individually. It is important to note that samples of branch
point isotopes could possibly produced on site at the ISOLDE facility.
Count-rate estimate (# of p): Measurements on extremely small samples
require comparably more protons. Nevertheless, even such unique experiments
should be possible with 5x1017 p per isotope.
30
Nuclear waste transmutation & related nuclear technology studies 5
The n_TOF facility offers unique experimental conditions for performing
neutron capture cross section measurements on highly radioactive samples of a few
mg in mass as was demonstrated by the excellent n_TOF results obtained with the
TAC in 2004 [11][12].
The total absorption technique is a powerful tool for investigating the
electromagnetic de-excitation of isotopic species independently from their particular
de-excitation pattern. By summing over the complete γ-ray cascade emitted in
neutron capture events, the TAC provides a clear peak in the γ spectrum
corresponding to the neutron separation energy of the compound nucleus plus the
energy of the captured neutron. Due to this unique signature capture events can be
largely discriminated from all possible sources of background. Moreover, the
segmentation of the TAC allows one to use γ multiplicity estimators for the
separation of different reaction channels, particularly capture and fission on
fissionable actinides. In addition, the use of beam time is highly optimized, since the
TAC efficiency is close to 100%.
In measurements on small amounts of radioactive isotopes the TAC offers
significant advantages over alternative techniques commonly employed in neutron
capture cross section measurements such as the Moxon-Rae and the pulse height
weighting (PHW) techniques:
•
High efficiency of nearly 100% versus 0.1% for the Moxon-Rae
detectors and 10% for the total energy detectors used for the PHW
technique.
•
Good energy resolution, which allows the recognition of structures in
the energy spectra.
•
Direct background suppression mechanisms based on combined
analysis of multiplicity and total deposited energy.
•
Systematic uncertainties associated with the counting efficiency are
at the level of only 1%.
However, one of the major sources of background in neutron capture
measurements with the TAC is related to its rather large neutron sensitivity.
Neutrons scattered by the sample or additional dead materials inside the calorimeter
have a non-negligible probability for being captured by the detector itself, mostly in
the Ba isotopes of the scintillator crystals. The γ-ray cascade of such events can be
hardly distinguished from a real capture event in the sample. While the neutron
sensitivity of the n_TOF carbon fiber C6D6 detectors used for the PHW technique is
smaller than 1/10000, the neutron sensitivity of the TAC is of the order of a few
percent.
While the lowest neutron sensitivity would be obtained by using bare, selfsupporting samples placed in the center of the TAC, the safety regulations at CERN
5
Contributed by: E Gonzales Romero, D Cano-Ott (CIEMAT, Madrid), F Gunsing,
and E Berthoumieux (CEA, Saclay).
31
required the actinide samples to be encapsulated in sealed, certified containers
corresponding to the ISO 2919 standard. Since it was not possible to meet this
requirement with an optimal design, the measurements in 2004 had to be carried out
with samples of a few tens of mg encapsulated in Ti containers 500 mg in mass. As
shown in Figure 9, this solution allowed still to perform precision measurements in
the resolved resonance region. The region above 2 keV, however, is strongly
handicapped by the scattering effect of the wide Ti resonances.
Figure 9: Raw counting rates for the 237Np measurement with the TAC at
n_TOF in the 2004 campaign and the background contribution from the Ti canning
of the sample.
In future experiments, these problems can be largely avoided. Meanwhile a
provider has been found which will deliver the samples in the optimized containers
sketched in Figure 10. This design consists of 2 m long, evacuated, and ISOcertified containers with the actinide sample deposited on a very thin Al backing at
the center. In this way, the dead material will be minimized and placed mostly
outside the TAC, where it can be efficiently shielded. Based on Monte Carlo
simulations it is expected that the background from scattered neutrons will be
reduced by more than a factor of 10.
Alternatively, the samples can be delivered inside an ISO-certified miniionization chamber, thus allowing to perform simultaneous neutron capture and
neutron induced fission cross section measurements. Such a technique will be
required for measurements on fissile isotopes, i.e. 239Pu and 245Cm.
The preliminary list of experiments contains the (n,γ) cross section
measurements on 234,236,238U, 242Pu, and 241,243Am and the simultaneous (n,γ) and
32
(n,f) measurements with the mini-ionization chamber on 233U, 239Pu, and 245Cm. The
present problems with the capture cross sections of 242Pu, 241,243Am and 245Cm were
discussed in detail in the proposal “Measurement of the neutron capture cross
section of 233U, 237Np, 240,242Pu, 241,243Am, and 245Cm with a Total Absorption
Calorimeter at n_TOF”[11] submitted to INTC in 2003. Though the capture cross
section of 239Pu has been repeatedly investigated so far, the proposed experiment is
well motivated by the improved systematic uncertainties, which will provide an
excellent validation of a capture measurement for a well documented fissile isotope.
These results will be also important for the accurate correction of the 239Pu impurity
in the 240Pu measurements of 2004.
Thin Al backing +
actinide sample
vacuum
Neutron absorber
Window surrounded
by neutron absorber
(10B or 6Li doped
polyethylene)
Calorimeter
Figure 10: Low neutron sensitivity setup with long sealed containers.
A low mass canning, together with a fission veto, is necessary for accurate
capture measurements and has been mentioned already. In addition, the TAC itself
can be ameliorated, notably the sensitivity to the initial flash, the signal output of the
voltage dividers, and the neutron sensitivity. Concerning the data acquisition system,
an increased dynamic range of the flash ADCs would allow to include the very
important thermal energy range in the time-of-flight measurements. Finally, several
options are currently under investigation to eliminate the non-significant events from
the data rate.
In view of the necessary commissioning periods for determining the neutron
fluence, the time/energy relation, and the resolution function of the facility as well as
the background measurements, the reference runs with a 197Au(n,γ) sample, and the
neutron capture cross section measurement of each sample listed, a grand total of
4·1019 protons will be needed.
33
NEUTRON INDUCED FISSION STUDIES
Introduction 6
Recently, several proposals have been made to reduce the radiotoxicity of
nuclear waste containing Trans-Uranium elements (TRU). They all rely on neutron
induced capture and fission of the TRU, in particular of 237Np, 241,243Am, and
244,245
Cm. It is clear that any kind of waste burner system, critical or sub-critical,
thermal or fast, will need to be loaded with fuel containing a large fraction of TRU.
The response of these systems (e.g. criticality conditions) to the presence of TRU is
directly linked to the fission and capture cross sections of the mentioned TRU
isotopes. The fission cross sections of TRU are therefore fundamental elements in
assessing the strategy to be followed in detailed feasibility studies of nuclear waste
transmutation.
A peculiarity of the fission process in the higher actinides in consideration
here (with the exception of 245Cm) is that they have a relatively high fission
threshold, above a few hundred keV. This is one of the considerations which led to
the proposal for accelerator driven systems (ADS) [13], in which a fast neutron
spectrum is considered for transmutation. In addition, in some advanced fuel cycle
scenarios the contribution of 237Np and 241Am to the total fission rate can be as large
as 10% [14] and the fraction of sub-threshold fission typically of 5% even in a fast
spectrum. Therefore, both below and above threshold these isotopes provide
important contributions to the global reactor neutron balance. In the case of 245Cm,
fission represents nearly 90% of the neutron absorption in fast neutron spectra, and
its contribution to the global fission rate is expected to be larger than 6% in some
ADS fuelled with minor actinides. Direct fission is the most important channel for
the transmutation of these isotopes. Furthermore, the fission cross sections play an
important role for the precise definition of the isotopic composition of ADS transmuted fuel.
From these considerations it appears that for the design and operation of such
advanced systems it is necessary to extend the measurements of accurate fission
cross sections to a much wider neutron energy range as for thermal systems,
covering the region up to at least several MeV. The fission threshold and the subthreshold resonance structure in some of the higher actinides allow for studies of the
outer fission barrier, as well as of the structure (hyper-deformation) of the fission
potential. The very high resolution of the n_TOF beam provides a unique
opportunity to address some of the open questions concerning the structure of subthreshold vibrational resonances as already shown in the 234U(n,f) measurement
performed in 2002.
With these basic motivations, it is proposed to perform neutron induced
fission cross section measurements using the CERN n_TOF facility. The neutron
beam characteristics and experimental conditions at n_TOF are optimal for
measurements of fission cross sections on radioactive materials. The results obtained
during the 2002, 2003 and 2004 measurement campaigns provide the necessary
6
For the general motivations on fission nuclear data needs and state of the art see:
INTC-P177, April 2003.
34
confidence in the operation of the fission detectors and on the achievable accuracy in
a wide energy range 1 eV ≤ En ≤ 250 MeV (and, in principle, up to 1 GeV).
Measurement of the 235U fission cross section up to 150 MeV
7
During the n_TOF measurement campaigns in the years 2002-2004 a large
body of data on the fission cross-section of minor actinides relative to the fission
cross section for 235U and 238U has been collected in the neutron energy range from
thermal to 200 MeV. In addition, the analysis of the γ- multiplicity data that were
obtained from the TAC measurements in 2004 on minor actinides allows to deduce
the capture to fission cross section ratio α=σf/σc. Normalizing these data to the
known standard, for example to the 235U fission cross section, one can obtain
absolute cross-sections of fission and capture in the neutron energy up to 20 MeV.
At higher energies a reliable standard cross section is yet missing. Though several
measurements of fission cross-section ratios have been reported, the discrepancies in
the data exceed the statistical uncertainties by far and need to be resolved (Figure
11).
U8/U5 Csross-section Ratio
1.0
0.8
Scherbakov
Lisowski
Recommended
CERN'2004
0.6
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Neutron Energy, MeV
Figure 11: Fission cross section ratio of
2004 in comparison with previous data.
238
U to
235
U obtained at n_TOF in
Besides the problem of the cross section standard, the high neutron energy
resolution of n_TOF revealed the resonance-like structure of the 235U fission cross
section even in the energy region above 2.5 keV, where the recommended 235U
cross section exhibits an almost smooth behavior (Figure 12).
7
Contributed by: W Furman (JINR, Dubna), A Goverdowski (IPPE, Obninsk), V
Konovalov (JINR, Dubna), and V Ketlerov (IPPE, Obninsk).
35
25
235
20
U(n,f) cross-section
n_TOF
ENDF-B/VI
σf, barns
15
10
5
2000
4000
6000
8000
10000
E n, eV
Figure 12: The extremely high energy resolution obtainable at n_TOF
illustrated by the measured fission cross section of 235U.
Accordingly, the 235U fission cross section must be measured relative to an
independent standard with correspondingly good resolution in order to deduce the
full information from capture and fission cross section data measured at n_TOF
from 2002-2004.
We propose to use the well known differential cross section of the reaction
p(n,p’) as such an independent standard. The measurements could be done with a
proton recoil ΔE/E telescope installed at a fixed angle Θ relative to the beam. The
energy of the incoming neutron can be determined by time-of-flight and that of the
outgoing proton by absorption or time-of-flight using the “ΔE” detector for the start
and the “E” detector for the stop signal. To enhance the energy range of the detected
recoil protons a third detector could be added, which works as total absorber at
relatively low energies and as an additional “ΔE” detector at higher energies, where
the ionization losses over unit of distance are relatively small.
The ionization chamber with the 235U sample will be installed “back-toback” with the proton target as sketched in Fig. 13. A MICROMEGAS detector or a
parallel plate ionization chamber can be used as ΔE detector, whereas the “thick ΔE”
device can be a scintillation or a thin semiconductor detector.
Figure 14 compares the simulated count rate for the recoil protons and the
experimental 235U count rate (per accelerator burst of 7⋅1012 protons), which was
obtained during the capture campaign in 2004. The data are presented with a
resolution of 50 bins per decade. The 235U spectrum was taken with a sample of 5
mg, the diameter of the collimator was 2 cm, and the detector was located in the
neutron escape lane at a flight path of 197 m. The parameters for the simulation of
the recoil protons are summarized in Table 1.
36
Table 1: Parameters adopted for the simulation of the proton recoil spectrum
plotted in Figure 14.
Beam radius
20 [mm]
Scattering angle
30 [degrees]
Target thickness
250 [μg/cm2]
Target to detector distance
250 [mm]
Detector radius
20 [mm]
45 degrees
Figure 13: Schematic layout of the proposed experiment.
37
C o u n t ra te
protons
23 5
U
C o u n ts
0.1
0.01
1E -3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
E n, e V
Figure 14: Expected count rates per proton bunch of 7⋅1012 protons.
The simulation confirms that the count rate of the proton telescope is rather
favorable up to 20 MeV and is still comparable to the fission rate up to 150 MeV.
Fragment Distributions of Vibrational Resonances at the Fission
Barrier 8
Several heavy nuclei like 232Th and 234U have attracted high scientific
interest for what was termed the “thorium anomaly” 20 years ago. This effect is
connected with an additional splitting of the outer fission barrier resulting in a triplehumped structure and the corresponding exotic long lived hyper-deformed nuclear
states. To careful study this effect we propose to measure the angular and mass
distribution of fission fragments emitted in the sub-barrier vibrational resonances
with the aim to search for the coupling between compound states in the second well
and vibrational resonances as well as for a connection between these resonances and
the fission modes. For simultaneous measurements of the mass and angular
distribution we propose the experimental setup sketched in Figure 15.
A thin target is located in the center of the detector at an angle of 45 degrees
relative to the beam axis. The angular distribution of the fission fragments is
measured by a cylindrical fast position-sensitive detector (preferably a set of
semiconductor detectors or detectors of the Micromegas type). This detector
determines the kinetic energy of both fission fragments - and hence their mass ratio 8
Contributed by: W Furman (JINR, Dubna), A Goverdowski (IPPE, Obninsk), V
Konovalov (JINR, Dubna), and V Ketlerov (IPPE, Obninsk).
38
via time-of-flight. The “Start” signal for the fragments and the time mark for neutron
time-of-flight spectrometry are obtained from a time-tag detector that should be
transparent for the fission fragments.
Vac uum c ham ber
Po sition-sensitive
d etec tor
Sa m ple
Neutron beam
Tim e-ta g
detec tor
Figure 15: Setup for the measurement of mass and angular distributions of
fission fragments.
In Figure 16 we show the expected count rate per pulse of 7⋅1012 protons for
a 5 mg 234U sample located at a flight path of 20 m. The binning is chosen to be 200
bins per decade (ΔE/E≈1%) that corresponds roughly to the intrinsic resolution of
the n_TOF facility at this distance. Since the double-differential (mass and angle)
distributions for each energy bin should be determined with an accuracy of about 3%
(≈1000 counts) and since 25 points in angular distribution and 20 points in the mass
distribution are to be achieved (to distinguish between Standard 1 and Standard 2
fission modes), about 500000 counts per bin are required at the mid point of the
barrier. Thus, about one million proton bunches or 7⋅1018 protons are required for
this experiment.
The feasibility of such comprehensive multi-parameter studies of neutron
induced fission with high energy resolution illustrates again the enormous potential
of a 20 m station, which will to obtain completely new information on the basic
mechanisms of nuclear fission.
39
1.00
0.75
12
Count rate per 7x10 protons
200 bpd
0.50
0.25
0.00
200000
400000
600000
800000
En, eV
Figure 16: Expected integral count rate for a 5 mg
flight path.
234
U sample at the 20 m
Fission cross sections and related measurements with PPACs
detectors 9
During the 2001-2003 period fission cross section measurements have bee
carried out with a setup based on Parallel Plate Avalanche Counters (PPAC). The
measured isotopes are 233U, 234U, 232Th, 237Np, and also 209Bi and natPb, which fission
only at incident neutron energies above 20 MeV. Figure 17 shows an example of the
cross section obtained in the case of 234U. For this isotope one sees that it is possible
to cover the entire energy range available at n_TOF, from the resonance region up to
the spallation domain (1 eV - 1 GeV).
231
Pa is one of the important long lived wastes (t1/2=32,000 yr) in the thorium
cycle where it builds up by (n,2n) reactions on 232Th. This isotope exhibits strong
vibrational resonances in the fission cross section, which are helpful to explore the
potential landscape along the deformation path. The main difficulties for the 231Pa
cross section measurement related to the manufacturing of the target, to the
availability of the sample and the complicated chemistry involved in its preparation
can be solved by IPN-Orsay, where the radiochemistry group can produce a wellconditioned target.
9
Contributed by: L Tassan-Got, C Stephan (IPN, Orsay), I Duran, and C Paradela
(Universitade de Santiago de Compostela).
40
For highly radioactive isotopes the feasibility of the measurement is
constrained by the low mass of the target (which is a consequence of the sample
availability), the alpha background in the detectors, and the radiation protection
conditions. If the second experimental area (EAR-2) will be available,
measurements of such highly radioactive isotopes will be feasible. Even a
measurement on 241Pu (t1/2=14 yr), which is highly fissile and becomes increasingly
important for plutonium multi-recycling of the fuel, will be possible. 244Cm (t1/2 = 18
yr) would be another case, although less relevant in the scope of waste incineration.
Also, the 241Am and 243Am isotopes which could not be measured during the
previous experimental campaigns could be reconsidered for a measurement in EAR2 (Class-A Lab).
Figure 17: Fission cross section of
eV to 1 GeV measured at n_TOF.
234
U in the neutron energy range from 1
Fission-fragments angular distributions
Below 100 keV neutron energy fission cross sections are dominated by swaves and the angular distribution of the emitted fission fragments is generally
isotropic. However in the threshold region strong anisotropies related to vibrational
resonances can show up as illustrated at the example of Figure 18 illustrating the
rapid variation of the anisotropy with neutron energy for the case of 232Th [15].
Surprisingly, this anisotropy persists up to at least 100 MeV and is stronger for
incident neutrons than for incident protons [16].
Although the angular distributions have been measured up to a few MeV for
several isotopes, only 232Th and 238U were investigated at higher energies. Angular
distributions are important not only for the understanding of the fission process but
also for the measurement of fission cross sections, because experimental setups
exhibit generally angle-dependent efficiencies and are, therefore, sensitive to the
anisotropy.
41
Figure 18: Energy dependence of the angular anisotropy in the fission of
Th [15].
232
Th target 26
200
30
1.23 - 1.32 MeV
1.51 - 1.62 MeV
25
150
20
100
15
10
50
5
200
0
0
60
1.32 - 1.41 MeV
1.62 - 1.74 MeV
50
150
40
100
30
20
50
10
80
0
200
0
1.74 - 1.86 MeV
1.41 - 1.51 MeV
60
150
40
100
20
50
0
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0
0.3
cos(θ)
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
cos(θ)
Figure 19: Variation of the fission-fragments angular distribution with
incident neutron energy for 232Th.
42
With the experimental setup used in 2003 we were able to reconstruct part of
the fission-fragments angular distribution by tracking. Figure 19 shows the inversion
of the anisotropy in case of 232Th for six small energy bins. Up to a few MeV the
extracted anisotropies and their energy variations are consistent with those measured
in the past. We propose to measure more accurately, in the EAR-1 experimental area,
the angular distributions of the isotopes already measured in 2003 by adapting the
experimental setup. We plan to tilt the targets by 45o respect to beam axis. For the
detector arrangement we study two possibilities: (a) Detectors parallel to targets or
(b) Detectors parallel and orthogonal to the beam axis. The second option would
allow to obtain a larger angular coverage, whereas the first would accommodate
more targets.
Fission-fragments yields
One of the key information to fully understand the fission process is the
understanding of the Fission-Fragment (FF) yields. Unambiguous identification of
FF both in charge and mass, on an event-by-event basis, is not an easy task. Mass
distributions of FFs have been extensively measured at low energies (see e.g. [17]).
A recent experiment in inverse kinematics at GSI [18] has investigated the FF yields
of heavy-exotic nuclei induced by Coulomb excitation. In this experiment the mass
and charge of the fission residues could be determined, but the resolution in
excitation energy was rather limited.
Figure 20: Electrode layout.
Figure 21: PPAC reaction chamber.
We proposing to measure a series of FF mass and charge distributions,
taking advantage of the unique features of the n_TOF facility and the advanced
performance of ionization detectors. During the last years started to develop a
procedure for obtaining charge as well as mass information from the FF signals in a
twin ionization chamber. Figure 20 shows the layout, which is an improved design
of the twin ionisation chamber proposed in [19] where the electrodes are rearranged
in order to optimise the resolution, and which is to be installed in the PPAC reaction
chamber (Figure 21). To validate the procedure we have analysed some FF data
from a recent measurement of a Cf sample in a twin chamber at IRMM, Geel [20].
We developed appropriate software tools to analyse the fast-ADC signals from both
sides of the twin chamber, taking advantage of the fact that both FFs are emitted in
opposite directions. The simultaneous measurement of ranges, angles, and deposited
43
energies (Figure 22) allow us to correct for the energy-loss in the sample backing
(Figure 23) and to determine both charge as well as mass of the emitted FFs.
Figure 22: The polar angle is deduced by measuring different timing
parameters.
In the experiments we are proposing we will first verify the method by
measuring the well studied U samples and will then apply this technique to the other
available samples, for which the FF yields are not well known. With a modified
PPAC reaction chamber we expect to increase the resolution by reducing the gas
pressure and by improving the electrode configuration with segmented anodes.
Figure 23: Energy and mass distributions after correction of energy losses.
44
OTHER REACTIONS
In addition to the basic (n,γ) and fission cross section measurements, there
has been a strong interest to perform measurements of cross sections for other
neutron induced reaction channels. These are described here below with an
introduction on the motivations and interest for basic studies in Nuclear
Astrophysics and Nuclear Technologies. Several detection systems could be used at
n_TOF, both in the present EAR-1 as well as in the proposed EAR-2.
(n,p), (n,α), and (n,xc) reactions
The largest nuclear physics uncertainties in p process and other hightemperature astrophysical environments are rates for reactions involving α particles.
Traditional methods for improving the α+nucleus optical potentials, such as elastic
scattering of α particles, are of limited value because the measurements must
necessarily be made at energies much higher (~20 MeV) than the energy range of
relevance for astrophysics (~10 MeV)[21]. Hence, a potential for use in astrophysics
can extracted from these data only by largely unconstrained extrapolations.
Measurements of low-energy (n,α) cross sections appear to be the best way
to obtain the needed potential and hence to constrain the α-particle rates for
astrophysics. The Q values for these (n,α) reactions are such that the relative energy
between the α particle and the residual nucleus are directly in the energy range of
astrophysical interest, so that an extrapolation is not required. In addition, scaling the
sample size to that employed in a previous measurement, using predicted cross
sections, we calculate that as many as 30 nuclides across a wide range of masses
from S to Hf are accessible to measurements at n_TOF.
Besides the astrophysical goal it is very important to measure the α widths of
neutron resonances over a wide energy range. This would allow the comparison of
the measured fluctuations of averaged α widths with predictions of statistical theory.
A previous measurement [22] over a more limited energy range had hinted at a
possible non-statistical behavior in the averaged α widths. The new data presented
by Koehler et al. [23] show that the extracted α widths exhibit fluctuations different
from the expected behavior. Light charged particles generated in neutron induced
(n,xc)-reactions yield important information on the reaction mechanisms and
provide experimental constraints for nuclear model calculations. They have
significant impact on the design of nuclear facilities (e.g. ADS and fusion reactors)
as they result in gas production and subsequent embrittlement of materials.
At present, experimental data are rather scarce and were primarily obtained
at mono-energetic neutron sources. The study of (n,xc)-reactions in the energy range
between 1 and 100 MeV should be feasible at n_TOF. In general, the neutron
intensity per energy bin will be less than the neutron flux at comparable monoenergetic sources (e.g. the TSL at Uppsala or the CRC at Louvain-la-Neuve) but the
reaction cross sections will be measured over the whole energy range simultaneously
and under identical conditions.
Cross section measurements of light charged particle emission will result in a
plethora of experimental data comprising integral production cross sections as
45
functions of incident neutron energy, double differential cross sections, and energy
distributions of the light charged particles. With a state-of-the-art detector setup it is
possible to distinguish the emitted protons, deuterons, tritons, He-3, and α-particles.
In ADS these data are also of importance to estimate the amount of
(radioactive) gas production in the facility for its effects on structural materials and
the environmental output.
46
Detection systems 1: Compensated Ion Chamber (CIC)10
At the University of Lodz a new compensated ion chamber (CIC) has been
built, which allows to use higher gas pressures and bias voltages as well as twice as
much sample material compared to the chamber used for the measurements at
ORELA [24]. In particular, higher bias voltages allow the use of faster gases,
resulting in an even better suppression of the γ-flash. The new detector also has
better signal connectors and consists of high purity materials and will, therefore,
exhibit inherently lower backgrounds. The increased gas pressure has the advantage
that four compensated ion chambers can be accommodated in the detection volume
of 11.5 dm3 instead of two in the previous version. In spite of the narrower spacing,
the distance between the electrodes will be larger than the range of the emitted alpha
particles, providing even spectroscopic information although with limited resolution.
Figure 24: A schematic view of the new CIC.
10
Contributed by: J Andrzejewski (University of Lodz), Yu M Gledenov (JINR,
Dubna), PE Koehler (Oak Ridge National Laboratory), J Marganiec (University of Loz),
and J Perkowski (University of Loz).
47
As a tune up experiment with our new CIC we propose to measure the
Sm(n,α) cross section over a period of 7 days using two 147Sm2O3 targets of 5
mg/cm2 thickness and 95.3 % enrichment as well as 6LiF targets for calibration runs
for normalizing the raw counts to absolute cross sections. The samples will be 11 cm
in diameter. We have evaluated the reaction rate per burst and conclude that the
count rates at 185 m flight path should be 10 times smaller than obtained in our
experiment at the shortest ORELA flight path of 8.83 m [24]. With a new 20 m
flight path at 900 to the n_TOF proton beam (EAR-2) the count rates should increase
by a factor of 100, ten times higher than during the experiment at ORELA, where
count rates of 34 1/h and 15 1/h were achieved for the strongest resonances at 3.4 eV
and 184 eV, respectively. If the tune up experiment is successful, we plan to
67
99
measure the (n,α) cross sections of Zn and Ru.
147
Detection systems 2: MICROMEGAS11
MICROMEGAS is a gaseous detector based on a simple geometry with
planar electrodes [26]. This detector initially developed for tracking in high-rate,
high-energy physics experiments but has been also used successfully as a neutron
detector. Thanks to its high resolution to charged particles the detector with a
converter as 6Li, 10B or 3He, is suitable for neutron flux measurements and for
neutron spectroscopy. Recent experiments in CEA, Saclay with a 241Am alpha
source gave a resolution of about 2% for 5.4 MeV alpha particles. The
MICROMEGAS detector can be used for (n,p) and (n,α) cross section
measurements at the n_TOF facility at CERN. It has already been used in the n_TOF
neutron beam for the flux and the beam profile measurements.
The element under study can be used in the form of a thin foil with thickness
of a few micrometers. This foil should be attached to the inner face of the drift
electrode of the detector, acting as a neutron to charged particle converter. The
produced protons or alpha particles are measured efficiently. As an example we take
the case of 58Ni(n,p)58Co reaction with a Q=0.9 MeV. The threshold of the reaction
is about 2 MeV and the energy of the proton depends linearly on the neutron energy
up to 20 MeV. As a matter of fact, the proton spectroscopy can provide the neutron
spectrum. The count rate depends on the cross section of the reaction for each
isotope. In most cases the cross section is between 50 mbarns and 500 mbarns. For a
target with 5cm of diameter and 1∝m of thickness the count rate is estimated to be
of the order of 1 reaction/pulse.
11
Contributed by: S Andriamonje (CEA, Saclay), and I Savvidis (Aristotle
University of Thessaloniki).
48
Detection systems 3: ΔE-E telescopes12
A new scattering chamber will be designed and installed. Detector telescopes
(ΔE-E or ΔE-ΔE-E) will be placed within the evacuated scattering chamber at
several angles around the sample (whose surface normal is rotated 45° out of the
beam direction). Silicon detectors or plastic scintillators may be employed as ΔE
detectors. Usually a CsI(Tl) scintillation detector is used as E detector. Alternatively,
the use of silicon detectors may be considered. We propose to place telescopes at 3-5
emission angles and consider a set of up to 6 telescopes per emission angle.
The neutron energy will be determined by time-of-flight with time
information derived from the telescopes. The charged particles will be identified by
their energy loss in the ΔE detectors and by pulse shape analysis of the signals
generated in the CsI detectors. A neutron beam monitor has to be installed to provide
an independent flux determination. In the energy range of interest this can be done
by uranium fission chambers and/or proton recoil telescopes.
Assuming a sample (A~60) thickness of 10 mg/cm2 and an average (n,xc)cross section of 50 mb one expects at the nominal neutron flux of the n_TOF facility
(with the large diameter of the 2nd collimator) the emission of 15 charged particles
per pulse over the whole energy region of interest. Due to the low count rate it
would be advisable to operate the charged particle measurements in combination
with fission experiments. Due to the required coincidence no significant background
is expected.
We propose to start with samples where experimental data are already
available (e.g. Fe-56 or Fe-nat, Pb-208 or Pb-nat) in order to demonstrate the
feasibility and to test the setup and the method of analysis. We propose to continue
with samples of interest, e.g. Al, V, Cr, Zr, Th, and U-238.
A few ×1018 protons per sample in combined experiments with fission
chambers is estimated as sufficient for the proposed experiments. It has to be
emphasized that the expected count rates per detector and energy bin are rather low
and a large number of protons is needed to obtain reasonable statistics.
12
Contributed by: E Jericha, H Leeb, and A Pavlik (Atominsitut, Vienna University
of Technology).
49
Neutron scattering reactions 13
Although the n_TOF experimental activity aims at the determination of cross
sections involving neutron-induced reactions essentially across the entire Periodic
Table, the simplest of such cross sections, σn + n, eludes a direct measurement due to
the unavailability of a free-neutron target. The low-energy, l = 0, cross section for
the two nucleon interaction (ΝΝ) is usually expressed as a two parameter function
involving the effective range r0ΝΝ and scattering length aΝΝ, which have been
accurately measured for the pp and np systems. On the other hand, the nn scattering
length, which provides a very sensitive measure of the strength of the two-nucleon
potential, and the nn effective range are known today with considerably poorer
precision.
The proposed experiment at the CERN n_TOF facility aims at determining
the neutron-neutron interaction parameters through the interaction of the two
neutrons in the final state of the reaction 2H(n,np)n. in the incident neutron energy
range between 30 and 75 MeV. A cinematically “complete” experiment is envisaged,
in which the momenta of one neutron and of the proton in the final state of the
reaction will be measured in coincidence at specific detection angles with enhanced
nn final-state interaction.
Proton detector
46 c
m
D4
Neutron beam
80º
D2 target
34º
5m
D3
Neutron detector
Figure 25: Schematic setup.
The experimental setup for the proposed study is shown schematically in
Figure 25. The target will consist of deuterated polyethylene (CD2). Protons are
recorded at a distance of about 50 cm from the target with a three-detector telescope,
which will effect particle identification. One of the neutrons in the final state of the
reaction will be detected by means of a plastic scintillator. The energy of the neutron
13
Contributed by: PA Assimakopoulos (The University of Ioannina)
50
will be measured over a 5 m TOF path. Events obtained from the experimental setup
in Figure 25 are best presented by a three-dimensional plot of population versus the
two kinetic energies of the detected particles, where they are restricted on a
kinematics locus determined by the overall energy and momentum conservation. For
the particular setup of Figure 25 this locus is shown in Figure 26. For the direct
break up of the deuteron, the population of events along the curve depicted in the
figure will be governed by phase space. Events arising from the interaction of any
pair of particles in the final state will appear as resonances along the locus.
Simulations of the corresponding spectra have been performed, taking into
account the dimensions of the target and the detectors as well as the energy loss of
the protons in the target. Figure 27 shows an example of such simulations where the
resonance due to neutron-neutron interactions through the nn singlet state is depicted.
The shape of the peak in this spectrum depends on the values of the parameters
usually employed for the expression of the two-nucleon cross section, namely the
scattering length and the effective range.
30
25
T(p) (Me V)
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
T(n) (M e V)
Figure 26: Kinematic locus for the reaction
n + 2H → n + p + n
at an incident energy of En = 50 MeV. The neutron and proton are detected at angles Θn =
35.5º, Φn = 0º and Θp = 80º, Φp = 180º, respectively.
In the proposed experiment, spectra will be collected simultaneously in 2.5
MeV wide bins of incident neutron energy over a running time of one month,
requiring a total of 2·1018 protons.
51
(a)
(b)
300
3000
250
2500
200
2000
150
1500
100
1000
500
49
33
57
T (n )
41
1
S1
64
46
55
37
19
T(n)
28
1
10
S47
S24
0
T(p)
17
S25
0
25
S49
9
50
T (p )
S1
Figure 27: Simulated spectra around the nn singlet interaction resonance. (a)
Phase space from the direct three-body break-up. (b) Total spectrum, including np
and nn final state interactions.
52
MEASUREMENTS RELATED TO DETECTOR DEVELOPMENTS
Gas detectors 14
While photons or charged particles interact primarily with the atomic
electrons, producing ionization or atomic excitation, neutral particles like neutrons
or neutrinos (or, more exotically, weakly interacting massive particles –WIMPs–
candidate particles for dark matter) may interact directly with nuclei. The resulting
nuclear recoil, at its turn, produces a short and intense track of ionization in the
detector medium. The amount of ionization (ionization yield) produced by a nucleus
recoiling with energy E, however, is less than the one produced by an electron of the
same energy, the ratio, usually called quenching factor, being slightly dependent on
the recoiling energy and, of course, on the nature of the medium.
The precise knowledge of the quenching factor is essential for experiments
looking for low energy particle interactions when they are detected through the
resulting nuclear recoil ionization. Examples of such experiments are those aiming
at the detection of the coherent neutrino-nucleus interaction (predicted by the
Standard Model but not yet experimentally observed), or those looking for
hypothetical Dark Matter WIMPs. While usually solid (or liquid) state detectors are
envisioned for those experiments (because of the large target masses usually needed
to detect such low counting rates), a new version of gaseous detector, a spherical
Time Projection Chamber (TPC), has been recently realized to be a most interesting
option for the detection of the neutrino-nucleus interaction [27]. Although being a
gaseous target, a spherical TPC can easily achieve large instrumented masses, while
potentially keeping a very low energy threshold (~100 eV or even lower). Indeed,
neutrinos interacting with nuclei produce nuclear recoils of extremely low energy
(sub-keV or few keV range) and are out of reach of usual solid state detectors which
do not offer those low thresholds for the large detector masses needed. The spherical
TPC thus opens the way for the measurement of the neutrino-nucleus coherent
scattering which, at its turn, will provide the way to study low energy physics in
reactors and spallation sources or to detect neutrinos coming from supernovas.
The quenching factor in gases, which has not been thoroughly studied,
especially at so low energies, remains one important question to be addressed for the
preparation of a neutrino-nucleus experiment with a spherical gaseous TPC. In
addition, gaseous detectors will play a very important role in next generation WIMP
Dark Matter searches, because gas is the only medium in which one could aim at
measuring the nuclear recoil direction, opening the way for a truly unmistakable
WIMP signature. Progress is being done continuously, but certainly nuclear recoil
directionality is still an experimental challenge. MICROMEGAS technology is very
promising for that goal. The body of data obtained in a facility like n_TOF would be
extremely interesting to explore to which extent the imaging of nuclear recoil tracks
is feasible, down to which energy and with which precision.
14
Contributed by: IG Irastorza, S Andriamonje (CEA, Saclay), and I Savvidis
(University of Thessaloniki)
53
Here we propose a series of measurements, using the n_TOF beam, and a
MICROMEGAS detector with 2 main goals. First the determination of the
quenching factor down to very low energies (few keV) for several noble gases: He,
Ne, Ar (and possible Xe). Second, the measurement of the nuclear recoil track with a
MICROMEGAS fine readout.
At the moment 3 different approaches are considered. The final experimental
set-up will depend on the results of ongoing studies and the availability of resources
to carry on the necessary development toward the more complex options 2 and 3.
1. As a first simpler approach, a small MICROMEGAS detector, of already tested
design (like the one, for instance, of [28]) would be placed in front of the n_TOF
beam, to measure the signals produced by the nuclear recoils. The time-of-flight
measurement allows to single out the recoil spectra for each independent incident
energy. The quenching factor is obtained by comparing the expected spectra (of
recoiling energies) with the measured ones.
2. In this second arrangement, the MICROMEGAS detector is surrounded by several
neutron detectors, located at distances of about 1 m, at several angles off the main
neutron beam. The coincidence between one of these and the MICROMEGAS
provides events for which the recoil energy is known (it is determined from the
incident neutron energy and the angle). With this method the quenching factor is
determined event-by-event and does not rely on the calculation of the expected
recoiling spectra. On the other hand, this approach reduces the useful event rate by
the fraction of solid angle covered by the neutron detectors. Ways to compensate
this reduction may be needed to be pursued, like the use of larger MICROMEGAS
detector or un-collimated n_TOF beam.
3. The third approach is specifically addressed to the precise measurement of the
nuclear recoil track. To this end, a fine 2D readout MICROMEGAS would be
needed, with an upgraded electronics where the relative time of every pixel/strip
would be recorded. A development is underway to study the feasibility of using
the Medipix CMOS pixel array [29] (with pixel sizes of 50×50 μm2) together with
MICROMEGAS in the present set-up.
We must stress that the proposed measurement can be performed in parasitic
mode, due to the negligible effect done on the neutron beam by the interposition of
the MICROMEGAS detector. The detector will be built with two thin windows (for
the entrance and exit of the neutron beam), that together with the detector gas will be
the only matter facing the neutron beam.
Neutron cross-section measurements of relevance for Radiation
Dosimetry, Radiation Protection and Radiation Transport 15
The need for cross sections of neutron induced reactions in the energy range
from a few tens of MeV up to the few hundreds of MeV has been pinpointed by
several authors. In addition to data for innovative reactor concepts, measurements
15
Contributed by: P Vaz (ITN, Lisbon), S Andriamonje (CEA, Saclay), and I
Savvidis (University of Thessaloniki)
54
are requested in the field of neutron dosimetry and radiation protection as well as for
medical applications in neutron and proton therapy. In these areas, quantities such as
kerma factors in the tens of MeV range and cross sections for biologically relevant
constituents of tissue and bones, i.e. for isotopes of hydrogen, carbon, nitrogen,
oxygen, potassium, calcium, and phosphorus, and of mixed materials such as A-150
tissue equivalent plastic and ICRU-muscle have to be determined.
The interaction of neutrons in matter proceeds in two steps, the transfer of
neutron kinetic energy to charged particles, and the deposition of that energy as the
charged particles come to rest. Kerma and absorbed dose describe these processes,
respectively, and are used to model the response of systems to neutron irradiation.
Reliable neutron cross-section data to perform radiation transport calculations in the
range above 20 MeV and to benchmark and validate predictions from physics
models in this range are of paramount importance for these applications. In this
respect charged particle yields from (n,x) reactions is are of particular importance
for the determination of kerma factors and for computing the absorbed dose.
Considering the excellent energy resolution and neutron beam characteristics
in the MeV region make the n_TOF facility perfectly suited for the measurements on
biologically relevant nuclides and materials of interest for dosimetry and
radiological protection studies.
For these measurements the spectral fluences of the n_TOF spectrometer in
the tens of MeV range should be verified by different detectors and techniques. The
detectors specific to the proposed (n,x) measurements would be low-pressure
proportional counters. The samples and phantoms are including the isotopes of H, C,
N, O, K, Ca, and P as well as A-150 tissue equivalent plastic and an ICRU-sphere.
The neutron dose from the scattering neutrons around the n_TOF beam, in
the detectors area and in the working (monitors) area can be measured with several
neutron detectors:
The CR-39 neutron dosimeter
CR-39 is a plastic passive nuclear track detector, which is insensitive to
gamma rays, with a good sensitivity to protons and to heavy ions. The charged
particles incoming in the detector produce a permanent track, which after a chemical
etching becomes visible under an optical microscope. CR-39 neutron dosimeter has
been calibrated in a neutron energy range from thermal up to 50 MeV [30][31]. The
dosimeter consists of a CR-39 foil with two converters, 10B for (n,α) reactions and 2
mm thick polyethylene for proton recoils. It is also in contact with a polyethylene
plate with 1 cm thickness.
TLD dosimeter
TLD dosimetry in mixed Neutron and gamma radiation fields around the
n_TOF beam can be done using pairs of 6LiF:Mg,Ti - 7LiF:Mg,Ti dosimeters.
Because of the very high cross section of 6LiF for thermal neutrons (945 barns
compared with the 0.033 barns for 7LiF), it has the highest thermal neutron
sensitivity of any phosphor. In a mixed field 6LiF measures both thermal neutrons
and gamma doses, whereas 7LiF measures only gamma dose. Since both dosimeters
have the same sensitivity to gamma radiation, the thermal neutron dose is estimated
55
by subtraction of the gamma component measured by 7LiF from 6LiF. By using
cadmium covers of appropriate thickness, dose contribution from higher-energy
neutrons can be evaluated.
Count rate estimates appear difficult at present and have to be quantified in
test experiments.
56
REFERENCES
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Presented at the Workshop PS/SPS Days, CERN, January 13-14 (2005).
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Technolgy, edited by RC Haight and MB Chadwick, in press (2005).
[11] U Abbondanno et al. (The n_TOF Collaboration), Measurement of the
neutron capture cross sections of 233U, 237Np, 240,242Pu, 241,243Am and 245Cm
with a Total Absorption Calorimeter at n_TOF. CERN INTC-2003-036,
INTC-P-182, (2003).
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[24] Yu M Gledenov, PE Koehler, J Andrzejewski, KH Guber, and T Rauscher,
147
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for explosive nucleosynthesis reaction rates, Phys. Rev. C 62 R042801
(2000).
[25] PE Koehler, Comparison of white neutron sources for nuclear astrophysics
experiments using very small samples, Nucl. Instr. Meth. A 460 352 (2001).
[26] Y Giomataris, Nucl. Instr. Meth. A 419 239 (1998); S Andriamonje et al.,
Nucl. Instr. Meth. A 481 120 (2002); Y Giomataris et al., Nucl. Instr. Meth.
A 379 29 (1996).
[27] I Giomataris et al., talk given at 9th Topical Seminar on Innovative Particle
and Radiation Detectors, Siena, May 2004. To be published in the
proceedings (2005). See also: hepex/0502033 (2005); I Giomataris, et al., talk
given at Int. Workshop on Identification of Dark Matter (IDM2004),
Edinburgh, September 2004. To be published in the proceedings (2005); IG
Irastorza et al., talk given at Int. Workshop on Low Radioactivity Techniques,
Sudbury, Canada, December 2004. To be published in the proceedings.
[28] S Andriamonje et al., Nucl. Instr. Meth. A 518 252 (2004).
[29] P Colas et al., Nucl. Instr. Meth. A 535 536 (2004).
[30] E Savvidis et al., Nucl. Instr. Meth. B 94 325 (1994).
[31] E Savvidis and M. Zamani, Radiat. Prot. Dosim.70 83 (1997).
58
Struttura
BO
Codice
Esperimento
N−TOF
Gruppo
3
N
Qualifica
Affer.
Incarichi
al
%
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
1 Massimi Cristian
2 Vannini Gianni
3 Ventura Alberto
Dott.
P.O.
E.N.E.A
3
3
3
100
30
100
N
TECNICI
Cognome e Nome
0
0
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Collab.
tecnica
Annotazioni:
mesi−uomo
Mod EC./EN. 7
%
Assoc.
tecnica
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
N
TECNOLOGI
0
0
Codice
Esperimento
NUCL−EX
Rapp. Naz.: Mauro Bruno
NUCLEARE
Rappresentante nazionale:
Struttura di appartenenza:
Posizione nell'I.N.F.N.:
Gruppo
3
Mauro Bruno
BO
INFORMAZIONI GENERALI
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
"Reazioni nucleari fra ioni pesanti: aspetti termodinamici e dinamici. Partecipazione alla collaborazione
internazionale FAZIA per la costruzione di un niuovo apparato di misura da utilizzare anche con fasci
radioattivi"
Laboratori Nazionali di Legnaro;
Laboratori Nazionali del Sud
Laboratori GANIL
Laboratori HIL − Universita' di Varsavia
Sigla dello
esperimento
assegnata
dal laboratorio
ALPI (LNL) CS (LNS) Spiral e spiral II(GANIL) Ciclotrone (Varsavia)
Acceleratore usato
ioni pesanti di massa 30−150 ad energie fra 10 e 50 AMeV
Fascio
(sigla e
caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Transizione di fase liquido−gas. Formazione di sistemi nucleari caldi. Effetti di isospin
Meccanismi di reazione in collisioni periferiche e semiperiferiche. Emissioni a "midrapidity"
GARFIELD con apparati ancillari, CHIMERA, FIASCO, rivelatori di test
Apparato
strumentale
utilizzato
Bologna, Catania, Firenze, LNL, Milano, Napoli, Trieste
Sezioni partecipanti
all'esperimento
LPC − Caen, GANIL − Caen, IPN Orsay, NSCL − MSU − East Lansing.
Istituzioni esterne Collaborazione FAZIA (Francia, Spagna, Polonia, Romania, India)
all'Ente partecipanti
prolungamento per 4 anni (2007−2010)
Durata esperimento
Mod EC. 1
Struttura
BO
Codice
Esperimento
NUCL−EX
Resp. loc.: M. Bruno
Gruppo
3
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
turni di misura LNL (channeling + GDR) 12 gg * 5p * .13 + viaggi
4,0
preparazione turni, manutenzione apparato, sistemazioni meccaniche, etc. 15 gg * 4 p 8,0
* .13 + viaggi
1,5
riunioni collaborazione 2 * 5p * .13 + viaggi
2,0
riunioni analisi, analisi fuori sede, etc. 5 gg * 3 p * .13 + viaggi
2,5
FAZIA: riunioni working groups 2 * 3 gg * 3p * .13 + viaggi
2 turni di misura gia' approvati a GANIL 2 * 5 gg * 3p * 0.16 + 6 * .3 viaggi
6,5
collaborazione con teorici LPC/GANIL per analisi fisiche 15 gg * 0.16 + .3 viaggio
3,0
FAZIA: turni di misura per test rivelatori a Ganil e Varsavia 2 * 4 gg * 2p * 0.16 + 4 * .3
viaggi
FAZIA: riunione working groups 4 gg * 3p * 0.16 + 3 * .3 viaggi
di cui SJ
4,0
4,0
22,0
4,0
19,5
4,0
3,0
3,0
FAZIA: riunione plenaria collaborazione 3 gg * 4p * 0.16 + 4 * .3 viaggi
materiale vario di consumo per laboratorio per test di rivelatori
3,0
materiale di consumo per calcolo (dischi, CD rom, toner) e cancelleria
3,0
FAZIA: rivelatori al silicio e CsI per test
7,0
FAZIA: acquisto di preamplificatori tipo PACI (charge and current) e di elettronica
costruita su progetto della parte francese della collaborazione
10,0
sistemazione supporto SIA, automazione del posizionamento e possibilita' di
estrazione dalla posizione perche' interferisce con l'apertura della camera di Garfield
30,0
5,0
2,0
sistema ottico per allineamento apparato
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
sostituzione postazioni di lavoro obsolete (2)
Cassette
Altro
3,0
3,0
ricambi silici danneggiati da misure eseguite
8,0
cavi speciali da vuoto per sostituzione cavi non idonei all'interno dalla camera a vuoto, 3,0
connettori da vuoto (SHV, multili per servizi, etc)
16,0
crate SY527 per integrazione dei 3 crates presenti e che risultano non piu' sufficienti
per le potenze erogate
Totale
27,0
8,0
101,5
di cui SJ
16,0
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
Mod EC./EN. 2
Struttura
BO
Codice
Esperimento
NUCL−EX
Gruppo
3
Alcune aggiunte a quanto scritto in EC2
MISSIONI INTERNE:
Si allega l'approvazione del PAC per la misura di channeling; sono stati messi s.j. le richiesta per la misura di con gli apparati
Garfield−Hector, in quanto saranno ripresentate al PAC di febbraio 2007. La cifra richiesta per la preparazione, la manutenzione e le
sistemazioni meccaniche si basa sulle spese effettuate negli scorsi anni. Per effettuare un turno e' necessaria una lunga preparazione,
un controllo dei segnali, un controllo e sostituzione delle connessioni che comporta permanenza nel Laboratorio di 3−4 persone per 3−4
giorni almeno 3 volte prima di ogni turno. A questo si aggiungono gli interventi per la meccanica e la movimentazione e per lo
smontaggio ed in montaggio dei rivelatori che sono poi da provare in laboratorio. Il sistema e' molto complesso e tutte queste operazioni
non possono essere compiute dal solo gruppo di Legnaro. Si consideri anche che a Legnaro il supporto tecnico (meccanico ed
elettronico) e' molto scarso, per cui e' necessario sopperire con personale delle sezioni partecipanti. E' stata richiesta una somma per
quanto riguarda rinuioni analisi e lavoro di analisi fuori sede in quanto il lavoro di calibrazione ed analisi viene diviso fra le varie sedi ed
e' necessario trovarsi anche per diversi giorni per discutere e mettere insieme i risultati. Per quanto riguarda FAZIA sono previste
riunioni della parte italiana dei working groups su alcuni argomenti specifici da confrontare nelle riunioni complete dei Working groups.
MISSIONI ESTERE:
A parte i turni gia' approvati e rinviati al 2007 e' necessario per la sezione di Bologna continuare la collaborazione con i teorici Ph.
Chomaz e F. Gulminelli, tramite scambi di soggiorni di 15 giorni (o di una settimana per 2 persone) in francia ed Italia. Sono stati messi
s.j. le spese per turni di test rivelatori, mentre e' necessario, almeno per questi primi anni una serie di riunione dei working groups, oltre
ad almeno una riunione annuale della collaborazione.
Per gli altri dettagli vedi allegato
Struttura
BO
Codice
Esperimento
NUCL−EX
Gruppo
3
CONSUMO:
il lavoro di test di rivelatori (silici e CsI) che si effettua a Bologna
comporta anche la spesa per materiali di supporto meccanico e per piccoli
apparati elettronici, come ad esempio scatole con diversi preamplificatori,
splitter di segnali, etc.. Il materiale di consumo sia per calcolo (dischi di
computer che vanno sostituiti perche' danneggiati, toner, supporti di archivio,
cartuccie di stampanti, carta) che di cancelleria (penne, quaderni raccoglitori,
etc.) necessita di un piccolo finanziamento.
Per quanto riguarda Garfield e' necessario studiare un sistema di movimentazione
e posizionamento dell'apparato SIA che consenta in una posizione l'apertura
della camera di Garfield e nell'altra il posizionamento nelle condizioni di
misura. Prima di procedere infine alla realizzazione del sistema di monitoraggio
del fasci previsto dalla sezione di Firenze e' necessario costruire un sistema
fisso di posizionamento ed allineamento ottico dei diversi apparati nell'interno
della camera di scattering.
Per quanto riguarda Fazia sara' necessario acquistare diversi tipi sia di
rivelatori al silicio che scintillatori per le prove di laboratorio e sotto
fascio. Inoltre sara' necessario acquistare alcuni preamplificatori ed alcuni
moduli, sviluppati dalla parte francese per la trattazione dei segnali di
corrente. Da parte loro i francesi acquisteranno alcuni moduli dell'eletttronica
digitale da noi sviluppata nell'ambito nucl-ex.
MATERIALE INVENTARIABILE:
Per quest'anno e' previsto solo una spesa per sostituire le due postazioni di
lavoro (PC) diventate obsolete.
APPARATI:
E stato chiesto s.j. un contributo per la sostituzione dei silici che si
danneggiano durante le misure. Le richieste sono presentate in parte anche da
LNL. In particolare alcuni rivelatori del Ring Counter, anche se opportunamente
schermati per angoli sotto il grazing, si danneggiano e non presentano piu' le
caratteritiche di risoluzione sufficienti per una discriminazione in carica e
massa. Inoltre e' necessario sostituire i cavi non in teflon (come quelli dei
segnali e delle alimentazioni) perche' sotto vuoto evaporano liquidi oleosi. In
particolare sono sotto accusa i cavi multipli che vengono utilizzati per i
servizi (termocoppie, sensori di pressione, etc.). Infine nell'ultima misura il
sistema SY527 che viene utilizzato per le alimentazioni dei rivelatori e'
risultato ai limiti della potenza, per cui alcuni canali sono stati alimentati
con alimentatori presi a prestito. E' necessario quindi acquistare un nuovo
crate SY527 in modo da poter distribuire meglio le schede di alimentazione. Si
allega offerta Caen.
Legnaro, 11-7-2006
To the spokespersons of the proposals presented at the LNL PAC
Dear Colleagues,
please find enclosed the list of the proposals evaluated by the PAC.
This evaluation will be sent to the LNL director for the official approval.
The comments of the PAC will be sent to the spokespersons as soon as possible.
With my best regards,
Lorenzo Corradi
----------------------------------------------------------------------prop. N. Spokesperson
1
S.Pancholi
NOT APPROVED
2
O.Wieland
NOT APPROVED
3
A.Quaranta
NOT APPROVED
4
P.Mason
NOT APPROVED
5
M.La Commara
NOT APPROVED
6
A.Guglielmetti
APPROVED 8 DAYS TANDEM
7
E.Vardaci
NOT APPROVED
8
E.Vardaci
NOT APPROVED
9
N.Marginean
NOT APPROVED
10
J.Liungvall
APPROVED 6 DAYS PIAVE
11
W.Meczynski
NOT APPROVED
12
S.Lenzi
APPROVED 8 DAYS ALPI
13
T.Kokalova
NOT APPROVED
14
P.G.Bizzeti
NOT APPROVED
15
D.Tonev
16
M.Cinausero
NOT APPROVED
17
J.Valiente-D.
NOT APPROVED
18
M.Ionescu
20
F.Scarlassara
21
S.Leoni
22
L.Corradi
23
E.Fioretto
24
G.Casini
25
F.J.Smith
NOT APPROVED
26
R.Calabrese
NOT APPROVED
27
H.Hubel
28
M.Trotta
30
G.de Angelis
---------------------------------------------------------------------
Codice
Esperimento
NUCL−EX
NUCLEARE
Gruppo
3
In KEuro
Struttura
Missioni
interne
Missioni
estere
SJ
BO
CT:DTZ
FI
LNL
MI
NA
TS:DTZ
TOTALI
Materiale
di
consumo
18,0
2,0
18,0
8,0
6,0
22,5
6,0
4,0
80,5
12,0
8,0
SJ
15,5
8,0
22,5
10,5
25,5
82,0
SJ
Trasporti
e
facchinaggi
SJ
Spese
di
calcolo
Affitti
e
SJ
SJ
SJ
TOTALE
Compet.
SJ
SJ
8,0
15,0
85,5 16,0
10,0
104,5 16,0
86,5 5,5
10,0
79,0
9,0
34,0
8,0 384,5 37,5
4,0
30,0
3,0
19,0
8,0
5,5
62,5
26,0
4,0
15,0
3,0
1,5
27,0
17,5 140,5
47,5
16,0
Mod EC./EN. 4
A
carico
di altri
Enti
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
NUCLEARE
Codice
Esperimento
NUCL−EX
Gruppo
3
A) ATTIVITA' SVOLTA FINO A GIUGNO 2006
ATTIVITA’ SVOLTA NEL 2005−2006
La collaborazione NUCL−EX ha lavorato nel 2005−2006 per la manutenzione e il completamento dell’apparato GARFIELD, e’ stata
impegnata in misure sperimentali, in calibrazione ed analisi di dati, e nella messa a punto di elettronica digitale da integrare con
l’acquisizione FAIR−VME. In questo periodo sono stati pubblicati 5 lavori su riviste internazionali e 16 comunicazioni a conferenze
internazionali (2 su invito).
1) Per l’apparato GARFIELD nel 2005−2006:
a) e’ in corso di ultimazione un nuovo portabersaglio che sostituira’ a breve il vecchio sistema che non risulta piu’ affidabile. E’ stato inoltre
ultimato un nuovo sistema controllo remoto del Ring Counter, un sistema di controllo della posizione del fascio in fondo alla camera di
scattering con quarzo e telecamera (inseribili con un movimento a comando remoto) ed un nuovo sistema di controllo del posizionamento
del fascio sul target con una nuova telecamera.
b) E’ stata provata finalmente con fascio la camera di Garfield dotata di apertura in un intervallo angolare azimutale di 45 gradi, nella
posizione all’indietro. La camera ha funzionato durante tutta la misura.
c) E’ stato quasi ultimato il montaggio del sistema di rivelazione SIA (Side Isotope Array), che consiste in un insieme di 15 telescopi
(camera a ionizzazione, rivelatore al silicio a strip e scintillatore CsI(Tl)), ognuno dei quali copre un angolo polare ed azimutale di circa 5.5
gradi. Le camere a ionizzazione sono state provate finora in laboratorio, ma non sono state usate sotto fascio. Il rivelatore SIA e’
attualmente posto in una regione angolare polare fra ¸ = 90 e 150 gradi ed azimutale ”Æ H ± 6 gradi attorno al piano orizzontale. Cio’ ha
permesso di valutarne il funzionamento nelle misure eseguite in giugno 2006. Si prevede di spostare il SIA ad angoli in avanti, fra ¸ = 30 e
circa 90 gradi in modo da estendere l’identificazione di massa e carica per Z d 8 nella regione di maggior interesse per la fisica; cio’
avverra’ in concomitanza con l’operazione di scambio fra le due camere di Garfield avanti/indietro. In tale occasione il SIA, in geometria
finale, verra’ equipaggiato con le camere frontali. Per il SIA e’ stato sviluppato e provato un sistema di controllo della pressione del gas
all’interno delle camere a ionizzazione. Una serie di valvole per ogni camera a ionizzazione ed un sistema di pompaggio con valvole ad
apertura variabile per regolare l’uscita del gas permettono di mantenere la pressione costante nelle camere.
d) Sono stati effettuati diversi test senza fascio e con fascio dell’elettronica digitale per tutti i moduli necessari per gli scintillatori CsI(Tl)
della camera in avanti di GARFIELD ed e’ stata completata l’integrazione di questi moduli nel sistema di acquisizione FAIR realizzato per
l’apparato GARFIELD. I risultati ottenuti sono migliori di quelli che si possono ottenere con l’elettronica tradizionale. In giugno 2006 e’
stato finalmente effettuata una misura con 650 canali analogici e 180 canali digitali su tutti i CsI(Tl) delle camere di Garfield, di cui 96
(camera in avanti) in parallelo. I risultati hanno mostrato che il filtro digitale riproduce completamente l’output dell’amplificatore
dell’elettronica tradizionale. In piu’ l’elettronica digitale permette anche la trattazione dei segnali fast−slow in modo da avere informazioni
sugli isotopi fino a Z = 3.
e) E’ quasi terminato lo studio dell’applicazione di elettronica digitale simile a quella sviluppata per gli scintillatori, anche per i rivelatori al
Silicio. Il sistema e’ piu’ complesso perche’ con i rivelatori al Silicio, utilizzando l’elettronica digitale puo’ essere possibile ottenere anche
informazioni sul timing in modo da poter effettuare operazioni di trigger senza l’uso di CFD. Si vuol studiare una discriminazione in forma
del segnale per otttenere informazioni sulla carica dei frammenti fermati nel rivelatore al silicio. Sono stati eseguiti diversi test su singoli
rivelatori e nella prossima misura sara’ provato sotto fascio con un numero di canali pari ai canali dei silici del Ring Counter (64).
2) Misure sperimentali:
a) E’ stata effettuata una misura di test di rivelatori, dell’elettronica digitale e dell’integrazione fra elettronica digitale e tradizionale che ha
dato numerose indicazioni per la soluzione dei problemi incontrati in questi diversi aspetti.
b) E’ stata effettuata una misura con l’apparato Garfield completo (2 camere, Ring Counter e SIA) con un fascio di 32S su diversi bersagli
(58Ni,64Ni,58Fe,63Cu) a 16.5 AMeV. E’ da notare che le misure richieste al PAC del 2003 comportavano misure con fasci a 15 AMeV di
40,48Ca su bersagli di 58,64Ni (o viceversa) in modo da completare a bassa energia le misure fatte ai LNS con l’apparato Chimera. Non
essendo possibile avere fasci delle caratteristiche richieste ed essendo passati 3 anni dalla richiesta abbiamo accettato il fascio di 32S
pur di poter effettuare le misure. Poiche’ era la prima volta che lavoravamo con l’apparato completo ed anche con 180 canali della nuova
elettronica digitale, c’e’ stato qualche problema iniziale. In piu’ il portabersaglio, del quale e’ gia’ stata finanziata la sostituzione (ormai il
nuovo e’ quasi pronto), ha avuto dei problemi che ci hanno costretto ad aprire la camera di scattering due volte. Siamo comunque riusciti
a partire con la misura, anche se un po’ in ritardo, scegliendo di misurare su quattro bersagli diversi per studiare la fenomenologia del
sistema al variare dell’isospin. Purtroppo il turno e’ finito con un paio di giorni di anticipo per l’incendio al gruppo di continuita’ di Gasp che
ha costretto gli operatori a spegnere l’acceleratore e quindi la statistica su 2 dei quattro bersagli e’ insufficiente. Speriamo di poter
recuperare quanto prima i giorni perduti, in modo da poter presentare una proposta al prossimo PAC per uno studio sistematico della
termodinamica nucleare a bassa energia. Negli allegati 1 e 2 sono riportati alcuni risultati ottenuti on−line.
Nell’all.1 e’ riportata una misura di molteplicita’, ottenuta considerando il numero di CsI delle due camere di Garfield (quindi per angoli
compresi fra 30 e 150 gradi) che hanno fornito un segnale sopra soglia. Nell’allegato 1 sono ripartati anche esempi della discriminazione
in forma del segnale dei CsI per due settori della camera di Garfield in avanti e all’indietro. Per la camera in avanti e’ possibile
discriminare in massa fino a Z = 3, mentre all’indietro, per motivi fisici, sono presenti particelle alfa e protoni e agli angoli piu’ grandi solo
protoni.
Nell’allegato 2 sono presentati due spettri bi−dimensionali camera silicio a diversi angoli e silicio−CsI, ottenuti con l’elettronica
tradizionale. E’ possibile notare la buona risoluzione in carica, fino a Z molto elevati e la presenza dei residui di evaporazione negli spettri
camera−silicio, mentre gli spettri silicio−cesio mostrano la buona risoluzione in massa da Z=1 a Z=7.
3) Calibrazione ed analisi:
a) La calibrazione dell’apparato Garfield e’ terminata. Una procedura complessiva per estrarre tutte le informazioni possibili dall’apparato
e’ pronta, in modo che sia possibile in futuro effettuare in modo piu’ semplice calibrazioni ed identificazioni di particelle e frammenti.
b) La calibrazione dell’apparato Chimera e’ ancora in corso. Sono state sviluppate procedure per identificare in carica e massa i frammenti
che passano attraverso i rivelatori al silicio e si fermano in CsI(Tl) e in massa e carica dei frammenti leggeri con la tecnica della
discriminazione in forma dell’impulso dei rivelatori CsI(Tl). La procedura per analizzare gli spettri tempo−energia delle particelle fermate
nei rivelatori al Silicio e’ invece un po’ in ritardo sia perche’ si attende il risultato della misura degli spessori dei rivelatori, ma anche per
difficolta’ di risalire dai tempi misurati agli effettivi tempi di volo e quindi alle masse di particelle e frammenti.
c) Stanno terminando le analisi delle misure effettuate con l’apparato Garfield nel 2001 e 2002. In particolare:
i)Alcune caratteristiche della Risonanza Gigante di Dipolo, come il meccanismo di dumping nella regione di alta temperature. Sono state
effettuate misure con fasci di Ni su bersagli di Zn e con fasci di O su bersagli di Sn, in modo da formare lo stesso sistema eccitato. I primi
risultati, che sono stati pubblicati, mostrano un forte effetto del canale d’ingresso e l’assenza/presenza di emissione di pre−equilibrio.
Sono state anche analizzate le emissioni di particelle leggere associate alla presenza di un residuo di evaporazione. I risultati sono stati
presentati a conferenze e saranno oggetto di una prossima pubblicazione.
ii)I primi risultati delle misure di termodinamica con fasci di 32S su 58,64Ni a 15 AMeV sono stati presentati a conferenze. E’ in corso di
completamento un’analisi delle reazioni piu’ centrali che saranno oggetto di una pubblicazione, come previsto dalle milestones per ottobre
2006.
d) Le analisi dei dati raccolti con gli apparati Multics, Reverse e Fiasco sono stati ancora oggetto di analisi, pubblicazioni e presentazioni a
conferenze. In particolare l’analisi dei dati raccolti con l’apparato Fiasco si occupa delle emissioni di mid−velocity, cioe’ la produzione in
tempi brevi di particelle cariche e frammenti di massa intermedia dalla regione con alta energia di eccitazione che si forma nella prima
zona di interazione.La pubblicazione relative a questi risultati e’ sta inviata alla rivista in aprile, come da milestone relativa, ma non e’ stato
ancora comunicato se il lavoro sara’ accettato per la pubblicazione.
4) collaborazione FAZIA
E’ stata effettuata una riunione per sancire la nascita della collaborazione FAZIA per ricerca e sviluppo per un rivelatore di nuova
generazione da utilizzare anche con i futuri fasci di ioni radioattivi nella facilities che si stanno realizzando o che si realizzeranno nei
laboratori europei (LNL, LNS, GANIL, GSI, Eurisol). La collaborazione comprende ricercatori da Italia (per la maggior parte del gruppo
NUCL−EX), Francia, Spagna, Polonia, Romania e India. Il coordinatore scientifico e’ italiano e nello steering committee sono presenti altri
due italiani. Si sono formati anche alcuni gruppi di lavoro, alcuni dei quali coordinati da ricercatori italiani. Qui di seguito l’elenco completo
dei responsabili:
Scientific coordinator G. Poggi
Deputy scientific coordinator R. Bougault
Technical coordinator P. Edelbruck
Steering Board
G. Poggi, R. Bougault, B. Borderie, A. Chbihi, F. Gramegna, T. Kozik, I. Martel, M. Parlog, E. Rosato
Task groups
• Signal Shape Analysis and Theoretical Analysis L. Bardelli
• Physics Cases G. Verde
• Preamplifier and Front−End Electroncs P. Edelbruck
• Acquisition D. Etasse
• Semi−Conductor Detectors L. Lavergne
• Cesium Iodide Detector M. Parlog
• Single Chip Detector G. Poggi
• Experiment Test Implementation T. Kozik, A. Chbihi and E. Rosato
• Detector, Design, Integration R. Bougault and M. Bruno
• Website O. Lopez
I gruppi di lavoro hanno iniziato a funzionare ed e’ prevista entro la fine del 2006 una riunione plenaria in cui tutti i gruppi relazioneranno
sul lavoro svolto.
Il progetto e’ stato presentato a “Colloque Ganil 2006” tenuto a Giens dal 29 maggio al 2 giugno ed alla settima conferenza Radioactive
Nuclear Beams (RNB7) tenuta a Cortina d’Ampezzo il 3−7 luglio 2006.
Sono previste diverse richieste di fascio a LNL, in particolare per studiare il fenomeno del channeling nei rivelatori a stato solido e quanto
questo fenomeno influisca sulla capacita’ di risoluzione in carica dei frammenti che si fermano nel rivelatore al silicio. Diversi altri test sono
previsti a LNL, a Ganil ed al ciclotrone dell’Universita’ di Varsavia sia per i rivelatori al silicio, sia per gli scintillatori CsI(Tl), verificando per
questi ultimo in particolare la dipendenza della risposta in luce dal drogaggio di Tallio.
Infine e’ prevista la presentazione di una lettera di intenti per esperimenti da effettuare presso Spiral II.
B) ATTIVITA' PREVISTA PER L'ANNO 2007
ATTIVITA’ PREVISTA per il periodo 2007−2010
L’attivita’ del gruppo NUCL−EX era prevista per un periodo di quattro anni a partire dal 2003 fino alla fine del 2006. Rispetto al programma
previsto inizialmente sono state effettuate tutte le misure previste presso i Laboratori del Sud con l’apparato Chimera, mentre i problemi
tecnici del complesso TANDEM−ALPI dei Laboratori Nazionali di Legnaro hanno causato ritardi nelle misure previste. E’ stato comunque
recentemente possibile effettuare una misura presso i Laboratori di Legnaro, diversa da quella prevista, ma che servira' per poter
aggiornare il programma iniziale di termodinamica per future misure sistematiche. A cio’ si somma l'esigenza, nata dalla collaborazione
con il gruppo francese, di svolgere misure a Ganil hanno
portato alla necessita' di richiedere l'estensione per altri quattro anni l'attivita'
del gruppo. Infatti le misure a Ganil sono slittate al 2007 per problemi di organizzazione del Laboratorio e per la necessita' di accoppiare
l'apparato Indra allo spettrometro Vamos. Inoltre sono stati ottenuti buoni risultati negli esperimenti che hanno utilizzato
contemporaneamente l’apparato GARFIELD e l’apparato HECTOR, effettuando misure simultanee di frammenti, particelle leggere e
gamma. I gruppi NUCL−EX e GAMMA hanno previsto una serie di nuove misure che saranno illustrate al PAC dei Laboratori di Legnaro
di luglio. Nello stesso tempo, come gia’ presentato in commissione e come descitto in quanto segue, si e’ formalizzata ed ha iniziato ad
operare la collaborazione FAZIA tra Italia, Francia, Spagna, Polonia, Romania ed India, che si prefigge due fasi, una di ricerca e sviluppo
su nuovi tipi di rivelatori e l’altra di definizione di un progetto di nuovo sistema di rivelazione, in vista della costruzione nei prossimi anni di
nuovi acceleratori di ioni radioattivi (Spes, Spiral, FAIR, Eurisol, ...). A questa iniziativa partecipano ricercatori provenienti dagli
esperimenti Nucl−ex ed alcuni da Isospin. L’anno scorso fu richiesto ed ottenuto un modesto finanziamento per la fase “embrionale” di
FAZIA, allora indicata genericamente come Iniziativa Italo Francese (IIF). Tale richiesta gia’ indicava la possibilita’ di una formalizzazione
di un progetto di Rche ora viene effettivamente presentato. Pertanto la proposta di finanziamento per i prossimi quattro anni comprende
sia la prima parte di ricerca, sviluppo e costruzione di prototipi per FAZIA, sia la prosecuzione di misure ed analisi nella linea scientifica sin
qui perseguita dalla collaborazione NUCL−EX. Per gli anni seguenti le richieste di finanziamento sono equivalenti a quanto chiesto per il
primo anno.
Per l’anno 2007 l’attivita’ del gruppo si svolgera’ quindi secondo questo programma per quanto riguarda l’attivita’ Nucl−ex:
1) Misure sperimentali:
a) Laboratori Nazionali di Legnaro. Se il complesso Tandem−Alpi non avra’ ulteriori limitazioni in energia e l’analisi dei dati raccolti dara’
indicazioni interessanti, verra’ valutata la possibilita’ di chiedere al prossimo PAC il completamento a piu’ bassa energia delle misure
iniziate presso i Laboratori del Sud ed una eventuale sistematica con sistemi con diversa massa ed isospin. E’ stata gia’ presentata al
PAC di luglio 2006 una richiesta per una misura con gli apparati Garfield e Hector ed una lettera d’intenti per future misure con questi
apparati.
b) GANIL. Le misure previste sono state rimandate al 2007 e per il 2007 non sono previste altre misure oltre quelle gia’ approvate.
c) Nell’ambito dell’iniziativa FAZIA si intende studiare in dettaglio la capacita’ del sistema di rivelazione di poter discriminare massa e
carica fino ai valori piu’ alti possibile. In questo ambito e’ stata gia’ presentata una proposta al PAC dei Laboratori Nazionali di Legnaro,
che prevede lo studio dettagliato del fenomeno di channeling all’interno dei rivelatori al silicio, fenomeno che potrebbe limitare fortemente
le capacita’ di discriminazione. Sono inoltre previste altre misure con diversi tipi di silici e scintillatori sia presso Ganil, che presso il
ciclotrone dell’universita’ di Varsavia.
2) Analisi dati:
a) Esperimento S+Ni,Fe,Cu a 16.5 AMeV a LNL. Si prevede di terminare la fase di calibrazione entro il 2006 e quindi nel 2007 sara’
possibile effettuare le analisi fisiche di termodinamica compatibili con la statistica disponibile. Se ci saranno dati sufficienti, l’analisi
principale sara’ quella di selezionare sorgenti centrali, studiarne l’equilibrio, determinare la temperatura e studiare la termodinamica. Se
invece non sara’ possibile selezionare le collisioni centrali con una statistica sufficiente, saranno investigati gli effetti di isospin
confrontando le reazioni dei sistemi con diverso rapporto neutroni−protoni.
b) Esperimento 58,62Ni su 40,48Ca a 25 e 35 AMeV a LNS. La maggior parte delle calibrazioni sara’ effettuata entro il 2006, ma non
possiamo fare previsioni su quelle calibrazioni, comuni a piu’ esperimenti, che devono essere effettuati da altri gruppi. Si scegliera' entro il
2006 se attendere oppure procedere senza tenere conto di queste ulteriori calibrazioni, in quanto alcune delle
caratteristiche della reazione si possono studiare lo stesso. La fase di analisi fisica iniziera' quindi nel 2007.
c) Esperimento Dyna a LNS. Anche l’analisi di questo esperimento e’ in ritardo per gli stessi problemi di alcune calibrazioni mancanti. Si
procedera’ ad una calibrazione ad hoc, fattibile per questo esperimento perche’ e’ possibile selezionare quasi−proiettile e quasi−bersaglio.
L’analisi fisica consistera’ nella selezione di reazioni semiperiferiche e si cerchera’ di separare i contributi di emissione rapida a
mid−velocity di particelle e frammenti dal fondo evaporativo. Questa emissione rapida e’ importante per comprendere il ruolo della
dinamica nucleone−nucleone rispetto alla dinamica di campo medio, ambedue presenti nel regime energetico di Fermi. Sara’ assai utile
confrontare i risultati al riguardo che verranno dal rivelatore Chimera, di utilizzo generale, con quelli gia’ ottenuti (ed in parte pubblicati)
dall’apparato FIASCO progettato proprio per le collisioni meno centrali.
3) Ricerca e sviluppo:
a) Apparato Garfield. La ricerca e sviluppo consistera’ principalmente nel mantenere l’apparato competitivo nell’ambito degli apparati della
sua generazione. Sono ancora allo studio migliorie hardware, come ad esempio l’inserimento di un secondo rivelatore al silicio nei
telescopi camera−silicio−CsI(Tl) degli apparati RCo e SIA, o il montaggio in modo “rovescio” dei rivelatori al silicio per poter effettuare una
discriminazione in forma, o ancora l’aumento di granularita’ che si puo’ ottenere nel RCo ruotando i silicio rispetto ai settori di camera e
CsI(Tl). Sara’ infine completato l’aggiornamento del sistema di acquisizione. Vista l’ottimo funzionamento dei moduli di elettronica digitale
per lo studio del segnale degli scintillatori e di analoghi moduli per i rivelatori al silicio, si prevede di estendere l’elettronica digitale a tutti i
canali di Garfield + SIA +RCo, non solo quelli di Silici e scintillatori, ma anche quelli di camere a ionizzazione e soprattutto la parte di
microstrip della camera di Garfield. Questo completamento e’ previsto tra il 2007 ed il 2008 e prevede una spesa limitata a circa 80000
euro. Il rivelatore Garfield sarebbe quindi il primo rivelatore nel campo della fisica nucleare completamente “digitalizzato” (cfr. richieste
sezione di Firenze).
b) Modifiche alla meccanica di Garfield. E’ previsto un nuovo sistema di allineamento e di diagnostica del fascio all’interno della camera di
Garfield, in modo da evitare alcuni problemi avuti in passato con i rivelatori che fornivano un segnale, nonostante l’assenza di bersaglio.
E’ previsto un nuovo supporto meccanico per il Ring Counter che, essendo montato a sbalzo su una base che puo’ scorrere avanti e
indietro, talvolta perde l’allineamento. E’ necessario che sia possibile una regolazione fine che permetta un allineamento perfetto, in
quanto uno spostamento anche inferiore al grado puo’ compromettere la simmetria azimutale. Dovra’ essere inoltre studiato un supporto
per il SIA che ne permetta il facile spostamento ed il posizionamento sufficientemente preciso ad angoli noti.
c) Ricerca e sviluppo su rivelatori ed elettronica. Questo continuera’ anche nel quadro della collaborazione FAZIA. Entro la fine del 2006
sara’ sviluppato un nuovo prototipo Si−Si−CsI(Tl) di dimensioni opportune per il nuovo rivelatore, nel quale il secondo silicio legge la
fluorescenza dal cristallo. La lettura sara’ effettuata con l’elettronica digitale fin qui sviluppata, con qualche modifica in modo da soddisfare
le necessita’ di basso rumore ed utilizzando anche moduli digitali che sono in corso di sviluppo da parte francese. Sono quindi previste
misure di test di questo ed altri prototipi presso Laboratori Italiani e stranieri che diano tempo macchina per poterle effettuare.
4) Collaborazione FAZIA. Come gia’ detto in fase di presentazione nel 2005, nei prossimi 5−10 anni i ricercatori che operano nell’ambito
dello studio di reazioni nucleari estenderanno le loro ricerche, sia di termodinamica che di dinamica nucleare, con i fasci radioattivi ove
essi saranno disponibili. L’attivita’ principale di questi primi 4 anni sara’ principalmente indirizzata sia al lavoro dei gruppi di lavoro sulle
tematiche fisiche da affrontare con i fasci radioattivi entro i prossimi 5−10 anni e sulle caratteristiche che deve avere un rivelatore adatto ai
futuri esperimenti. Le caratteristiche ideali dovrebbero essere:
a) Identificazione di massa e carica di tutti i prodotti di reazione, da particelle leggere a frammenti di massa intermedia (IMF) fino ai residui
di evaporazione;
b) Soglie molto basse, dell’ordine di poche centinaia di AkeV sia per la rivelazione che per l’identificazione;
c) Molto buona risoluzione energetica, dell’ordine dell’1% in un molto ampio range dinamico, da pochi MeV a qualche GeV.
d) Alta precisione angolare (< 1 grado) e copertura a 4À con sufficiente granularita’ per poter effettuare una analisi affidabile delle funzioni
di correlazione.
e) Modularita’ in modo da poter accoppiare parti dell’apparato con apparati gia’ esistenti.
f) Progetto e montaggio che ne faciliti il trasporto fra i vari laboratori dove possono essere condotti gli esperimenti con fasci stabili ed
instabili.
La concezione di un apparato con caratteristiche che si avvicinino il piu’ possibile a quelle ideali necessita di uno studio accurato in modo
tale da evitare costi che potrebbero essere non sostenibili dalla comunita’ nucleare. I gruppi di studio avranno quindi il compito di studiare
il progetto complessivo e di costruire alcuni prototipi in modo da ottimizzarne le prestazioni contenendo al massimo i costi. La strategia
della collaborazione e’ la seguente:
a) Ricerca e sviluppo per un prototipo per definire le caratteristiche del singolo modulo di rivelazione;
b) Apparato prototipo che consiste in 20−30 moduli di base in una geometria che soddisfi le necessita’ tecniche in termini di granularita’ e
risoluzione angolare per verificare eventuali problemi di meccanica, di cross−talk, etc.
c) Apparato dimostratore che potrebbe essere un apparato da À a 2À;
d) Apparato completo a 4À.
I punti a) e b) suesposti, insieme con la messa a punto delle tematiche di fisica associate, sono quelli che riguardano la fase di RDdi cui si
chiede il finanziamento per i prossimi anni di prolungamento NUCL−EX.
E’ in preparazione un MoU (Memorandum of Understanding) che riguarda le prime due fasi della strategia. Le fasi successive, se lo RDsi
completasse positivamente, dovranno essere ridefinite e discusse e faranno parte di MoU separati.
Lo steering Committee della collaborazione Fazia ha infine deciso di contattare due esperti esterni come referee del progetto, Heinrich
Woertche e Gianfranco Prete.
C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI
Anno
finanziario
2003
2004
2005
2006
TOTALE
Mod EC. 5
Missioni
interne
Missioni
estere
Materiale di Trasporti e
consumo facchinaggi
90,5
92,5
94,0
67,5
29,0
34,0
39,5
37,5
152,0
84,0
59,5
73,5
3,0
344,5
140,0
369,0
6,0
3,0
Spese di
calcolo
Affitti e
manutenz.
In kEuro
Materiale
Costruzione
inventariabile
apparati
TOTALE
87,5
57,0
29,0
28,5
235,0
131,5
48,0
22,0
597,0
399,0
273,0
229,0
202,0
436,5
1498,0
(a cura del rappresentante nazionale)
RISULTATI DELLE ULTIME MISURE EFFETUATEPRESSO I LABORATORI DI LEGNARO CON FASCI DI
ELETTRONICA DIGITALE
Fig. 1Molteplicita’ dei canali dei CsI delle due camere di
Garfield (30o<θlab<150o). Si possono notare molteplicita’ fino a 18.
32
S A 16.5 AMEV
Fig. 2 Risultati di discriminazione in massa da analisi in forma di CsI(Tl) con elettronica digitale ad angoli θ=82,5 67,5 52,5 37,5 dalla prima alla quarta colonna
Fig. 3 Risultati di discriminazione in massa da analisi in forma di CsI(Tl) con elettronica digitale ad angoli θ=97,5 112,5 127,5 142,5 dalla prima alla quarta colonna. Ad
angoli superiori a 90o si vedono sostanzialmente particelle leggere (ad angoli molto grandi quasi solo protoni).
RISULTATI DELLE ULTIME MISURE EFFETUATE
PRESSO I LABORATORI DI LEGNARO CON FASCI DI
32
S A 16.5 AMEV
RING COUNTER
Fig. 1 Esempio di uno spettro bi-dimensionale camera silicio ad un amgolo θ = 13o. Sono
chiaramente visibili le linee di Z anche maggiori di 16 ed il residu di evaporazione.
Fig. 2 Altro esempio di uno spettro bi-dimensionale camera silicio ad un amgolo θ = 9o. Anche a
questo angolo sono chiaramente visibili Z maggiori di 16 ed il residuo di evaporazione.
Fig. 3 Spettro bi-dimensionale silicio CsI(Tl) ad un angolo θ = 9o, che mostra la risoluzione in
carica e massa.
Fig. 4 Come Fig.3 ma con l’ordinata in alto guadagno. E’ possibile l’identificazione in massa per
Z =1, 2 e 3.
Codice
Esperimento
NUCL−EX
NUCLEARE
Gruppo
3
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In KEuro
ANNI
Missioni Missioni
FINANZIARI interne estere
2007
2008
2009
2010
TOTALI
Mod EC./EN. 6
92,5
80,0
80,0
80,0
99,5
80,0
80,0
80,0
332,5 339,5
Spese
Materiale
Affitti e
Trasporti e
di
di
facchinaggi
calcolo
consumo
42,0
47,5
140,5
60,0
30,0
150,0
60,0
30,0
150,0
60,0
30,0
150,0
590,5
0,0
0,0
0,0
137,5
222,0
TOTALE
Compet.
422,0
400,0
400,0
400,0
1622,0
Codice
Esperimento
NUCL−EX
Struttura
BO
Gruppo
3
N
1
2
3
4
5
6
Qualifica
Affer.
Incarichi
al
%
Cognome e Nome
gruppo
.
Art.
23
Ruolo
Ricerca Assoc
Bruno Mauro
D'agostino Michela
Desanctis Jacopo
Geraci Elena Irene
Marini Paola
Vannini Gianni
P.A.
R.U.
Dott.
Ric.
Dott.
P.O.
100
100
100
100
100
70
3
3
3
3
3
3
Denominazione
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi %
Ass.
Ruolo Art. 23
Tecnol.
Dipendenti
N
TECNICI
Cognome e Nome
Qualifica
Incarichi
Dipendenti
Ruolo Art. 15
Annotazioni:
mesi−uomo
2.0
12.0
Mod EC./EN. 7
0
0
%
Collab.
Assoc. tecnica
tecnica
SERVIZI TECNICI
1 Calcolo
2 STG
N
TECNOLOGI
0
0
Codice
Esperimento
NUCL−EX
NUCLEARE
Gruppo
3
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2007
Data
completamento
Descrizione
28−02−2007
sistemazione nuovo portabersagli nella camera di scattering di Garfield
30−03−2007
invio di un lavoro sui risultati dell'esperimento GDR
30−09−2007
test ed istallazione dei nuovi canali di elettronica digitale
30−09−2007
sistemazione nuovo supporto RCo
30−09−2007
invio di un lavoro sulle misure di termodinamica
30−12−2007
test di funzionamento rivelatori per apparato Fazia
Mod EC./EN. 8
Struttura
Gruppo
BO
3
Coordinatore: Mauro Bruno
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) − RICERCATORI
Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:
N.
Cognome e Nome
Dipendenti
Affer.
al
gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.
I
1
Alici Andrea
AsRic
3
2
Antinori Samuele
Bors.
3
3
Antonioli Pietro
4
Arcelli Silvia
5
Basile Maurizio
6
Bruno Mauro
7
Cara Romeo Giovanni Ric.
8
Cifarelli Luisa
9
Cindolo Federico
10
Costa Filippo
11
D'agostino Michela
12
Desanctis Jacopo
13
Dona' Roberto
R.U.
3
14
Gandolfi Enzo
P.A.
3
15
Geraci Elena Irene
16
Hatzifotiadou Despina
I Ric
3
100
17
Luvisetto Maria Luisa
Ric.
2
60
18
Margotti Anselmo
Ric.
3
70
19
Marini Paola
Dott.
3
20
Masetti Massimo
Altro
3
21
Massimi Cristian
Dott.
3
22
Nania Rosario
23
Noferini Francesco
24
Pesci Alessandro
25
Preghenella Roberto
26
Scapparone Eugenio
27
Scioli Gilda
28
Vannini Gianni
29
Ventura Alberto
30
Vitale Antonio
R.U.
3
100
P.O.
3
100
P.A.
3
P.O.
Bors.
R.U.
Dott.
Ric.
Dott.
Ric.
Dott.
Ric.
AsRic
P.O.
*
100
3
100
3
80
3
80
3
20
100
3
100
3
100
100
30
40
P.O.
40
*
30
100
25
75
100
1
50
3
100
2
60
3
100
3
100
3
100
50
40
70
30
3
100
1
Ricercatori
20
16 3.45
5.7 1.2 2.3
Note:
INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO
(N.B.NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)
Mod G1
Indicare il profilo INFN
Indicare la Qualifica Universitaria (P.O. P.A. R.U.) o Ente di rappresentanza
Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti:
Bors.) Borsista; B−P−D) Post−Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando;
Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str) Studioso straniero;
DIS) Docente Istituto Superiore
4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA
30
100
3
E.N.E.A
V
40
3
D.R.
IV
100
60
D.R.
II
100
3
Ric.
1) PER I DIPENDENTI
2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA
3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE
Percentuale
impegno
in altri gruppi
Ricerche del gruppo in %
Qualifica
80
Struttura
Gruppo
BO
3
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) − RICERCATORI
N.
Dipendenti
Cognome e Nome
Incarichi
Affer.
al
gruppo
Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.
I
31
Williams Meurig Crispin Stowe
3
100
32
Zampolli Chiara
Dott.
3
100
33
Zanarini Gianni
P.A.
5
34
Zichichi Antonino
D.R.
P.E.
1
Ricercatori
1) PER I DIPENDENTI
2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA
40
16 3.45
Mod G1
IV
V
70
20 40
5.7 1.2 2.3
Indicare la Qualifica Universitaria (P.O. P.A. R.U.) o Ente di rappresentanza
Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti:
Bors.) Borsista; B−P−D) Post−Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando;
Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str) Studioso straniero;
DIS) Docente Istituto Superiore
4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA
II
30
Note:
INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO
Percentuale
impegno
in altri gruppi
Qualifica
Struttura
Gruppo
BO
3
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) − TECNOLOGI
Qualifica
N.
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23
Assoc.
Tecnologica
Cognome e Nome
I
1
Falchieri Davide
T.L.
100
2
Gabrielli Alessandro
T.L.
20
3
Laurenti Giuliano
D.T.
Mod G2
II
20
50
Note:
1) PER I DIPENDENTI
Percentuale
impegno
in altri gruppi
Indicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo
50
IV
V
60
Struttura
Gruppo
BO
3
COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) − TECNICI
Qualifica
N.
Cognome e
Nome
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23
Collab. Assoc.
tecnica Tecnica
Percentuale impegno
in altri gruppi
I
Servizi (mesi−uomo)
1
Elettr.
24.0
2
O.M.
24.0
3
P. Mecc.
12.0
4
Calcolo
5
STG
2.0
24.0 12.0
Note:
1) PER I DIPENDENTI
2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA
3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA
Mod G3
Indicare Ente da cui dipendono
Indicare Ente da cui dipendono
II
IV
V
Struttura
BO
Gruppo
3
PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO
Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferiscono
ai singoli esperimenti e per l'ampliamento della Dotazione di base del Gruppo
In KEuro
IMPORTI
VOCI
DI
SPESA
Parziali
missioni interno coordinatore
2,5
missioni interno del gruppo
9,5
missioni interno Prof. Bertin per valutazione
3,0
conferenze e contatti scientifici
25,0
Totale
Compet.
15,0
25,0
consumi gruppo3
15,0
Materiale
Consumo
Seminari
15,0
seminari
4,0
trasporti
4,0
Spese
trasporto
4,0
4,0
Pubblicazioni pubblicazioni
Scientifiche
Consorzio
Spese
calcolo
4,0
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
4,0
Altro
Affitti e
manutenz.
apparecchiat.
materiale per gruppo
65,0
Materiale
Inventariabile
65,0
Costruzione
Apparati
Totale
(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione
Mod G4
132,0
Struttura
BO
Gruppo
3
PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE
RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPO
In KEuro
SIGLA
ESPERIMENTO
SPESA PROPOSTA
Miss.
interno
Affitti
Miss. Materiale di
Trasp.
Spese di
Mater.
Costr.
Seminari
Pubblicazioni
e Manut.
estero
cons.
e Facch.
calcolo
inventar. apparati
Appar.
ALICE_GRID
ALICE_TOF
ALICE_DRIFT
FINUDA
N−TOF
NUCL−EX
20,0
15,0
12,0
11,5
22,0
489,5
45,0
Totali A)
20,0
42,0
19,5
100,0
25,0
1,0
1,0
30,0
80,5
596,0
157,0
20,0
15,0
25,0
15,0
30,6
19,0
20,0
TOT
Compet.
3,0
3,0
27,0
30,6
648,5
105,0
13,0
57,5
101,5
75,6
27,0
956,1
Totali B)
C) Dotazioni di
Gruppo
Totali (A+B+C)
Mod G5
95,5 621,0
172,0
4,0
4,0
4,0
24,0
4,0
4,0
65,0
140,6
132,0
27,0
1088,1

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

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