Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
Not a member yet
364 research outputs found
Sort by
Searches for New Physics in b →sl+l -transitions at the LHCb experiment
No full textPraca doktorska opisuje poszukiwania nowej fizyki poprzez rozpad łamiący zasadę˛
zachowania zapachu leptonów - B+ →K+μ±e±. Analiza została przeprowadzona na
próbce danych odpowiadającej 3 fb-1 scałkowanej świetlności, zebranej przez eksperyment
LHCb ze zderzeń proton-proton w akceleratorze LHC. Zderzenia przeprowadzono
dla układu środka masy wynoszącej 7 TeV (8 TeV) w latach 2011 (2012). Nie zaobserwowano sygnału, tak więc górny limit został oszacowany:
B(B+!K+ μ +e-) < 8:3_10-9
B(B+!K+ μ +e )< 6:1_10-9.This thesis describes a search for new physics through the lepton flavour violating
decay channel B+ →K+μ±e±. The analysis was performed with a data sample
corresponding to an integrated luminosity of 3 fb-1 gathered by the LHCb experiment
from proton - proton collisions in the LHC accelerator. The collisions were performed
at a centre-of-mass energy of 7 TeV (8 TeV) in 2011 (2012). No signal was observed,
thus the upper limits were set to be:
B(B+!K+ μ +e-) < 8:3_10-9
B(B+!K+ μ +e )< 6:1_10-98
Real time radiation dose assessment at civil flight altitudes due to galactic cosmic rays and spontaneous solar particle events
No full textGłównym celem mojej pracy jest przedstawienie badań naukowych, opracowanie oraz wdrożenie semi-empirycznego modelu do oszacowania w czasie rzeczywistym dawek promieniowania kosmicznego na wysokościach cywilnego ruchu lotniczego na skutek galaktycznego promieniowania kosmicznego (galactic cosmic radiation - GCR) oraz spontanicznych wybuchów słonecznych (solar energetic particles - SEP), które dokonałem jako pracownik naukowy w Seibersdorf Labor GmbH (dawniej Austrian Research Center Seibersdorf) w Austrii. Wszystkie zaprezentowane wyniki zostały opublikowane w czasopismach, na konferencjach i warsztatach naukowych.
W rozdziale pierwszym mojej pracy zamieszczam krótki wstęp do podstaw mikrodozymetrii jako jednej z metod stosowanych, również przeze mnie, w pomiarach promieniowania kosmicznego.
W rodziale drugim zamieszczam zarys tematyki promieniowania kosmicznego starając się zaznaczyć podstawowe aspekty zagadnienia promieniowania kosmicznego ważne z punktu widzenia ninejszej pracy.
W rozdziale następnym, trzecim, opisuję podsumowanie zastosowania tkankopodobnego licznika proporcjonalnego (TEPC) do pomiarów różnych pól promieniowania. Dokonałem kalibracji tego instrumentu oraz użyłem go w pomiarach laboratoryjnych pól promieniowania (np. CERF w CERN).
W rozdziale czwartym opisuję kilka pomiarów promieniowania kosmicznego jakie dokonałem na pokładzie samolotu. W międzynarodowej kampanii pomiarowej CAATER (Co-ordinated Access to Aircraft for Transnational Environmental Research) do pomiarów użyłem licznika TEPC. Uczestniczyłem w przygotowaniach i projektowaniu kampanii, wykonałem i zanalizowałem własne pomiary. Wyniki podsumowałem, jako pierwszy autor, we wspólnej publikacji. Korzystając ze swojego doświadczenia informatycznego zaprojektowałem i opiekowałem się bazą danych dla wyników pomiarów promieniowania kosmicznego dokonanych na pokładach samolotów przez różne instytuty dla grupy roboczej EURADOS zajmującej się zagadnieniem ekspozycji personelu lotniczego na promieniowanie kosmiczne. Zebrane dane zostały opublikowane jako raport EURADOS oraz jako raport Komisji Europejskiej nt. ekspozycji personelu lotniczego na promieniowanie kosmiczne. Jako członek grupy zajmującej się ekspozycją personelu lotniczego na promieniowanie kosmiczne w Seibersdorf Laboratories, analizowałem niezwykle ciekawe pomiary dokonane przy użyciu TEPC podczas spontanicznych wybuchów na Słońcu w październiku i listopadzie 2003 roku – tak zwanych Halloween Storms. Pomiary te i analiza danych zostały opisane w publikacji, której byłem współautorem.
W rozdziale piątym prezentuję badania nad dawkami promieniowania w atmosferze na skutek promieniowania kosmicznego, przy użyciu numerycznych symulacji komputerowych. Najpierw wykonałem symulacje galaktycznego promieniowania kosmicznego (GCR) w atmosferze. Następnie wykonałem i analizowałem symulacje komputerowe trzech różnych spontanicznych wybuchów słonecznych, które spowodowały tymczasowy wzrost poziomów promieniowania nie tylko w atmosferze, lecz także na Ziemi – tak zwane ground level enhancements (GLE). Wyniki tych badań zostały opublikowane w raporcie Seibersdorf Laboratories dla austriackiego rządowego Urzędu Ochrony Radiologicznej.
Na podstawie doświadczenia zdobytego podczas wykonywania praktycznych pomiarów jak i symulacjach komputerowych, w rodziale szóstym, opisuję projekt semi-empirycznego modelu do oszacowania dawek promieniowania kosmicznego na pokładach samolotów. Model, który proponuję składa się z dwóch cześci. Pierwsza oszacowuje dawki tylko dla galaktycznej częsci promieniowania kosmicznego (GCR). Druga, oszacowuje dawki również dla spontanicznych wybuchów słonecznych (SEP).
Pierwsza część modelu ma nazwę AVIDOS-FDS (AVIDOS Flight Dosimetry Service) i jest zintegrowana z akredytowanym serwisem dozymetrycznym prowadzonym przez Seibersdorf Laboratories dla personelu lotniczego. Serwis ten jest w pełni zgodny ze standardem EN ISO/IEC 17025 i jest oferowany przez Seibersdorf Laboratories dla swoich klientów. Druga część modelu ma nazwę AVIDOS 2.0 i jest internetowym serwisem Seibersdorf Laboratories zintegrowanym z portalem internetowym Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) – Space Weather Service Network (http://swe.ssa.esa.int/swe). Użytkownicy zarejestrowani na portalu pogody kosmicznej ESA mają dostęp do czterech różnych modułów AVIDOS 2.0. Program AVIDOS 2.0 na portalu ESA jest pierwszym w Europie darmowym i ogólnodostępnym programem komputerowym działąjącym w czasie rzeczywistym służącym do oszacowania dawek promieniowania pochodzących od galaktycznego promieniowania kosmicznego (GCR) i spontanicznych wybuchów słonecznych (SEP).
W rozdziale siódmym podsumowuję zaprezentowaną pracę. W rozdziale ósmym przedstawiam perspektywy planowanych dalszych działań dotyczących zagadnienia ekspozycji personelu lotniczego na promieniowanie kosmiczne.The main goal of my work is to present scientific investigations, developments and justifications of a semi-empirical model for real-time radiation dose assessment at civil flight altitudes due to galactic cosmic radiation (GCR) and solar energetic particles (SEP) events, that I have carried out as scientific employee at the Seibersdorf Labor GmbH (former Austrian Research Center Seibersdorf) in Austria. All presented results have been published in journals, conferences and scientific workshops.
In the chapter 1 of this work, I describe a brief introduction to the basics of microdosimetry as one of methods that is used, and which I used, in measurements of cosmic radiation.
In chapter 2, I present short description of cosmic radiation with the aim to emphasize those aspects of this topic, which are important for the work that I present here.
In the next chapter 3, I describe a summary of the usage of a tissue equivalent proportional counter (TEPC) for measurements in various radiation fields. I performed calibration of that instrument and practically used it to exercise measurements in laboratory radiation fields (e.g. CERF at CERN).
In chapter 4, I am describing several cosmic radiation measurements carried out on-board aircraft. I used the TEPC dosimeter system in the international campaign CAATER (Co-ordinated Access to Aircraft for Transnational Environmental Research). I participated in the preparation and the design of the campaign, and I analyzed the measurements I have performed. I have summarized the results in a joint publication with me as the first author. Taking advantage of my experience in information technology, I designed and took care of a database for on-board measurements of cosmic radiation performed by various institutes for EURADOS working group on Aircraft Crew Dosimetry. The gathered data was published as a EURADOS report as well as a report on Aircraft Crew Dosimetry by the European Commission. Regarding on-board measurements during extraordinary solar conditions, as part of a team at Seibersdorf Laboratories, I analyzed TEPC data measured during the so-called Halloween Storms, a solar storm during October and November 2003. The measurements and data analysis have been published with me as a co-author.
In chapter 5, I present investigations on radiation doses in atmosphere due to cosmic radiation using numerical simulations. First, I simulated radiation exposure in the atmosphere due to GCR. Further, I performed and analyzed numerical simulations of three different solar energetic particle events that led to temporary elevated radiation levels not only in the atmosphere but also on the Earth – so-called ground level enhancements (GLE). Results of these investigations are published in a report by the Seibersdorf Laboratories for the Austrian governmental office for radiological protection.
Based on the experience that I got in practical measurements and numerical simulations, I describe in chapter 6 the design of a semi-empirical model for the assessment of radiation dose due to cosmic radiation at civil flight altitudes. Model that I propose consists of two parts. The first part models radiation doses only due to galactic cosmic radiation (GCR). Second, also for additional doses due to SEP.
The first part is called AVIDOS-FDS (AVIDOS Flight Dosimetry Service), and is integrated with the accredited flight-dosimetry-service of Seibersdorf Laboratories. The flight-dosimetry-service is fully compliant with EN ISO/IEC 17025 standard and is offered to Seibersdorf Laboratories’ customers. The second part is called AVIDOS 2.0 and is used by Seibersdorf Laboratories as its service federated with Space Weather Service Network – an internet portal of the European Space Agency, ESA (http://swe.ssa.esa.int/swe). Users registered at ESA Space Weather portal, can access four different user-modes of AVIDOS 2.0. AVIDOS 2.0 at ESA’s portal is the first Europe-wide publicly available software for real-time radiation dose assessment at civil flight altitudes due to galactic cosmic radiation (GCR) and solar energetic particle (SEP) events.
In chapter 7, I summarize the presented work. In chapter 8, I give an outlook on planned further activities in the field of aircrew dosimetry.14
Metoda pomiaru strumieni neutronów z reakcji syntezy w reaktorach termojądrowych poprzez detekcję neutronów opóźnionych z aktywacji materiałów rozszczepialnych. Projekt i budowa systemu pomiarowego
No full textPomiary neutronowe wykonywane przy urządzeniach służących do realizacji reakcji syntezy jądrowej deuter-deuter lub deuter-tryt w plazmie wysokotemperaturowej są jednymi z najważniejszych diagnostyk pozwalających na określanie parametrów plazmy i zachodzących w niej reakcji. Stwierdzenie to jest słuszne zarówno dla istniejących i budowanych tokamaków badawczych (np. JET, ITER), jak i dla przyszłościowych reaktorów komercyjnych, które będą służyć do produkcji energii elektrycznej. Te ostatnie będą wyposażane w minimalną, niezbędną liczbę urządzeń pomiarowych, wśród których dalej wiodącą rolę będą pełniły systemy detekcji neutronów. Z tego powodu są prowadzone intensywne badania nad rozwojem systemów do pomiarów neutronów, dedykowanych zwłaszcza dla dużych, czyli produkujących bardzo wysokie strumienie neutronów, urządzeń fuzyjnych.
Rejestracja bardzo wysokich częstości zliczeń neutronów stanowi dużą trudność pomiarową. Jednym ze sposobów ominięcia tego problemu może być pomiar pośredni: w wysokim strumieniu neutronów aktywuje się tarczę z materiału rozszczepialnego. W wyniku reakcji rozszczepienia pojawia się niewielka liczba tzw. neutronów opóźnionych. Zmierzony strumień neutronów opóźnionych można następnie wykorzystać do wyliczenia pierwotnego strumienia neutronów z plazmy.
W niniejszej pracy zostało przedstawione nowe podejście do metody pomiaru strumieni neutronów z reakcji syntezy termojądrowej poprzez detekcję neutronów opóźnionych. Zaproponowane rozwiązanie pozwala na rejestrację nie tylko ogólnej liczby emitowanych neutronów opóźnionych z zaaktywowanej tarczy, ale również na rejestrację krzywej ich zaniku w czasie. Wyznaczenie przebiegu krzywej zaniku strumienia neutronów opóźnionych pozwala na większą swobodę doboru parametrów do wyznaczenia strumienia neutronów generowanego w plazmie z lepszą precyzją.
Ogólnym celem niniejszej pracy było zaprojektowanie oraz budowa dedykowanego urządzenia do pomiaru wysokich strumieni neutronów prędkich, powyżej 107 n/cm2s, generowanych w plazmie wysokotemperaturowej (deuterowej lub deuterowo-trytowej), z wykorzystaniem metody aktywacyjnej z zastosowaniem tarcz z materiałów rozszczepialnych. W ramach pracy został zaprojektowany i wykonany układ pomiarowy oraz stanowisko pomiarowe, zoptymalizowane do rejestracji krzywej zaniku strumienia neutronów opóźnionych z rozszczepialnej tarczy aktywacyjnej.
Praca zawiera projekt, opis konstrukcji całego urządzenia, optymalizację jego parametrów pod kątem wyboru materiału rozszczepialnego stanowiącego tarczę aktywacyjną, ustalenia rodzaju i geometrii materiałów osłonowych stanowiska pomiarowego oraz typu, liczby i rozmieszczenia detektorów, a także propozycję systemu pomiarowego użytego do zliczania i wyznaczania krzywej zaniku neutronów opóźnionych. W celu optymalizacji układów posłużono się komputerowymi metodami obliczeniowymi wykorzystującymi kod Monte Carlo N-Particle (MCNP) Transport Code. Dla wybranych materiałów rozszczepialnych zostały zaproponowane kształty i rozmiary próbek, które
stanowią tarcze aktywacyjne. Do pomiaru neutronów opóźnionych z zaaktywowanej tarczy zaproponowano zestaw 12 detektorów helowych z kompletnym systemem elektroniki pomiarowej. Cały układ umieszczony jest w zoptymalizowanym układzie osłon zapewniających maksymalny stosunek sygnału do tła.
Skonstruowane urządzenie o akronimie DET-12 zostało przetestowane pod kątem poprawności działania. Została wykonana testowa kalibracja w warunkach laboratoryjnych przy użyciu źródła neutronowego 252Cf w celu oszacowania wydajności i progu detekcji urządzenia DET-12. Wykorzystano również modelowanie komputerowe dla poszerzenia zakresu testów, symulując warunki pracy urządzenia w polu neutronów charakterystycznym dla tokamaka. Dla urządzenia zostały także określone wymagania co do sposobu rejestracji danych pomiarowych (zliczeń w kanałach czasowych) oraz dalszego ich przetwarzania w celu wyliczenia wartości pierwotnych strumieni neutronów naświetlających tarcze z materiałami rozszczepialnymi.Neutron measurements carried out at devices using nuclear deuterium-deuterium or deuterium-tritium fusion reactions in high-temperature plasma are one of the most important diagnostics allowing to determine plasma parameters and reactions occurring in it. This statement is valid for both: existing and constructed research tokamaks (e.g. JET, ITER) as well as for future commercial reactors that will be used to produce electricity. The last one will be equipped with the minimum, necessary number of measuring devices, among which neutron detection systems will play the leading role. For this reason, intensive research is being carried out on the development of neutron measurement systems, dedicated especially to large, producing very high neutron fluxes, fusion devices.
The registration of very high frequencies of neutron counts is a great measurement difficulty. One of the ways to overcome this problem may be indirect measurement: the high neutron flux activates a target of fissile material. As a result of the fission reaction, a small number of so-called delayed neutrons is generated. The measured delayed neutron flux can then be used to calculate the original neutron flux from the plasma.
This paper presents a new approach to the method of measuring neutron fluxes from thermonuclear fusion reactions by detecting delayed neutrons. The proposed solution allows the registration not only the total number of generated delayed neutrons from the activated target, but also the registration of their time decay curve. Determining the time decay curve delayed neutrons allows more freedom in selecting parameters for determining the neutron flux generated in the plasma with better precision.
The aim of this work was to design and build a dedicated device for measuring high fast neutron fluxes (above 107 n/cm2s) generated in high-temperature plasma (deuterium or deuterium-tritium) using the activation method with the fissile targets. As part of the work, a measurement system and a measuring chamber were designed, optimized and made for the detection and recording the time decay curve of delayed neutrons from a fissionable activation targets.
The work includes a design, description of the structure of the device, optimization of its parameters, selection of fissile materials constituting the activation targets, determining the type and geometry of shielding materials of the DET-12 device, number and arrangement of detectors, and the proposed measuring system used to count and determine of the decay curve delayed neutrons. In order to optimize the systems, computational methods using the Monte Carlo N-Particle code (MCNP) Transport Code were used. For selected fissile materials, shapes and sizes of samples have been proposed. For the measurement of delayed neutrons from the activated targets, a set of 12 helium detectors with specific electronics was proposed. The whole system is placed in an optimized shield system ensuring maximum signal to background ratio.
The constructed device with the DET-12 acronym was tested for correct operation. The calibration test was carried out in laboratory conditions using a 252Cf neutron source to estimate the efficiency of DET-12 device and its measurement range. Computer modeling
was also used to extend the scope of tests, simulating the working conditions of the device in the neutron field characteristic for the tokamaks. The device has also specified requirements for the method of recording measurement data (counts in time channels) and further processing in order to calculate the values of the original neutron fluxes irradiating targets with fissile materials.6
Study of the Quark-Gluon Plasma with Hard Probes at the LHC
No full textMatter that surrounds us comes in a variety of phases that can be transformed into each other
by a change of external conditions such as temperature, pressure, and composition. A good
example is water that besides the liquid and gaseous phases, features a variety of solid phases
[1]. Transitions from one phase to another are often accompanied by drastic changes in the
physical properties of the matter, such as its electrical and thermal conductivity, elasticity, or
transmittance. One may ask what happens when matter is under extreme conditions of high
temperature and/or density. This question is of relevance for the early stage of the Universe
as we go backwards in the cosmic evolution. It is also important in understanding of the
properties of the inner core of neutron stars, the densest cosmic objects. Here the main players
are no longer forces of electromagnetic origin but the strong interaction, which is responsible
for the binding of protons and neutrons into nuclei and of quarks and gluons into the hadrons.
The first realistic picture of the hadronic matter at high temperature was proposed by Hagedorn
in the statistical bootstrap model of hadron production [2], well before the discovery of
the Quantum Chromodynamics (QCD) [3]. In this model, hadrons are considered as composite
particles (resonances of lighter hadrons), which results in the exponential increase in the
density of mass states, r(mh) µ mmh-5=2
h emh=TH, where mh is the mass of a given hadronic state
and TH is the Hagedorn temperature. This formula is well verified by summing up the measured
hadronic states [4]. A fit to the data yields TH _ 170 MeV. An immediate consequence
of the model is that the logarithm of the partition function of such hadron resonance gas and,
thus, all thermodynamical quantities diverge at the limiting temperature T = TH.
In 1973, Politzer [5], Gross and Wilczek [6] discovered that the QCD has properties of
asymptotic freedom, i.e. the interaction between quarks and gluons weakens as they get closer
to one another. It implies that at sufficiently high temperature and/or density, a new phase of
deconfied quarks and gluons, referred to as quark-gluon plasma (QGP) [7–11], can be formed.
The existence of a new phase was later confirmed in the calculations using the lattice formulation
of QCD [12, 13]. Within this picture, the limiting temperature TH is close to the critical
temperature for the phase transition between hadrons and quarks and gluons. Moreover, with
point-like quarks and gluons the temperature can grow beyond any limits.
These results inspired the community to explore the possibility to create and study the
quark-gluon plasma by colliding heavy nuclei at high energy. In these collisions, the initial
energy density and temperature should be sufficient to create the QGP for a short time. Experimental
programmes started simultaneously in 1986 at the Alternating Gradient Synchrotron
at the Brookhaven National Laboratory (BNL) and at the Super Proton Synchrotron (SPS) at
CERN. Since 2000, the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at BNL has been colliding
heavy-ions at psNN = 20–200 GeV. A new era of experimental search for the QGP started in
2009, when the Large Hadron Collided (LHC) at CERN became operational. The LHC was
designed to collide heavy nuclei up to that of Pb at energy of psNN = 5:5 TeV, which is about
30 times larger than that at RHIC.
Author joined A Large Ion Collider Experiment (ALICE) at the LHC in 2007. ALICE is a
dedicated heavy-ion detector, which was designed to exploit the unique potential of nucleusnucleus
interactions at the LHC energies. The main goal of ALICE is to study the physics
of strongly interaction matter at extreme density and temperature, where the formation of the
quark-gluon plasma is expected. Author has contributed to these studies using high momentum
and/or high mass particles and jets (hard probes) to characterize the thermodynamic and
transport properties of the QGP. Author is a key person in the ALICE Collaboration participating
in measurements of transverse momentum spectra (pT) and nuclear modification factors
of hard probes.
This habilitation thesis is based on the results [14–28] obtained by the author in 2010-2018.
It consists of 13 chapters, list of figures, list of tables and references. An introduction to the
strongly interacting matter at extreme conditions is presented in Chap 1. The experimental
apparatus, including ALICE and LHC, is described in Chap. 2. Production of hard probes
in high energy nuclear collisions and their interaction with the hot and dense QCD matter
in theoretical models is discussed in Chap. 3. The results on the production of hard probes at
RHIC are shown in Chap. 4. Properties of QCD matter produced at the LHC determined using
measurements of low energy (soft) particles are discussed in Chap. 5. The following chapters
contain the results obtained by the author. The pT spectra of charged particles, charged pions,
kaons and (anti)protons, D mesons, and charged jets, are presented in Chaps. 6, 7, 8, 9, respectively.
The nuclear modification factors determined for charged particles, identified hadrons
and jets, are discussed in Chaps. 10, 11 and 12, respectively. A summary is given in Chap. 13
Obrazowanie układów złożonych techniką rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej z uwzględnieniem kontrastu zmiany fazy
No full textObserwacja i analiza struktur wewnętrznych obiektów obrazowanych techniką rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej możliwa jest, dzięki różnicy masowego współczynnika absorpcji lub współczynnika załamania promieniowania rentgenowskiego w badanych obszarach próbki. W obrębie danego typu tkanki różnica masowych współczynników absorpcji promieniowania X może być niewielka, co utrudnia obserwację szczegółów danej struktury.
Głównym celem rozprawy doktorskiej było: zmodernizowanie i zoptymalizowanie układu obrazowania rentgenowskiego, opracowanie metody absorpcyjnego obrazowania rentgenowskiego pozwalającej na poprawę kontrastu między obrazowanymi strukturami obiektów biologicznych oraz wyznaczenie metody pozwalającej na obserwację sygnału wzmocnienia krawędziowego powstałego poprzez refrakcję wiązki promieniowania rentgenowskiego na krawędziach badanej próbki. Szczególnym celem pracy było udowodnienie tezy, iż zmieniając energetyczne widmo emisyjne polichromatycznego źródła twardego promieniowania rentgenowskiego uzyskuje się obrazy absorpcyjne cechujące się poprawą kontrastu między strukturami. Można także zaobserwować sygnał wzmocnienia krawędziowego.
Rozdział 3 rozprawy obejmuje podstawowe zagadnienia teoretyczne z dziedziny mikrotomografii komputerowej. Opisano w nim właściwości promieniowania rentgenowskiego oraz sposoby jego oddziaływania z materią. Omówiono matematyczne podstawy algorytmów rekonstrukcji obrazu tomograficznego i przedstawiono podstawowe metody określania kontrastu obrazu.
W Rozdziale 4 rozprawy opisano modernizację oraz optymalizację stosowanego układu obrazowania rentgenowskiego. Pokazano procedurę minimalizacji rozmiarów ogniska wiązki elektronów na anodzie lampy rentgenowskiej, co pozwoliło na uzyskanie przestrzennej zdolności rozdzielczej układu wynoszącej 2 . Zaprezentowano zmodernizowany system pozycjonowania próbki oraz system detekcji promieniowania X. Dzięki pracom związanym z modernizacją układu udało się uzyskać i przedstawić autorską metodę określenia powiększenia geometrycznego układu obrazowania.
W Rozdziale 5 przedstawiono wyniki badań dotyczące opracowania autorskiej metody absorpcyjnego obrazowania rentgenowskiego. Określono zamodelowany sygnał zmiany rejestrowanej intensywności obrazów rentgenowskich wynikającej ze zmiany napięcia przyspieszającego źródła i porównano go z wynikami eksperymentalnymi. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono w sposób fenomenologiczny funkcję opisującą zmianę intensywności w zależności od napięcia przyspieszającego lampy rentgenowskiej. Pokazano również interpretację fizyczną znalezionej funkcji oraz cechy wyznaczonych parametrów funkcji.
Rozdział 6 przedstawia analizę zmiany intensywności wzmocnionego sygnału krawędziowego w funkcji napięcia przyspieszającego lampy rentgenowskiej. W oparciu o przeprowadzoną analizę wyznaczono funkcję zmiany amplitudy wzmocnionego sygnału krawędziowego w zależności od napięcia lampy, dzięki której opracowano jakościową metodę wyznaczania obrazów rentgenowskich uwzględniających kontrast zmiany fazy.
Na podstawie wyznaczonych metod przeprowadzono obrazowanie rentgenowskie obiektów biologicznych zbudowanych z pierwiastków lekkich oraz obiektów charakteryzujących się małą różnicą współczynników absorpcji promieniowania X. Dzięki wyznaczonym metodom udało się osiągnąć absorpcyjne rekonstrukcje rentgenowskie cechujące się lepszym kontrastem w porównaniu do konwencjonalnej techniki obrazowania. Udało się także uzyskać obrazy rentgenowskie uwzględniające kontrast zmiany fazy.Observation and analysis of internal structures of objects imaging by X-ray computed microtomography method is possible due to difference of X-ray mass absorption coefficient or refraction index in studied parts of sample. The difference of X-ray mass absorption coefficient can be slight in part of given tissue type, which makes it difficult to observe structure details.
The main goals of PhD thesis were: modernization and optimization of X-ray imaging system, development of the method of X-ray absorption imaging which allows to improving the contrast between imaged structures of biological objects and determination of a method allowing the observation of enhancement edge signal generated by the X-ray beam refraction at the edges of tested sample. Specific purpose of the work was the proof of thesis that by changing the energetic emission spectrum of the polychromatic source of hard X-ray radiation, we can obtain absorption images which improve the contrast between structures. We can also observe the edge enhancement signal.
Chapter 3 includes main theoretical issues from X-ray computed microtomography field. The properties of X-ray radiation and his interaction with matter were described. Mathematical principles of the tomography reconstruction algorithms and main methods of determination of contrast image were presented.
Modernization and optimization of used X-ray imaging system are described in Chapter 4. Procedure of minimalization of the X-ray tube focal spot size was shown and it allowed to obtain spatial resolution of 2 . Modernised sample positioning system and X-ray detection system were presented. Works including system modernization allowed to obtain and present the own method of determination of geometrical magnification of the X-ray imaging system.
The tests results concerning the determination of the new method of absorption X-ray imaging are presented in Chapter 5. Modelled signal of the change of X-ray images intensity resulting from the increase of X-ray tube acceleration voltage was determined and compared with experimental results. Based on obtained results, the function describing the change of intensity depending on X-ray tube acceleration voltage was determined phenomenologically. Physical interpretation of found function and properties of determined parameters were also shown.
The analysis of the change of the edge enhancement signal intensity in function of X-ray tube acceleration voltage was presented in Chapter 6. Based on conducted analysis, the amplitude of the edge enhancement signal in the function of X-ray tube acceleration voltage was determined, and it allowed to determination a quality method for designation of X-ray phase contrast images.
On the basis of developed methods, the X-ray imaging of biological samples composed of light elements and objects with slight difference of X-ray mass absorption coefficients was conducted. Determined methods allowed to obtain the absorption X-ray reconstructions with better contrast compared to conventional imaging technique. The phase contrast images were also obtained.19
Zastosowanie modelowania i symulacji komputerowych do rozwoju metod pomiarowych jądrowej geofizyki otworowej wykorzystujących profilowania neutronowe
No full textGeofizyczne profilowania otworowe, wykorzystujące metody jądrowe, są powszechnie wykonywanymi pomiarami w odwiertach zlokalizowanych w typowych konwencjonalnych formacjach węglowodorów. Są to metody dobrze rozpoznane i spełniające oczekiwania interpretacyjne, stosowane od lat zarówno w Polsce, jak i na świecie, zwłaszcza, jeśli mamy do czynienia z warstwami jednorodnymi o znacznej miąższości.
Wymagania dla geofizycznych metod poszukiwawczych rosną jednak wraz z koniecznością prowadzenia pomiarów w warunkach złóż niekonwencjonalnych, cienkowarstwowych, czy nisko-porowatych, do których można zaliczyć pokłady skał łupkowych [Zorski i in., 2013]. Sytuacja ta stała się powodem przeprowadzenia szczegółowych badań nad możliwościami pomiarów sondami neutronowymi dla cienkich warstw i wpływem parametrów neutronowych ośrodków skalnych na przebieg rejestrowanych odpowiedzi (anomalii), zwłaszcza w pobliżu ich granic. Niniejsza monografia stanowi podsumowanie tych badań.
Geofizyczne, jądrowe metody poszukiwawcze opierają się na wykorzystywaniu zjawisk oddziaływania neutronów i promieniowania gamma z badanym ośrodkiem skalnym. W tym celu wyposaża się sondę otworową w źródło promieniowania gamma lub źródło neutronów oraz w odpowiednie układy detekcji. Kwanty gamma, w stosowanym w sondach geofizycznych zakresie energii, oddziałują z ośrodkiem głównie poprzez fotoefekt i zjawisko Comptona. Oddziaływanie neutronów polega na ich rozpraszaniu i absorpcji przez jądra pierwiastków.
Powyższe zjawiska fizyczne stanowią podstawy odpowiednich typów jądrowych sond otworowych:
- Sonda gamma do pomiaru naturalnej promieniotwórczości, wyposażona w odpowiedni spektrometryczny detektor kwantów gamma służy do wyznaczania koncentracji pierwiastków promieniotwórczych uranu (235U), toru (232Th) i potasu (40K) w ośrodku skalnym [Zorski i in., 2013].
- Sonda gamma-gamma jest aparaturą wyposażoną w źródło kwantów gamma (np.: 137Cs) i dwa detektory umieszczone w różnych odległościach od źródła, np.: liczniki scyntylacyjne NaJ(Tl).
Odpowiedź detektorów można skalibrować z gęstością elektronową ośrodka (sonda gęstościowa) i tzw. indeksem absorpcji fotoelektrycznej (spektrometryczna sonda litologiczno-gęstościowa). Gęstość elektronowa służy do wyznaczenie gęstości objętościowej ośrodka skalnego [Jarzyna i in., 1997], a wartość indeksu absorpcji, zależna od liczb atomowych pierwiastków występujących w ośrodku, pozwala na identyfikację różnych minerałów budujących matryce skalną [Bała i Waliczek, 2012].
Informacje dostarczane z pomiarów gamma – gamma służą przede wszystkim do wyznaczania porowatości, a także do wstępnej identyfikacji litologicznej, w tym określania zailenia oraz do korelacji między-otworowej. W otworach kierunkowych przy pomiarach na przewodzie wiertniczym (LWD) pomiary gamma – gamma służą także do obrazowania kątowego strefy przyotworowej. Przykłady takich prac można znaleźć w specjalistycznej literaturze, np.: [Holenka i in., 1995], [Radtke i in., 2003], [Spross i in., 1995], [Moake i in., 1996], [Spross i in., 1993].
- Sonda neutron-neutron jest wyposażona w źródło neutronów, które może być źródłem izotopowym (np.: Am-Be) albo źródłem akceleratorowym (generator neutronów o ciągłym lub impulsowym trybie pracy). Sonda zazwyczaj wyposażona jest w układ detektorów neutronów umieszczonych w różnych odległościach od źródła, które mogą rejestrować zarówno neutrony termiczne jak i epitermiczne. Metody neutronowe są dobrze opisane w wydawnictwach książkowych, np.: [Ellis i Singer, 2008], licznych pracach publikowanych w materiałach prestiżowych konferencji Society of Petrophysicists and Well Log Analysts (SPWLA), a także w pracach polskich, np.: [Czubek, 1992], [Zorski i in., 2013].
Transport neutronów od źródła do detektora ma złożony charakter: neutron traci początkową energię w procesie spowalniania, następnie podlega dyfuzji i absorpcji przez jądra pierwiastków budujących dane medium. W ośrodku skalnym proces spowalniania zależy głównie od zawartości wodoru; im jest go więcej tym bardziej efektywnie neutrony wytracają energię. Zakładając, że źródłem wodoru w skale są głównie pory wypełnione wodą lub węglowodorami, to wskazania sondy neutron-neutron można kalibrować z porowatością ośrodka skalnego. Kalibracja sondy neutronowej jest procesem skomplikowanym i wymaga uwzględnienia wielu czynników, w tym obecności silnych absorbentów neutronów (jak bor, chlor czy ziemie rzadkie) obecnych w ośrodku skalnym. Niektóre konstrukcje sond neutronowych, zawierające złożony zestaw detektorów, albo impulsowy generator neutronów, np.: [Flanagan i in., 1991], [Neuman, 1993] pozwalają na dodatkowy pomiar przekroju czynnego na absorpcję neutronów. Taką sondą, wyposażoną w źródło izotopowe, jest skonstruowana przez firmę Geofizyka Kraków sonda NNTE [Drabina i in., 2003], [Drabina i Zorski, 2006], która stanowi odnośnik do rozważań zawartych w niniejszej monografii.
Sonda wyposażona w źródło neutronowe i odpowiedni spektrometryczny detektor kwantów gamma daje możliwość realizacji profilowania geochemicznego służącego do jednoznacznej identyfikacji szeregu pierwiastków w zawartych w ośrodku skalnym [Zorski i in., 2013]. Wykorzystuje się tu zjawisko reakcji jądrowych pomiędzy prędkimi lub termicznymi neutronami i jądrami takich pierwiastków jak O, C, Si, Ca, Fe, H, S, Cl, Al, K i in., w wyniku których emitowane jest promieniowanie gamma o określonej, charakterystycznej dla danego pierwiastka energii. Profilowania geochemiczne wykorzystujące źródła neutronowe należą do kluczowych pomiarów w geofizyce otworowej wykonywanych na potrzeby poszukiwań gazu w skałach łupkowych.
Niniejsza monografia zawiera szczegółowe opracowania zjawiska transportu neutronów w ośrodkach skalnych od źródła umieszczonego w geofizycznej sondzie otworowej. W przypadku sondy typu neutron-neutron wielkością mierzoną przez detektor jest liczba neutronów termicznych lub epitermicznych, które nie zostały zaabsorbowane w ośrodku skalnym i dotarły do detektora. W przypadku sondy neutronowej do profilowania geochemicznego zachodzi analogiczne zjawisko transportu neutronów od źródła do punktu, w którym neutron reaguje z jądrem ośrodka (zostaje zaabsorbowany), co powoduje wyemitowanie kwantu gamma rejestrowanego przez detektor.
Modelowania numeryczne transportu neutronów zawarte w monografii odnoszą się do sondy neutronowej NNTE, ponieważ była możliwość przedstawienia rzetelnego porównania wyników modelowania komputerowego z rzeczywistymi pomiarami zrealizowanymi tą sondą. Jednakowoż, zaobserwowane efekty rozkładów pól neutronowych w pobliżu granic ośrodków, wpływ miąższości cienkich warstw, pojawianie się artefaktów wynikających z różnic w parametrach neutronowych graniczących warstw mają charakter ogólny, które są obecne czy to w przypadku profilowania porowatości czy geochemicznego.
Obecność granic różnych elementów układu pomiarowego powoduje powstawanie licznych niejednorodności pola neutronowego, co wpływa na odpowiedź sondy neutronowej. Najprostsze przykłady takich niejednorodności na granicy otwór-warstwa, wyznaczone w warunkach laboratoryjnych, były opublikowane już w latach 50-tych ubiegłego wieku, np.: [Tittle i in., 1951]. Obliczenia symulacyjne metodą Monte Carlo stanowią już od wielu lat istotne uzupełnienie dla rozwiązywania zagadnień transportu neutronów w układach, które są zbyt trudne do rozwiązania w ścisły analityczny sposób lub zbyt kosztowne czy też zbyt skomplikowane do osiągnięcia w drodze eksperymentu fizycznego. Ze względu na uzyskiwanie na drodze symulacji wyników bardzo zbliżonych do rzeczywistych, coraz częściej traktowane są jako odrębne narzędzie – eksperyment numeryczny, a nie tylko wspomagające rzeczywisty eksperyment. Tutaj eksperyment numeryczny sprowadza się do symulacji komputerowej zjawiska transportu neutronów w zadanym ośrodku materialnym – skalnym, z uwzględnieniem układu geometrycznego, otworu i sondy pomiarowej. Do obliczeń, rozważań ilościowych zjawiska transportu, stosowana jest metoda statystyczna Monte Carlo. W metodzie tej, korzystając ze znanych z doświadczenia i/lub teorii rozkładów prawdopodobieństwa możliwych zdarzeń i reakcji fizycznych (np.: reakcji rozpraszania i absorpcji neutronów w materii), o wyborze zjawiska, które w danym momencie zajdzie, decyduje się w sposób losowy. Możliwość ta wynika ze stochastycznego charakteru transportu neutronów w ośrodku. Metoda ta umożliwia zaprojektowanie i wykonanie symulacji pomiarów otworową sondą neutronową. Symulacje przeprowadza się w środowisku całkowicie zdefiniowanym poprzez skład pierwiastkowy skały, porowatość, granice warstw, budowę i położenie sondy, średnicę i wypełnienie otworu.
W niniejszym opracowaniu przedstawiono szereg przykładów zastosowań symulacji Monte Carlo przy wykorzystaniu kodu MCNP (Monte Carlo N-Particle transport Code), [MCNP Team, 2008] do zagadnień geofizyki jądrowej, związanych z wykorzystaniem źródeł neutronowych. Na przykładzie sondy neutronowej NNTE (Neutron-Neutron Termiczne-Epitermiczne) pokazana została bardzo dobra zgodność wyników odpowiedzi jej detektorów, otrzymanych metodą symulacji numerycznych Monte Carlo, z wynikami z rzeczywistych pomiarów wykonanych tą sondą na stanowisku kalibracyjnym w Zielonej Górze [Zorski, 1996]. To daje przekonanie o wiarygodności wszystkich dalszych wyników numerycznych eksperymentów prezentowanych w tej pracy.
Rozdział 2 stanowi wprowadzenie do fizyki zagadnienia transportu neutronów i promieniowania gamma w ośrodkach materialnych. Obejmuje także podstawowe założenia symulacji tych procesów metodami Monte Carlo. Przedstawiono, w jaki sposób można numerycznie symulować historię transportu (przemieszczania się) pojedynczego neutronu w ośrodku od momentu wyemitowania go ze źródła do momentu absorpcji w ośrodku. To wprowadzenie wyjaśnia, dlaczego podstawowymi danymi do prowadzenia takich obliczeń jest skład pierwiastkowy ośrodka i jego szczegółowy układ geometryczny.
Rozdział 3 przedstawia w skrócie zagadnienie kalibracji sond neutronowych, wiążące odpowiedź detektorów sondy z porowatością ośrodka. Przytoczono metodę Czubka półempirycznej kalibracji sond neutronowych [Czubek, 1990], [Czubek, 1994], której elementy są wykorzystywane w dalszej części pracy. Na drodze eksperymentów numerycznych wykazano, że metoda Czubka sprawdza się w szerszym zakresie zmienności parametrów, oraz przedstawiono nowe możliwości wykorzystania, wprowadzonego przez Czubka, generalnego parametru neutronowego, GNP, do analizy amplitudy anomalii cienkich warstw.
Celem Rozdziału 4 było wykazanie zgodności eksperymentu numerycznego – symulacji komputerowej – z rzeczywistym eksperymentem wykonanym w warunkach stanowiska kalibracyjnego. Wykazano, że uzyskanie pełnej zgodności wymagało zastosowania odpowiednio zweryfikowanych bibliotek danych jądrowych, oraz szczegółowych danych składu pierwiastkowego wzorców skalnych stanowiska kalibracyjnego. W tym Rozdziale przedstawiono model numeryczny sondy otworowej NNTE, który był wykorzystywany w większości symulacji komputerowych zawartych w pracy. W końcowej części rozdziału pokazano, że wymodelowana numerycznie krzywa kalibracji sondy neutronowej w postaci zależności częstości zliczeń detektorów od generalnego parametru neutronowego GNP jest zgodna z wynikami metody półempirycznej Czubka.
Rozdział 5 zawiera analizę rozkładów energetyczno-przestrzennych neutronów (pól neutronowych) generowanych w przez źródło sondy w jednorodnych ośrodkach wokół otworu. Opracowane przez autorkę pracy procedury numeryczne pozwoliły na szczegółowe zobrazowanie pól neutronowych w modelowych ośrodkach skalnych o różnych parametrach neutronowych, a także na przedstawienie rozkładów energetycznych neutronów w objętościach czynnych detektorów. Pokazano, jaki wpływ ma asymetryczne położenie źródła neutronów w sondzie, w stosunku do położenia detektorów, na kształtowanie się odpowiedzi detektorów od jednorodnych formacji. Odpowiedzi sondy od jednorodnych ośrodków, o wymiarach znacznie przekraczających drogi transportu neutronów w materii, stanowią dane bazowe do interpretacji tych pomiarów, dlatego szczegółowa analiza transportu neutronów, na którą pozwala eksperyment numeryczny, jest niezwykle istotna.
Rozdział 6 dotyczy zagadnienia odpowiedzi sondy neutronowej od cienkich warstw. Z punktu widzenia transportu neutronów, określenie warstwa cienka oznacza, że amplituda jej anomalii jest mniejsza od odpowiedzi sondy w ośrodku jednorodnym nieskończonym. Zostały obliczone numerycznie odpowiedzi sondy neutronowej i wyznaczone anomalie dla warstw o różnych parametrach neutronowych oraz różnych grubościach i nachyleniach w stosunku do osi otworu. Przeprowadzono analizę wpływu ww. parametrów na kształt i amplitudę anomalii. Wykazano, że wielkość obniżenia amplitudy anomalii można korelować ze zmiennością generalnego parametru neutronowego, GNP, graniczących warstw. Zostały przedstawione charakterystyczne przykłady rozkładów energetyczno-przestrzennych pól neutronowych w obszarach granic warstw, a także znaczącego wpływu asymetrii sondy na formowanie się odpowiedzi detektorów.
Zagadnieniom odpowiedzi sondy neutronowej w cienkich warstwach poświęcony jest również Rozdział 7, w którym zaprezentowano symulacje numeryczne dla eksperymentalnego zestawu wzorców zbudowanych z kształtek ceramicznych do badania wpływu porowatości i cienkich warstw na wyniki profilowań neutronowych. Wzorce te były zbudowane na stanowisku kalibracyjnym w Zielonej Górze. Wykonane obliczenia numeryczne dla profilu obejmującego cienkie warstwy z kształtek o różnej porowatości potwierdziły wnioski z poprzedniego rozdziału, iż zaniżenie amplitudy anomalii od cienkiej warstwy można korelować ze zmiennością parametru GNP graniczących warstw. Dostępne dane eksperymentalne ze stanowiska w Zielonej Górze pozwoliły na stwierdzenie zgodności wyników symulacji komputerowych z rzeczywistym pomiarem.
Rozdział 8 przedstawia przykład możliwości modelowania odpowiedzi sondy neutronowej dla aktualnych problemów badawczych. Przedstawiono wyniki symulacji komputerowych dla grubych warstw zawierających skały łupkowe o niskich, ale różniących się porowatościach. Celem tych symulacji było sprawdzenie, czy tego typu warstwy są rozróżnialne przez detektory sondy neutronowej. Wysymulowane odpowiedzi sondy wskazują, że uzyskane anomalie są wyraźne, nawet jeśli graniczą ze sobą warstwy o małej porowatości 2% i 5%.
Rozdział 9 przedstawia inny przykład możliwości modelowania numerycznego. Przedstawiono trzy warianty konstrukcyjne sondy neutronowej, dla których wymodelowano odpowiedzi detektorów wzdłuż złożonego profilu składającego się z warstw o różnych porowatościach i różniących się wartościami przekroju czynnego absorpcji neutronów termicznych. Tego typu modelownia mogą być przydatne zarówno do analizy wpływu budowy sondy na jakość odpowiedzi detektorów, jak i do prac projektowych nad nowymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi.
Przy wyznaczaniu anomalii dla profilu łupkowego (Rozdział 8) napotkano na przykład powstawania artefaktu zniekształcającego przebieg anomalii, charakteryzującego się amplitudą o kierunku przeciwnym do przebiegu anomalii. Podobny przykład zarejestrowano przy modelowaniu anomalii od warstw modelowych opisanych w Rozdziale 6. Zarejestrowane przypadki artefaktów, przejawiające się w postaci jakby dodatkowych anomalii w pobliżu granicy warstw, są odzwierciedleniem znacznego, nietypowego zaburzenia pola neutronowego w tym ograniczonym obszarze. Wyjaśnienie fizyczne tego zjawiska wymagało przeprowadzenia szczegółowych dodatkowych obliczeń.
Aby nie zaburzać ciągłości pracy, wyjaśnienie zjawiska powstawania artefaktów zostało przedstawione po Rozdziale 9, w oddzielnym Uzupełnieniu. Całą sekwencję obliczeń numerycznych i analizę tego efektu przedstawiono na przykładzie graniczących ze sobą warstw o silnie różniących się parametrach neutronowych i różnej porowatości. Pewne szczegółowe zagadnienia związane z obliczeniami Monte Carlo dla profilowań sondą neutronową poruszane są w publikacjach autorów zagranicznych, np.: [Mendoza, 2005], [Mendoza i in., 2010a, 2010b], [Ijasan i in., 2013] czy [Tian i in., 2018]. Na uwagę zasługuje praca [Gardner i Sood, 2010], która przedstawia w skondensowany sposób przegląd zastosowania metod Monte Carlo pod kątem jądrowych metod geofizyki otworowej (nie tylko pod kątem profilowań sondą neutronową). Problemy związane z profilowaniami kątowymi omówione zostały między innymi w pracach: [Xu i in., 2007], [Passey i in., 2005] i [Badruzzaman i in., 2007]. Ostatnia z tych prac porusza dodatkowo problem związany z profilowaniem w cienkich warstwach. Wśród nielicznych prac, w których pokazany jest (wymodelowany numerycznie) wpływ granicy ośrodków o różnych parametrach neutronowych na kształt anomalii rejestrowanej sondą typu neutron-neutron można wymienić dwie pozycje: [Mimoun in., 2011], oraz [Gardner i in., 2007]. Efekt ten omówiony jest znacznie szerzej w niniejszej pracy (Rozdział 6 i 7). W drugiej z wymienionych prac [Gardner i in., 2007] autorzy twierdzą że obserwowane na wymodelowanej krzywej odpowiedzi detektora bliskiego termicznego efekty w pobliżu granicy warstw (zaniżenie/zawyżenie odpowiedzi detektora w stosunku do wartości spodziewanej, czyli tzw. artefakty) są związane ze statystyką obliczeń MCNP. W niniejszej monografii zostało wykazane, że w rzeczywistości tego typu efekty są odzwierciedleniem znacznego, nietypowego zaburzenia pola neutronowego w tym ograniczonym obszarze co zostało szczegółowo omówione w Uzupełnieniu
CREDO w Szkole
No full textReportaż z ogólnopolskiej konferencji dla nauczycieli, zapoznającej z możliwościami prowadzenia pomiarów w ramach CREDO przy użyciu smartfonów, która odbyła się w Krakowie w dniach 3-4 października 2018 roku podczas CREDO Week 2018
O małym symulancie Monte Carlo
No full textTaką to metodą Monte Carlo wyliczał, co stanie się z wiązkami protonów, a im więcej ich przeliczył, tym większej pewności nabierał, że dobrze ich zachowania symuluje. Ta pewność siebie spowodowała, że w długi wpadł na zagranicznych klastrach obliczeniowych i wtrącony miał być za to do więzienia
Profesor Henryk Niewodniczański i jego niespożyta pasja,fizyka jądrowa
No full textZ okazji 50. rocznicy śmierci Założyciela i Patrona Instytutu Fizyki Jądrowej, prof. Henryka Niewodniczańskiego, zorganizowano uroczyste seminarium, podczas którego wygłoszono referaty poświęcone tematyce naukowej uprawianej przez prof. Niewodniczańskiego. Referat poświęcony fizyce jądrowej wygłosił prof. dr hab Bogdan Fornal
Badanie rozpadu stanów kolektywnych w reakcjach indukowanych protonami
No full textBadanie stanów kolektywnych jądra atomowego jest doskonałym narzędziem dostarczającym
informacji dotyczących zachowania jądra jako całości. Gigantyczne
rezonanse, czyli najsilniej wzbudzane stany kolektywne, badane są w reakcjach jądrowych
za pomocą różnych próbników: kwantów γ, cząstek α, ciężkich jonów i protonów,
wykorzystując reakcje nieelastycznego rozpraszania, bądź fuzji-ewaporacji.
Tematem niniejszej pracy jest badanie rozpadu stanów kolektywnych w reakcjach
indukowanych protonami. Zadanie to zostało wykonane w IFJ PAN w Krakowie
w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB), w którym oprócz prowadzenia
terapii protonowej nowotworów realizowany jest zróżnicowany program badawczy.
Jednym z głównych jego tematów jest badanie wzbudzenia i rozpadu gigantycznych
rezonansów jądrowych za pomocą eksperymentów, w których jadra tarczy
wzbudzane są poprzez naświetlanie jej wiązką szybkich protonów pochodzącą z cyklotronu.
Jednoczesny pomiar rozproszonych nieelastycznie protonów i kwantów γ
emitowanych przez wzbudzone jadra pozwala odtworzyć przebieg reakcji i uzyskać
informacje o zaistniałym procesie.
Po serii eksperymentów testowych wykorzystujących reakcje 12C(p, p’γ),
przeprowadzono pomiar rozpadu stanów kolektywnych w oparciu o reakcje
208Pb(p, p’γ). Wybór tego izotopu wynikał z faktu, ze jądro 208Pb jest jedynym
dla którego zaobserwowano w reakcji 208Pb(17O; 17O’γ) rozpad γ izoskalarnego
gigantycznego rezonansu kwadrupolowego (ISGQR). Celem eksperymentu
przedstawianego w niniejszej pracy było wykazanie, że stosując wiązkę protonów
dostępną w CCB można uzyskać informacje na temat rozpadu γ ISGQR.
Przewidywano również zaobserwowanie wzbudzeń i rozpadów γ innych wysokoenergetycznych stanów kolektywnych, takich jak pigmejskie stany dipolowe
i gigantyczny rezonans dipolowy.
Zastosowany układ pomiarowy składał się z 16 teleskopów układu KRATTA,
używanych do pomiaru lekkich cząstek naładowanych; 8 dużych scyntylatorów
BaF2 tworzących układ HECTOR o dużej wydajności na detekcje wysokoenergetycznych
Kwantów γ ; oraz klastra kalorymetru PARIS, posiadającego oprócz
wysokiej wydajności, bardzo dobra energetyczną i czasową zdolność rozdzielczą.
Podczas pomiaru dane były zbierane, gdy spełniony był warunek jednoczesnej
detekcji kwantu γ i naładowanej cząstki lekkiej. Pozwoliło to na utworzenie macierzy
energii kwantu γ względem energii wzbudzenia jadra 208Pb. Po zastosowaniu
odpowiednich warunków uzyskano i następnie poddano analizie widma energii
wzbudzenia oraz energii kwantów γ emitowanych z rozpadów stanów wzbudzonych
do określonych stanów końcowych w jadrze 208Pb.
Niniejsza praca przedstawia zastosowany układ pomiarowy, metodę analizy danych
i uzyskane wyniki. Wprowadzone są w niej niezbędne pojęcia teorii fizyki
jądrowej. Ze względu na specyficzną budowę układu PARIS, szczegółowo opisana
jest metoda analizy zebranych za jego pomocą danych. Dokładnie opisany jest
również sposób przygotowania danych do analizy, a sama metoda analizy jest zaprezentowana na przykładzie reakcji testowej 12C(p, p’γ). Najważniejszą częścią
pracy jest przedstawienie wyników dotyczących wzbudzenia stanów kolektywnych
i ich rozpadu poprzez emisje kwantów dla reakcji 208Pb(p; p’γ), oraz porównanie
ich z przewidywaniami teoretycznymi. Praca zakończona jest podsumowaniem
zawierającym informacje o planowanej kontynuacji badań.The studies of the collective modes of excitation in the atomic nucleus have been
giving an exclusive look into the bulk properties of these systems since the very
beginning of the nuclear physics. The strongest collective modes, called Giant Resonances
are measured with different probes, such as α particles, γ rays, heavy ions
and protons. The reactions of choice are usually inelastic scattering of projectiles
on the target nucleus or fusion-evaporation of both nuclei.
The study of the collective modes in proton-induced reactions, presented in
this thesis, was performed in a new proton facility – Cyclotron Centre Bronowice
(CCB) – in Krakow, Poland. The Centre’s main purpose is proton therapy, however
an ambitious scientific program is also carried out and a very important role
is played by the study of the phenomenon of Giant Resonances in nuclei. It is
accomplished by the irradiation of the target of choice by the proton beam and
simultaneous measurement of the energy of the inelastic scattered protons and
the rays emitted from the excited nuclei of the target.
After a series of test experiments based on the 12C(p, p’γ) reaction, the very
first experiment, which purpose was a measurement of the γ decay of Giant Resonances
induced in 208Pb, was performed. This target was chosen, for it was only
in 208Pb(17O; 17O’γ) reaction that the γ decay of Isoscalar Giant Quadrupole Resonance
(ISGQR) has been observed. The main goal of the experiment presented
in the following thesis was to prove, by measurement of the γ decay of ISGQR,
the possibility to study this excitation mode in Krakow. New information on the
state was also expected, due to use of a different reaction. Additionally, excitation
and γ -decay of other high-energy collective states, such as Pygmy Dipole States
and Giant Dipole Resonace, were anticipated.
The experimental set-up consisted of 16 the KRATTA array’s triple telescopes
used for detection of light charged particles, 8 big BaF2 scintillators of the HECTOR
array for detection of high-energy γ rays with good efficiency and a cluster
of currently build PARIS calorimeter used to resolve the origin of low-energy part
of the γ -energy spectra. Although the PARIS array has also high efficiency for
the detection of high-energy γ rays, the experiment did not fully benefit from this
characteristic, as it was available only for the second part of it.
The data were collected only if a particle and a γ ray were measured in coincidence.
The results were presented in the form of γ energy vs. excitation energy
of the target nucleus matrix. Excitation energy and γ ray energy spectra corresponding
to the events of the γ -decay of the excited state to the 208Pb states of
choice were created by setting specific conditions relating these two observables.
Additionally, γ -decay spectra of individual excited states were also produced.
The following thesis presents the experimental set-up, the analysis method and
shows the obtained results. A stress is put on presenting a method of data analysis
for PARIS cluster, which due to a non-standard configuration of two different
optically connected scintillator materials with common PMT (so called phoswich)
needed a dedicated approach to analysis. The data treatment is explained
in a great detail and the method of the analysis of the results is shown based on
the test 12C(p, p’γ) reaction. The obtained results for 208Pb(p; p’γ) reaction are
shown, discussed and compared with theoretical predictions. Finally, an attempt
to compare the results with the previously mentioned Pb(17O; 17O’γ) experiment
is carried out. The thesis is summarised and the future perspectives are outlined.Podczas realizacji tego projektu zostały wykorzystane fundusze pochodzace
z programu UE Horizon 2020 ENSAR2 w ramach porozumienia o numerze 654002,
z wymiany naukowej w ramach współpracy pomiedzy konsorcjum COPIN z Polski
a IN2P3/CNRS z Francji, oraz grantów Narodowego Centrum Nauki o numerach:
2015/17/N/ST2/04034 i 2015/17/B/ST2/01534.12