Characterization of hadron production in γ−A photonuclear interactions of ultra-peripheral collisions / Caracterización de la producción de hadrones en interacciones fotonucleares γ−A de colisiones ultraperiféricas

Abstract A methodology for the simulation of ultra-peripheral collisions, specifically ultra-relativistic heavy ion 197Au-197Au and p-208Pb collisions, is developed. First, the fluxes of virtual photons as a function of the photon energy and the impact parameter are obtained using the Method of Weizsäcker-Williams. Then, the processes induced by photons in photon-hadron collisions γ+Au, γ+p and γ+Pb are simulated, neglecting the photon-photon contribution. The model is implemented in the code CRISP (Collaboration Rio-Sao Paulo), specifically designed for simulations of the nuclear environment. Cross-section, differential cross-section, multiplicity, invariant mass spectrum, angular distribution and p T distribution in 197Au-197Au and p-208Pb collisions are obtained, and a comparison with experimental data is accomplished in order to validate the model.

Resumen Una metodología para la simulación de colisiones ultraperiféricas, específicamente colisiones ultrarelativistas de iones pesados 197Au-197Au y p-208Pb es desarrollada. Primero, los flujos de fotones virtuales como función de la energía del fotón y el parámetro de impacto son obtenidos, usando el Método de Weizsäcker-Williams. Luego, los procesos inducidos por fotones en colisiones fotón-hadrón γ+Au, γ+p y γ+Pb son simulados, despreciando la contribución fotón-fotón. El modelo es implementado en el código CRISP (Colaboración Rio-Sao Paulo), específicamente diseñado para simulaciones del ambiente nuclear. La sección eficaz, sección eficaz diferencial, multiplicidad, espectro de masa invariante y distribución de p T son obtenidas, y se realiza una comparación con resultados experimentales, con el objetivo de validar el modelo.

Energy calibration of GaAs:Cr-based Timepix detector with alpha particles / Calibración energética de un detector Timepix basado en GaAs:Cr con partículas alfa

Abstract The advanced GaAs:Cr material for radiation detection is in the scope of many scientific and technological institutions in the world, as a result of its proved superior properties and economic advantages. The energy calibration of a hybrid GaAs:Cr-based Timepix detector with alpha particles performed in the Dzhelepov Laboratory of Nuclear Problems at Joint Institute for Nuclear Research confirms that the device is able to register these particles in energy range from 3140 to 7687 keV. The mathematical simulation was used to calculate the transmitted energy, making possible the experimental calibration with the use of Mylar as absorbent. By calibrating the detector with characteristic X rays of some target materials and using a two steps fitting procedure was determined the relationship between the photon energies and the registered by the detector TOT counts. The energy calibration with alpha particles was performed according to a linear function and verified with the measurement of the 218Po line of radon in air.

Resumen El GaAs:Cr como material de avanzada para la detección de las radiaciones se encuentra en la mira de muchas instituciones científicas y tecnológicas en el mundo, como consecuencia de sus superiores propiedades y ventajas económicas. Los experimentos hechos en el Laboratorio de Problemas Nucleares Dzhelepov del Instituto Unificado de Investigaciones Nucleares para la calibración energética de un detector hibrido Timepix basado en GaAs:Cr con partículas alfa confirma que este dispositivo es capaz de registrar partículas en el rango energético de 3410 a 7687 keV. Se utilizó la simulación matemática para calcular la energía transmitida, haciendo posible la calibración experimental con el uso de Mylar como absorbente. Utilizando la calibración del detector hecha con los rayos X característicos de algunos materiales blanco y empleando un procedimiento de ajuste en dos pasos fue determinada la relación entre la energía de los fotones y los conteos TOT registrados por el detector. Se realizó la calibración energética con partículas alfa de acuerdo con una función lineal y se verificó con la medición de la línea del 218Po del radón en aire.

Study of charge sharing effect and energy resolution of the Timepix hybrid detector based on gallium arsenide compensated with chromium / Estudio del efecto de compartición de cargas y la resolución energética del detector híbrido Timepix de arseniuro de galio compensado con cromo

Abstract Among the latest ionizing radiation detectors, those based on chromium compensated gallium arsenide (GaAs:Cr) are ones of the most competitive for many applications due to their high Z and strong resistance to radiation damage. They have been used in high energy physics research, medical visualization and spatial technologies, geological prospecting, among other advanced fields. The object of this work is a 900 µm GaAs:Cr detector with Timepix readout technology. Some detector characteristics for three experimental conditions were measured and studied by using the X-rays from a synchrotron and an X-ray tube provided with different materials for obtaining the corresponding fluorescence photons. A complex function was used to decompose the differential spectra into the most important contributions involved. As an additional tool for the research, the mathematical modeling of the mobility of charge carriers generated by radiation within the active volume of the detector was used. The results of these charge sharing effect studies showed a noticeable prevalence in the detector of this effect, changing its contribution according to the experiment characteristics. The detector was calibrated for the planned experiments and the energy resolution was determined. From the analysis of all the obtained results and their comparison with those reported in literature, it was confirmed that the detector has a marked charge-sharing effect between neighboring pixels, being its performance more impaired as the energy of incident photons increases.

Resumen Entre los últimos detectores de radiación ionizante, los basados ​​en arseniuro de galio compensado con cromo (GaAs: Cr) son de los más competitivos para muchas aplicaciones debido a su alto Z y fuerte resistencia al daño de la radiación. Se han utilizado en investigación de física de alta energía, visualización médica y tecnologías espaciales, prospección geológica, entre otros campos avanzados. El objeto de este trabajo es un detector de GaAs: Cr de 900 µm con tecnología de lectura Timepix. Algunas características del detector para tres condiciones experimentales se midieron y estudiaron utilizando rayos X de un sincrotrón y un tubo de rayos X provisto de diferentes materiales para obtener los fotones de fluorescencia correspondientes. Se utilizó una función compleja para descomponer los espectros diferenciales en las contribuciones más importantes involucradas. Como herramienta adicional para la investigación, se utilizó el modelado matemático de la movilidad de los portadores de carga generados por la radiación dentro del volumen activo del detector. Los resultados de estos estudios de efecto de carga compartida mostraron una prevalencia notable en el detector de este efecto, cambiando su contribución según las características del experimento. El detector se calibró para los experimentos planificados y se determinó la resolución de energía. A partir del análisis de todos los resultados obtenidos y su comparación con los reportados en la literatura, se confirmó que el detector tiene un marcado efecto de reparto de carga entre píxeles vecinos, y su rendimiento se ve más afectado a medida que aumenta la energía de los fotones incidentes.

Clustering in light nuclei and their effects on fusion and pre-equilibrium processes / Agrupamiento de núcleos ligeros y sus efectos en la fusión y procesos de pre-equilibrio

Summary The study of heavy ion nuclear reactionis an important tool to observe and disentangle different and competing mechanisms, which may arise in the different energy regimes. In particular, at relatively low bombarding energy, it is quite interesting the comparison between pre-equilibrium and thermal emission of light charged particles from hot nuclear systems [1-6]. Indeed, the nuclear structure of the interacting partners can be strongly correlated to the dynamics, especially at energies close to the Coulomb barrier, and this effect emerges when some nucleons or clusters of nucleons are either emitted or captured. In particular, a major attention has been devoted, in the last years, to the possible observation of cluster structure effects in the competing nuclear reaction mechanisms, especially when fast processes are involved. At this purpose, the four reactions 16O+30Si at 111 MeV, 16O+30Si at 128 MeV, 18O+28Si at 126 MeV, 19F+27Al at 133 MeV have been measured to study the onset of pre-equilibrium in an energy range where, for central collisions, complete fusion is expected to be the predominant mode. Experimental data were collected using the GARFIELD + RCo array [7], fully equipped with digital electronics at the LegnaroNational Laboratories. The comparison between experimental data and different model predictions have been performed: in particular, both dynamical models based either on Stochastic Mean Field (TWINGO) or Anti-symmetrized Molecular Dynamics and fully statistical models (GEMINI++) have been considered. Simulated events are filtered through a software replica of the apparatus, to take into account all possible distortions of the experimental distributions due to the finite size of the apparatus.

Resumen El estudio de la reacción nuclear iónica pesada es una herramienta importante para observar y esclarecer los diferentes mecanismos que compiten entre sí, que pueden surgir en los diferentes regímenes energéticos. En particular, a una energía de bombardeo relativamente baja, es bastante interesante la comparación entre el preequilibrio y la emisión térmica de partículas ligeras cargadas por sistemas nucleares calientes [1-6]. De hecho, la estructura nuclear del grupo que interactúa puede estar fuertemente correlacionada con la dinámica, especialmente en energías cercanas a la barrera de Coulomb, y este efecto surge cuando se emiten o capturan algunos nucleones o grupos de nucleones. En particular, se ha dedicado una gran atención, en los últimos años, a la posible observación de los efectos de la estructura del agrupamiento en los mecanismos de reacción nuclear competitivos, especialmente cuando se trata de procesos rápidos. Para este propósito, las cuatro reacciones 16O + 30Si a 111 MeV, 16O + 30Si a 128 MeV, 18O + 28Si a 126 MeV, 19F + 27Al a 133 MeV se han medido para estudiar el inicio del preequilibrio en un rango de energía en el cual, para colisiones centrales, se espera que la fusión completa sea el modo predominante. Los datos experimentales se recogieron utilizando la matriz GARFIELD + RCo [7], totalmente equipada con electrónica digital en los Laboratorios Nacionales Legnaro. La comparación entre los datos experimentales y las diferentes predicciones de modelos se han llevado a cabo: en particular, se han considerado los modelos dinámicos basados en el Campo Medio Estocástico (TWINGO) o Dinámica Molecular Antisimétrica y modelos completamente estadísticos (GEMINI ++). Los eventos simulados se filtran a través de una réplica de software del aparato, para tener en cuenta todas las posibles distorsiones de las distribuciones experimentales debido al tamaño finito del aparato.

Evaluación de la carga radiacional sobre pacientes y trabajadores en el balneario Elguea, Cuba / Radiological impact assessment on patients and workers at Elguea spa

RESUMEN Los balnearios de aguas termales procedentes de capas geológicas profundas se han identificado como escenarios típicos de exposición a radiaciones de origen natural, tanto para los pacientes que se someten a los tratamientos como para los trabajadores de estas instalaciones, debido a la permanencia en lugares con niveles incrementados de radiación. Por ello se realizan en estos balnearios estudios de caracterización dirigidos a evaluar el impacto radiológico que producen sobre estas categorías poblacionales. El balneario de Elguea, ubicado en la costa norte de Villa Clara, está equipado para brindar servicios que emplean las aguas termales y los lodos en la zona del balneario. Las aguas de este balneario contienen niveles significativos de radón. En este trabajo se presentan las estimaciones de dosis realizadas a partir de la caracterización radiológica del balneario y su entorno, tanto para los trabajadores como para los pacientes que reciben tratamientos. Los valores de dosis estimados se encontraron en el intervalo de 1,01 a 180 μSv/año para los trabajadores, que resultó ser el grupo más irradiado, y no indicaron la necesidad de adoptar medidas o regulaciones especiales de protección.

ABSTRACT The use of hot spring waters from deep geologic layers in spas has been identified as typical scenarios of exposure to natural radiation. These scenarios can affect the patients under treatment, as well as the workers of these facilities. Therefore, characterization studies are being undertaken in these spas in order to evaluate the radiological impact they produce on these categories of population. The Elguea Spa, located on the northern coast of Villa Clara, Cuba, is equipped to provide services by using hot spring waters and mud existing in the zone of the spa. Its waters contain significant levels of radon. Present paper shows the dose estimates made from the radiological characterization of the spa and its surroundings, both for workers and the patients receiving treatment. The dose values are in the range of 1,01 to 180 μSv/year for workers, the most irradiated group, and these results suggest that there is no need for special protection measures or regulations.

Estudio de la eficiencia cuántica de un detector de microbandas de silicio mediante la modelación matemática / Study of silicon microstrips detector quantum efficiency using mathematical simulation

RESUMEN Se presentan los resultados en la aplicación de la simulación matemática para el estudio de la eficiencia cuántica de un detector de silicio cristalino del tipo microbandas, destinado a imagenología médica y al desarrollo de otras aplicaciones como la autenticación y fechado de obras de arte. Se evaluó el efecto de la geometría fuente-detector, de la energía de los rayos X y del grosor de la zona muerta del detector en la eficiencia cuántica de este dispositivo. Los resultados de la simulación se compararon con el pronóstico teórico y con los datos experimentales disponibles, verificándose una adecuada correspondencia. Se concluyó que la configuración frontal es más eficiente para energías incidentes menores a los 17 keV, y que la configuración de borde es la recomendada para aplicaciones que requieran la detección de energías superiores a este valor. También se determinó que la disminución de la zona muerta del detector conduce a un considerable aumento de la eficiencia para cualquier valor de energía en el intervalo de 5 a 100 keV.

ABSTRACT The paper shows the results from the application of mathematical simulation to study the quantum efficiency of a microstrips crystalline silicon detector, intended for medical imaging and the development of other applications such as authentication and dating of cultural heritage. The effects on the quantum efficiency of some parameters of the system, such as the detector-source geometry, X rays energy and detector dead zone thickness, were evaluated. The simulation results were compared with the theoretical prediction and experimental available data, resulting in a proper correspondence. It was concluded that the use of frontal configuration for incident energies lower than 17 keV is more efficient, however the use of the edge-on configuration for applications requiring the detection of energy above this value is recommended. It was also found that the reduction of the detector dead zone led to a considerable increase in quantum efficiency for any energy value in the interval from 5 to 100 keV.