Evaluation of the p-11B reaction cross section with a Monolithic Silicon Telescope

The p+(_^11)B→3α fusion reaction is of interest in many different fields, from radiation therapy to nuclear fusion reactors. A clear and precise description of this reaction, even if has been studied since the 30s, is still not present. The most common description is a two-step process, where a compound nucleus of 12C is formed and decays in a 8Be nucleus emitting an alpha particle. Depending on the states in which 8Be is formed, two different reaction channels, namely α0 and α1, are possible. The Beryllium nucleus then splits into two alpha particles. The emission energy of these particles is still not completely clear. In this work, this fusion reaction is studied in the 0.3 – 3 MeV energy range by exploiting a double stage Silicon detector and a Boron target developed using the pulsed laser deposition. Measurements have been carried out at Legnaro National Laboratories (LNL) of the Italian Institute of Nuclear Physics (INFN), irradiating the targets with low-energy protons from the CN accelerator. The main advantage of the Monolithic Silicon Telescope is the possibility of discriminate alpha particles from protons, leading to improved experimental alpha particles spectra of this reaction. Preliminary studies of the reaction cross section have been performed with a target made of 1 μm of natural Boron deposited on a 50 μm PMMA substrate, while testing an irradiation geometry in which the detector is placed out of the beam trajectory. Two different detection angles, 30° and 60°, have been tested. Exploiting new targets with 500 nm thick natural Boron layer deposited on Aluminum, the cross sections of this reaction, both the total and the ones related to the different possible channels, have been evaluated in an energy interval from 0.3 MeV up to 3 MeV, covering the main resonances present in this energy range, at about 670 KeV and 2.6 MeV.

La reazione di fusione p+(_^11)B→3α è di particolare interesse in diversi campi, dalla radioterapia fino agli studi sui futuri reattori a fusione nucleare. Una descrizione chiara e precisa di questa reazione non è ancora presente, nonostante il suo studio sia iniziato negli anni ’30. La descrizione più comunemente adottata per questa reazione è quella di un processo a due fasi, dove inizialmente un nucleo composto di 12C viene a formarsi, per poi decadere in 8Be, emettendo una particella alfa. In base allo stato in cui il nucleo di Berillio viene a formarsi, si possono identificare due canali di reazione, chiamati α0 e α1. A questo punto il nucleo di Berillio si disintegra in due particelle alfa. Lo spettro energetico di queste particelle non è ancora completamente definito e modellizzato in maniera univoca. In questa tesi, tale reazione è stata studiata nell’intervallo di energie 0.3 – 3 MeV, sfruttando un detector al Silicio a doppio stadio accoppiato a target di Boro realizzati usando la PLD. Le misure sono state svolte ai Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), irraggiando i bersagli con protoni a bassa energia dall’acceleratore CN. Il principale vantaggio di usare un rivelatore doppio stadio è quello di poter discriminare le particelle alfa dai protoni, dando la possibilità di ottenere degli spettri migliori delle particelle alfa emesse. Degli studi preliminari della sezione d’urto di questa reazione sono stati svolti utilizzando un target formato da 1 μm di Boro naturale, depositato su 50 μm di PMMA. Nel mentre, una nuova geometria, in cui il rivelatore è stato posto fuori dalla linea di fascio, è stata testata. Sono state effettuate e confrontate misure col il detector posto a 60° e 30° rispetto al fascio. Sfruttando dei nuovi target con uno strato di Boro di 500 nm depositato su Alluminio, le sezioni d’urto, sia quella totale che quelle riferite ai diversi canali di reazione, sono state calcolate nell’intervallo di energie da 0.3 MeV a 3 MeV, che contiene due delle principali risonanze di questa reazione, a 670 keV e 2.6 MeV.