Extraction of 12C(n,α), (n,p), and (n,d) reaction channels from the n_TOF EAR1 diamond beam line monitor

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neutroneninduzierte Reaktionen auf 12C mithilfe eines einkristallinen Diamantdetektors am n TOF-Experiment am CERN untersucht. Grundlage der Analyse bildet der vollständige Datensatz der Messkampagne 2025 (März bis Dezember) am EAR1-Strahlrohr, entsprechend einer integrierten Protonenintensität von etwa 3.3 × 10^19 Protonen auf dem Target. Ziel der Arbeit war es, die Leistungsfähigkeit eines dünnen Diamantdetektors hinsichtlich der Identifikation von Reaktionskanälen sowie der Gewinnung von Wirkungsquerschnittsinformationen über einen breiten Neutronenenergiebereich zu bewerten. Ein wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die präzise Rekonstruktion der Neutronenenergie mittels der Time-of-Flight-(TOF)-Methode. Hierzu wurde zunächst die effektive Flugstrecke durch den Vergleich experimenteller Resonanzstrukturen mit Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Da an Spallationsquellen zusätzliche Beiträge zur effektiven Flugstrecke durch Moderationsprozesse auftreten, wurde ein energieabhängiger Korrekturterm λ(E) eingeführt. Dadurch konnte die Zeit-Energie-Beziehung des Neutronenstrahls über einen großen Energiebereich konsistent beschriebenwerden. Zur Kalibration der im Detektor deponierten Energie wurde ein simultaner Fit der dominanten Reaktionskanäle 12C(n,α) und 12C(n,d) durchgeführt. Dieser Ansatz erlaubt es, die gemessene Signalamplitude direkt mit der physikalischen Energieabgabe zu verknüpfen und gleichzeitig nichtlineareEffekte der Ausleseelektronik zu berücksichtigen. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass kein zusätzlicher globaler Zeitoffset erforderlich ist, da die energieabhängige Flugstreckenkorrektur bereits die relevanten systematischen Effekte beschreibt. Die Qualität der Kalibration wurde durch zwei unabhängige Methoden überprüft. Zum einen zeigt der Vergleich der gemessenen Resonanzenergien mit Daten aus der ENDF/B-VIII.1-Bibliothek eine deutliche Reduktion systematischer Abweichungen nach Anwendung der Korrekturen. Zum anderen bestätigt die Q-Wert-Analyse, dass die rekonstruierten Q-Werte über einen weiten Energiebereich konstant bleiben, was eine physikalisch konsistente Beschreibung der Reaktionskinematik darstellt. Auf Basis der kalibrierten Daten konnten mehrere Reaktionskanäle der Form 12C(n,X) identifiziert werden, darunter insbesondere 12C(n,α), 12C(n,p) und 12C(n,d). Die daraus abgeleiteten Wirkungsquerschnitte wurden mit ausgewerteten Daten sowie aktuellen experimentellen Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Für den 12C(n,α_0)9Be-Kanal zeigt sich eine gute Übereinstimmung sowohl im Energieverlauf als auch in der absoluten Größenordnung über einen weiten Energiebereich. Für Kanäle mit Protonen und Deuteronen wird der qualitative Verlauf ebenfalls korrekt wiedergegeben, jedoch liegen die absoluten Werte systematisch niedriger. Dies ist hauptsächlich auf die begrenzteDetektordicke von etwa 140 μm zurückzuführen, wodurch insbesondere hochenergetische Reaktionsprodukte den Detektor teilweise verlassen, ohne ihre gesamte Energie zu deponieren. Da in dieser Arbeit keine explizite Effizienzkorrektur durchgeführt wurde, entsprechen die bestimmten Wirkungsquerschnitte effektiven Messgrößen. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass auch ein dünner sCVD-Diamantdetektor in der Lage ist, detaillierte Informationen über Neutronen-induzierte Reaktionen zu liefern. Die Kombination aus experimentellen Messdaten, Simulationen und einer konsistenten Kalibrationsstrategie ermöglicht eine zuverlässige Rekonstruktion von Neutronenenergien und Reaktionskanälen. Darüber hinaus liefert die Arbeit zusätzliche experimentelle Hinweise für 12C(n,X)-Reaktionen, insbesondere in Energiebereichen, in denen bestehende Datensätze Unsicherheiten aufweisen oder nur begrenzt verfügbar sind. Die gewonnenen Erkenntnisse unterstreichen das Potenzial von Diamantdetektoren für zukünftige Anwendungen in der Neutronenphysik, insbesondere als kompakte und strahlungsresistente aktive Targets. Durch weiterführende Entwicklungen, wie eine detaillierte Effizienzkorrektur, verbesserte Elektronik oder optimierte Detektorgeometrien, kann die vorgestellte Methode zukünftig zu noch präziseren und umfassenderen Wirkungsquerschnittsmessungen beitragen.

In this work, neutron-induced reactions on 12C were studied using a single crystal chemical vapor deposition (sCVD) diamond detector at the n TOF facility at CERN. The analysis is based on the full dataset collected during the 2025 (March-December) measurement campaign at the EAR1 beam line, corresponding to a total proton beam intensity of about 3.3 × 10^19 protons on target. The aim of this work is to investigate the capability of a thin diamond detector to identify reaction channels and to extract cross-section information over a wide neutron energy range. A central part of the analysis is the precise reconstruction of the neutron energy using the time-of-flight(TOF) technique. For this purpose, the effective flight path was determined by comparing measured resonance structures with Monte Carlo simulations. In addition, an energy-dependent correction term λ(E) was introduced to account for neutron moderation effects in the spallation target. The neutron energy calibration was further improved by a simultaneous fit of the 12C(n,α) and 12C(n,d) reaction channels, which establishes a relation between the measured signal amplitude and the deposited energy, including non-linear effects of the readout electronics. The consistency of the calibration was validated using two independent methods. First, a comparison of measured resonance energies with evaluated data from the ENDF/B-VIII.1 library shows that systematic deviations are removed after applying the corrections. Second, a Q-value analysis demonstrates that the reconstructed Q-values remain constant over a wide neutron energy range, confirming the correct reconstruction of both neutron energy and deposited energy without the need for an additional global time offset. Based on the calibrated data, several neutron-induced reaction channels on 12C were identified, including 12C(n,α), 12C(n,p), and 12C(n,d) reactions. The corresponding cross sections were extracted and compared with evaluated data and recent experimental results from Wantz et al. [1]. Good agreement is observed in terms of the energy dependence and overall shape of the cross sections. At higher neutron energies, the measured values are systematically lower, which is explained by the limited detector thickness of about 140 μm and the absence of an efficiency correction for escaping reaction products. The results show that even a thin sCVD diamond detector can be used for detailed neutron measurements at a time-of-flight facility. The combination of experimental data, simulations, and calibration methods allows a consistent reconstruction of neutron-induced reactions on carbon. This work provides additional experimental insight into 12C(n,X) reactions, especially in energy regions where evaluated data are less precise or where experimental data are limited. Overall, the results demonstrate the potential of diamond detectors for future applications in neutron physics and nuclear data measurements.