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Thesis (MSc (Physics))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Neutrino and antineutrino detection is a fairly new eld of experimental physics, mostly due to the small interaction cross section of these particles. Most of the detectors in use today are huge detectors consisting of kilotons of scintilator material and large arrays of photomultiplier tubes. Direction sensitive antineutrino detection has however, not been done (at the time of writing of this thesis). In order to establish the feasibility of direction sensitive antineutrino detection, a Monte Carlo code, DSANDS, was written to simulate the detection process. This code focuses on the neutron and positron (the reaction products after capture on a proton) transport through scintilator media. The results are then used to determine the original direction of the antineutrino, in the same way that data from real detectors would be used, and to compare it with the known direction. Further investigation is also carried out into the required amount of statistics for accurate results in an experimental eld where detection events are rare. Results show very good directional sensitivity of the detection method. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Neutrino en antineutrino meting is 'n relatief nuwe veld in eksperimentele sika, hoofsaaklik as gevolg van die klein interaksie deursnee van hierdie deeltjies. Die meeste hedendaagse detektors is massiewe detektors met kilotonne sintilator materiaal en groot aantalle fotovermenigvuldiger buise. Tans is rigting sensitiewe antineutrino metings egter nog nie uit gevoer nie. 'n Monte Carlo kode, DSANDS, is geskryf om die meet proses te simuleer en sodoende die uitvoerbaarheid van rigting sensitiewe antineutrino metings vas te stel. Hierdie kode fokus op die beweging van neutrone en positrone (die reaksie produkte) deur die sintilator medium. Die resultate word dan gebruik om die oorspronklike rigting van die antineutrino te bepaal, soos met data van regte detektors gedoen sou word, en te vergelyk met die bekende oorspronklike rigting van die antineutrino. Verder word daar ook gekyk na die hoeveelheid statistiek wat nodig sal wees om akkurate resultate te kry in 'n veld waar metings baie skaars is. Die resultate wys baie goeie rigting sensitiwiteit van die meet metode.

Thesis (Ph. D.)--University of Hawaii at Manoa, 2005. / Includes bibliographical references (leaves 129-135).

Detection systems used to monitor reactor operations are of significant interest as tools for verification of operator declarations. Current reactor site safeguards are limited to visual inspections and intrusive monitoring systems. The recent development of antineutrino detectors may soon allow real-time monitoring from an unobtrusive location. Antineutrinos are produced through beta decay of fission products in the core. The lack of charge and small mass of the antineutrino ensures an extremely low interaction probability with all matter, effectively making the particle impossible to shield. As the fuel isotopic composition changes with burn-up, the primary fission source changes from ²³⁵U to ²³⁹Pu. Since differing antineutrino energy spectra are produced by each fissionable isotope, the antineutrino flux will also change as a function of burn-up. Supported by reactor simulations from nuclear codes, antineutrino detectors may provide a window into the reactor core and provide inspectors with tools to verify legitimate operations. This thesis is focused on the antineutrino rate produced by CANadian Deuterium Uranium reactors (CANDU) during startup. A CANDU fuel bundle model was created with the TRITON module from the SCALE6.1 code to calculate isotopic antineutrino rates for a single bundle. A full core CANDU model that incorporates refueling was also created for the first 155 days of operation after startup by using a Python 2.6 script to handle pre- and post-calculations. All simulations were calculated using operational data from Point Lepreau Generating Station produced by proprietary codes for the forthcoming fresh core startup. Dependence of the antineutrino rate on power and bundle replacement was analyzed, with a ±10% change in power causing a ±10% change in antineutrino rate, and the CANDU detector effectively measuring a 10% decrease in power within 9 hours of collection time. Bundle refueling was shown to only slightly modify the antineutrino rate, requiring a target volume more than 20 times larger than the present detector to effectively identify the change due to the bundles refueled over a one week period. Diversion of 15% or more of the total amount of bundles can be effectively measured by the CANDU detector within a one month counting period. / Graduation date: 2012

Aujourd’hui, l’énergie nucléaire représente une partie non-négligeable du marché énergétique mondial, très probablement vouée à croître dans les prochaines décennies. Les réacteurs du futur devront notamment répondre à des critères supplémentaires économiques mais surtout de sûreté, de non-prolifération, de gestion optimisée du combustible et d’une gestion responsable des déchets nucléaires. Dans le cadre de cette thèse, des études concernant la non-prolifération des armes nucléaires sont abordées, dans le cadre de la recherche et développement d’un nouvel outil potentiel de surveillance des réacteurs nucléaires ; la détection des antineutrinos des réacteurs. En effet, les propriétés de ces particules pourraient intéresser l’Agence Internationale de l’Energie Atomique (AIEA) en charge de l’application du Traité de non-prolifération des armes nucléaires. L’AIEA encourage ainsi ses états membres à mener une étude de faisabilité. Une première étude de non-prolifération est réalisée avec la simulation d’un scénario proliférant utilisant un réacteur de type CANDU et de l’émission en antineutrinos associée. Nous en déduisons une prédiction de la sensibilité d’un détecteur d’antineutrinos de taille modeste à la diversion d’une quantité significative de plutonium. Une seconde étude est réalisée dans le cadre du projet Nucifer, détecteur d’antineutrinos placé auprès du réacteur de recherche OSIRIS. Nucifer est un détecteur d’antineutrinos dédié à la non-prolifération à l’efficacité optimisée conçu pour être un démonstrateur pour l’AIEA. La simulation du réacteur OSIRIS est développée ici pour le calcul de l’émission d’antineutrinos qui sera comparée aux données mesurées par le détecteur ainsi que pour caractériser le bruit de fond important émis par le réacteur détecté dans Nucifer. De façon générale, les antineutrinos des réacteurs sont émis lors des décroissances radioactives des produits de fission. Ces décroissances radioactives sont également à l’origine de la puissance résiduelle émise après l’arrêt d’un réacteur nucléaire, dont l’estimation est un enjeu de sûreté. Nous présenterons dans cette thèse un travail expérimental dont le but est de mesurer les propriétés de décroissance bêta de produits de fission importants pour la non-prolifération et la puissance résiduelle des réacteurs. Des premières mesures utilisant la technique de Spectroscopie par Absorption Totale (TAGS) ont été réalisées auprès du dispositif de l’Université de Jyväskylä. Nous présenterons la technique employée, le dispositif expérimental ainsi qu’une partie de l’analyse de cette expérience. / Today, nuclear energy represents a non-negligible part of the global energy market, most likely a rolling wheel to grow in the coming decades. Reactors of the future must face the criteria including additional economic but also safety, non-proliferation, optimized fuel management and responsible management of nuclear waste. In the framework of this thesis, studies on non-proliferation of nuclear weapons are discussed in the context of research and development of a new potential tool for monitoring nuclear reactors, the detection of reactor antineutrinos, because the properties of these particles may be of interest for the International Agency of Atomic Energy (IAEA), in charge of the verification of the compliance by States with their safeguards obligations as well as on matters relating to international peace and security. The IAEA encouraged its member states to carry on a feasibility study. A first study of non-proliferation is performed with a simulation, using a proliferating scenario with a CANDU reactor and the associated antineutrinos emission. We derive a prediction of the sensitivity of an antineutrino detector of modest size for the purpose of the diversion of a significant amount of plutonium. A second study was realized as part of the Nucifer project, an antineutrino detector placed nearby the OSIRIS research reactor. The Nucifer antineutrino detector is dedicated to non-proliferation with an optimized efficiency, designed to be a demonstrator for the IAEA. The simulation of the OSIRIS reactor is developed here for calculating the emission of antineutrinos which will be compared with the data measured by the detector and also for characterizing the level of background noises emitted by the reactor detected in Nucifer. In general, the reactor antineutrinos are emitted during radioactive decay of fission products. These radioactive decays are also the cause of the decay heat emitted after the shutdown of a nuclear reactor of which the estimation is an issue of nuclear safety. In this thesis, we present an experimental work which aims to measure the properties of beta decay of fission products important to the non-proliferation and reactor decay heat. First steps using the technique of Total Absorption Gamma-ray Spectroscopy (TAGS) were carried on at the radioactive beam facility of the University of Jyvaskyla. We will present the technique used, the experimental setup and part of the analysis of this experiment.

Orientador: Marcelo Moraes Guzzo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-01T21:05:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zavanin_EduardoMarcio_D.pdf: 12290577 bytes, checksum: e37b2af24ec03321ad993ebd98fbc0dc (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: O objetivo desse trabalho é estudar um mecanismo alternativo à hipótese de neutrino estéril para a solução das anomalias dos antineutrinos de reatores, da anomalia do Gálio e da anomalia dos aceleradores. Vamos também entender como encaixar esse mecanismo na teoria da física de partículas através de interações não padrão. Além disso, vamos estudar o duplo decaimento beta sem a emissão de neutrinos e colocar vínculos para a massa efetiva de Majorana. Não obstante, vamos entender os limites que o experimento ECHo fornecerá para medidas direta da massa dos neutrinos / Abstract: The objective of this work is the study of an alternative mechanism, that is not the hypothesized sterile neutrino, to solve the reactor anti-neutrino anomaly, the Gallium anomaly and the LSND anomaly. We will also understand how to fit this mechanism in the theory of particle physics through non standard interactions. In addition, we will study the neutrino-less double beta decay and set constraints to the effective Majorana neutrino mass. Furthermore we will understand the limits that the ECHo experiment will provide for direct measurements of the neutrino mass / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 2013/02518-7 / 1189631/2013 / FAPESP / CAPES

Los dispositivos CCDs (por las siglas en inglés de Charge Coupled Devices) son aún hoy en día la tecnología líder para la toma de imágenes de baja distorsión y son ampliamente utilizados en aplicaciones de astronomía en el rango de la luz visible y en el infrarrojo cercano. En esta tesis se estudia y desarrolla su utilización para la detección de otras partículas diferentes a los fotones de luz, en particular para partículas con muy poca probabilidad de detección y muy poca deposición de energía logrando que esta nueva tecnología presente una ventaja respecto a detectores disponibles hoy en día. Los resultados de esta tesis son la base del desarrollo de una aplicación de un sistema de CCDs para la detección de neutrinos provenientes de un reactor nuclear. Se estudian las características principales de los CCDs que los hacen aptos para esta novedosa aplicación, y se encuentra que la mayor limitante de su rendimiento es el ruido de lectura agregado por su etapa de salida. Se desarrolla una técnica para reducir su incidencia, y mejorar así la capacidad de detección. A partir de estas características se analiza la capacidad de los CCD para detectar neutrinos provenientes de un reactor nuclear por medio de la interacción coherente entre el neutrino y los núcleos de los átomos de silicio. Para optimizar la detección de eventos de este tipo en las imágenes de salida, se deriva un modelo matemático que estudia el mecanismo de generación de carga en el CCD y se desarrolla una técnica de calibración que permite obtener información de la profundidad a la que se produce la ionización Estos resultados se plasmaron en el desarrollo de un prototipo instalado en la Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto, en Angra dos Reis, Brasil. Se muestran algunos resultados preliminares obtenidos con este prototipo, y se comentan las mejoras que se realizarán próximamente en este sistema. / Charge Coupled Devices are still nowadays the best available technology for low distortion digital imaging applications and are extensively used for ground and spacebased astronomy for visible light and near infrared. In this thesis, studies to extent its use to applications for the detection of particles different to light photons are presented, in particular for those particles having low probability of interaction and small deposition of energy for which this technology presents advantages over available detectors. These studies are the base for the development of a CCD system aiming the detection of low energy neutrinos coming out from a nuclear reactor. The most important aspects of scientific CCDs for particle detection are revisited, and its main detection limitation produced by the readout noise added by the output amplifier of the device is explained. A technique to reduce the effect of this noise and to improve the detection performance is developed. The main features of CCDs are then used to analyze the feasibility of detecting low energy neutrinos through their coherent scattering with nuclei. A mathematical model of the expected signal in the output images is obtained and a new technique for the calibration of the CCDs to obtained the depth of the interaction in the silicon is developed. This result is used to improve the detection performance of the system The first CCD system prototype for this application is presented together with some details of its installation at Central Nuclear Almirante Alvaro Alberto in Angra dos Reis, Brazil, and some preliminary results are discuSSED.

Aujourd'hui, l'énergie nucléaire représente une partie non-négligeable du marché énergétique mondial, très probablement vouée à croître dans les prochaines décennies. Les réacteurs du futur devront notamment répondre à des critères supplémentaires économiques mais surtout de sûreté, de non-prolifération, de gestion optimisée du combustible et d'une gestion responsable des déchets nucléaires. Dans le cadre de cette thèse, des études concernant la non-prolifération des armes nucléaires sont abordées, dans le cadre de la recherche et développement d'un nouvel outil potentiel de surveillance des réacteurs nucléaires ; la détection des antineutrinos des réacteurs. En effet, les propriétés de ces particules pourraient intéresser l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA) en charge de l'application du Traité de non-prolifération des armes nucléaires. L'AIEA encourage ainsi ses états membres à mener une étude de faisabilité. Une première étude de non-prolifération est réalisée avec la simulation d'un scénario proliférant utilisant un réacteur de type CANDU et de l'émission en antineutrinos associée. Nous en déduisons une prédiction de la sensibilité d'un détecteur d'antineutrinos de taille modeste à la diversion d'une quantité significative de plutonium. Une seconde étude est réalisée dans le cadre du projet Nucifer, détecteur d'antineutrinos placé auprès du réacteur de recherche OSIRIS. Nucifer est un détecteur d'antineutrinos dédié à la non-prolifération à l'efficacité optimisée conçu pour être un démonstrateur pour l'AIEA. La simulation du réacteur OSIRIS est développée ici pour le calcul de l'émission d'antineutrinos qui sera comparée aux données mesurées par le détecteur ainsi que pour caractériser le bruit de fond important émis par le réacteur détecté dans Nucifer. De façon générale, les antineutrinos des réacteurs sont émis lors des décroissances radioactives des produits de fission. Ces décroissances radioactives sont également à l'origine de la puissance résiduelle émise après l'arrêt d'un réacteur nucléaire, dont l'estimation est un enjeu de sûreté. Nous présenterons dans cette thèse un travail expérimental dont le but est de mesurer les propriétés de décroissance bêta de produits de fission importants pour la non-prolifération et la puissance résiduelle des réacteurs. Des premières mesures utilisant la technique de Spectroscopie par Absorption Totale (TAGS) ont été réalisées auprès du dispositif de l'Université de Jyväskylä. Nous présenterons la technique employée, le dispositif expérimental ainsi qu'une partie de l'analyse de cette expérience.

La recherche de neutrinos stériles et légers est, à l’heure actuelle, l’un des enjeux majeurs de laphysique des neutrinos. Une indication de leur existence résulte de l’anomalie des antineutrinosde réacteur, qui découle du déficit de 6% entre les taux prédits et les taux observéspar les expériences à courte distance de réacteurs. Ce déficit peut être interprété comme uneoscillation à courte distance des neutrinos. L’objectif de l’expérience STEREO, situé auprès duréacteur de recherche de l’Institut Laue Langevin (ILL), à Grenoble, France, est d’étudier cetteoscillation. La cible du détecteur de neutrinos est placée entre 8,9 et 11,1m du coeur compactdu réacteur d’ILL. Le détecteur consiste d’environ 2t d’un scintillateur liquide, dopé avec duGd. Le volume actif est séparé dans le sens de la longueur en six cellules. Les antineutrinos sontdétectés par la désintégration bêta inverse, où ils interagissent avec un proton libre (ion H+) etproduisent un positron et un neutron. Les deux particules sont détectées dans le scintillateurpar une coïncidence retardée où le positron crée un signal prompt et le neutron est capturéaprès un temps de modération. La lumière produite par le scintillateur est mesurée par lesphotomultiplicateurs (PM). Le détecteur est complété par un“gamma catcher” qui entoure la cible et par un veto à muons.Ce manuscrit présente des études concernant la préparation et la mise en exploitation del’expérience STEREO. La conception du blindage magnétique des PM a été menée sur la basede simulations par éléments finis afin d’examiner différentes options, d’étudier en détail lesperformances de l’option retenue ainsi que de déterminer la qualité nécessaire des matériauxutilisés. Sur la base de ces études, la collaboration a retenu un plan de blindage en deuxcouches: une couche de fer doux à l’extérieur, couvrant le détecteur et le veto à muons, et unecouche de mu-métal autour de la cible. Ce blindage réduit les champs magnétiques externes à laposition des PM de la cible à moins de 60μT pour toutes les configurations connues de champsexternes. Ceci réduit à moins de 2% une variation de l’amplification des PM induite par deschangements des champs magnétiques.D’autre part, des études du bruit de fond sur le site de STEREO ont été menées. Unecartographie du bruit de fond du rayonnement gamma a été effectuée avec des détecteurs augermanium et un scintillateur NaI, afin de valider l’efficacité du blindage installé. Uneestimation du taux de bruit de fond est présentée et comparée au taux mesuré avec STEREO.Dans l’état actuel de l’analyse des données, le bruit de fond de coïncidences fortuites est inférieurau bruit de fond corrélé induit par les muons cosmiques. Après une première phase d’exploitationde STEREO, un “doigt de gant” en fin de vie situé à l’avant de STEREO a dû être retiré.Un bouchon était adapté à l’extrémité de ce doigt de gant afin de réduire le bruit du fondpour STEREO. Ce dispositif n’ayant pas pu être réinstallé à la suite l’enlèvement du doigt degant, un nouveau blindage a été proposé par l’ILL. Une série des simulations neutroniques etphotoniques (MCNP) a été effectué pour étudier l’effet de ce changement sur le bruit de fondautour de STEREO et pour décider si le blindage proposé était suffisant. Les deux scénariosavant et après l’enlèvement ont été comparés et selon cette simulation, la situation du bruit defond devrait être améliorée.Enfin une procédure a été proposée et appliquée pour analyser les données de calibration del’échelle d’énergie de STEREO. La procédure a été élaborée pour être applicable pour toutes lessources de calibration disponibles et pour minimiser les incertitudes systématiques. Le résultatpeut être utilisé pour ajuster les paramètres de la simulation Geant4 du détecteur développée parla collaboration, par comparaison avec des données mesurées et après pour déterminer l’échellede l’énergie avec la précision requise de < 2%. / Light sterile neutrinos are currently a topic actively discussed in neutrino physics. Oneindication of their possible existence and their participation in neutrino oscillations is the ReactorAntineutrino Anomaly, which states a deficit of about 6% between predicted and observedantineutrino fluxes in short baseline reactor neutrino experiments. The STEREO experimentaddresses this anomaly by searching for neutrino oscillations at baselines of 8.9-11.1m from thecompact core of the research reactor of the Institut Laue Langevin (ILL), Grenoble, France. Forthis purpose a Gd-loaded liquid scintillator detector was designed with an active target massof about 2 t. The target volume is subdivided in six optically separated cells along the line ofpropagation of the neutrinos. The electron antineutrinos emitted from the reactor are detectedvia the inverse beta decay on hydrogen nuclei, where a positron and a neutron are created. Thesetwo particles are detected in the scintillator in delayed coincidence, with the prompt signal fromthe positron and a delayed signal from neutron capture. The scintillation light created in theprocesses is read out by photomultiplier tubes (PMTs) on top of the detector cells. The detectoris completed by a gamma catcher and a muon veto.This manuscript covers parts of the preparation and the commissioning of the STEREOexperiment. As basis for the design process of the magnetic shielding for STEREO’s PMTsa series of finite element simulations was performed. The studies of different general layoutsand required material qualities as well as of details of the final design are summarised. Underconsideration of these studies the collaboration opted for a shielding design, a double layer setupwith an outer soft iron and inner mumetal layer, which has the required shielding efficiency toreduce the magnetic field at the position of the detector PMTs below 60 μT for all known externalmagnetic field configurations. This limits the maximum PMT gain change due to variations ofthe external magnetic fields to < 2%.Furthermore different studies have been performed concerning the on-site background situation.A mapping of the-ray background was conducted with high purity germanium detectorsand a NaI scintillator detector, in order to validate the efficiency of the installed shielding. Thefocus lied on the characterisation of the count rate in the neutron capture energy window. Anestimation of the background rate is presented and compared to the rate obtained in STEREO.At the current state of the analysis the background of accidental coincidences in STEREO is aminor contribution compared to the muon induced correlated background. In addition a seriesof MCNP simulations was performed to determine the impact of a beamtube removal in thevicinity of STEREO on the overall reactor-related background situation. The beamtube wasclosed by a dedicated shielding, optimised for background reduction for STEREO, which couldnot be reinstalled after removal of the tube. A new shielding at the end of the former beamtubewas proposed by the ILL. Its shielding effect was studied with MCNP and compared tothe previous configuration in order to assess whether the new shielding suffices or needs to beimproved. According to these simulations the background situation is expected to improve.Finally a procedure is proposed and applied for the analysis of the energy calibration ofthe STEREO detector. The procedure is designed to be applicable to all available calibrationsources and to minimise systematic uncertainties. It can be used to adjust parameters in theexisting Geant4-based simulation of the detector, developed by the collaboration, by comparisonto measured data and later to determine the energy scale with the required precision of < 2%.

Double Chooz is a short-baseline experiment, located at the Chooz power plant, designed to observe the neutrino oscillation signal controlled by the θ13 mixing angle. Part of my scientific research, as a graduate student, was directed towards the development of the software needed for the calibration of the Double Chooz Inner Veto and the analysis of the data associated with this task. I was responsible for the quality tests performed in every photomultiplier prior to its installation. I completed all the necessary measurements and analysed the data, extracting the first set of gains and determining the nominal high voltage values needed to be applied in all photomultipliers. All this information served as valuable input to the detector configuration. I was also responsible for the Inner Veto photomultiplier gain analysis during the first months of data taking. I was also very actively involved in data analysis and the estimations of the various sources of background. I initiated a number of methods to isolate and study the cosmic muon events that activate the detector. Additionally I worked on the estimation of the fast neutron rate registered in the detector. The techniques I put forward played a key role and were used in the first Double Chooz publication. Finally, I developed a set of algorithms to identify and reject an instrumental background, relevant for the Double Chooz detector using topological information of the deposited charge.