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/ NetNews Usenet Archive 1993 #1 / NN_1993_1.iso / spool / sci / physics / fusion / 3218 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1993-01-08  |  13.8 KB

  1. Path: sparky!uunet!wupost!zaphod.mps.ohio-state.edu!sol.ctr.columbia.edu!hamblin.math.byu.edu!news.byu.edu!yvax.byu.edu!physc1.byu.edu!jonesse
  2. Newsgroups: sci.physics.fusion
  3. Subject: Reply to Dick Blue/Original BYU Expts.
  4. Message-ID: <1993Jan8.135424.323@physc1.byu.edu>
  5. From: jonesse@physc1.byu.edu
  6. Date: 8 Jan 93 13:54:24 -0700
  7. References: <00966113.17594E40.9677@dancer.nscl.msu.edu>
  8. Distribution: world
  9. Organization: Brigham Young University
  10. Lines: 264
  11.  
  12. In article <00966113.17594E40.9677@dancer.nscl.msu.edu>, 
  13. blue@nscl01.nscl.msu.edu writes:
  14. > Recent post by S. Jones relays information provided by Profs. Jensen and
  15. > Palmer concerning the detector used in the first Jones experiment reporting
  16. > low yield neutron production from cold fusion.
  17. >  .....
  18. > Clearly I was mistaken as to which mode of operation had been employed
  19. > to obtain the spectrum reported in the Nature paper. 
  20.  
  21. I'm glad to see we have settled that point.
  22.  
  23. > There do, however,
  24. > remain some questions as to what the reponse function of the detector
  25. > is for neutrons and for gammas.  Both Jensen and Palmer in their replies
  26. > refer to spectra obtained at 2.9 MeV and 5.2 MeV as reported in the
  27. > Czir-Jensen paper, but Jones discounts those as calibration spectra in
  28. > favor of some more recent calibrations with monoenergetic neutrons.
  29. > Not only do we seem to be getting differing answers from different
  30. > members of the team, we seem to have a situation in which information
  31. > crucial to the intepretation of the spectra was subject to revision
  32. > long after the experiment was completed.  If we are to be convinced
  33. > that the spectrum reported in Nature shows a "peak", it would be nice
  34. > to know whether the detector as operating at the time was in fact
  35. > capable of producing such a peak in response to fusion neutrons.  One
  36. > question that remains in my mind is what mechanism accounts for
  37. > the roll-off of the proton recoil response on the low side of the
  38. > peak.  Off hand I would expect the response to be close to what is
  39. > shown in the Czirr-Jensen paper.
  40.  
  41. I will try to show figures from the Czirr-Jensen papers so readers can
  42. understand Dr. Blue's questions, and to provide the answers. 
  43.        Figure 1:  Neutron spectrometer response to 5.2 MeV neutrons
  44.               (Fig. 5 of NIM A284 (1989):365, Czirr and Jensen, BYU)
  45. |          -
  46. |          -
  47. |           \                  --
  48. |            -               -   - -
  49. |            -             -        -  -
  50. |            -            -          -
  51. |  COUNTS     \          -              -
  52. |              -        -                -
  53. |              -       -                 -
  54. |               - - - -                   -
  55.                                            -
  56.                                             - -----------
  57.  --------------------------------------------------------
  58.                  PULSE-HEIGHT CHANNEL (neutron energy information)
  59.  
  60.                                /|\  Clearly the detector shows a peak here.
  61.          /|\  But what is this low-energy tail?  This is a principal question
  62. of Dr. Blue's; as he says in reply to BartB:
  63. "one question I am raising about this experiment has to do with the nature
  64. of the signal the detector would record even in the absence of background.
  65. In the Czirr-jensen paper that describes the detector, the calibration spectrum
  66. [given in Fig. 1 above]
  67. shown is not in accord with the signal claimed in Jones paper [Nature 1989]"
  68. which looks roughly like this:
  69.  
  70.     Fig. 2  Neutron spectrum from original Nature paper, background subtracted
  71. |               (agrees with monte carlo prediction for monoenergetic neutrons)
  72. |
  73. |
  74. |           - -
  75. |          -   -
  76. |        -      -
  77. | COUNTS         -
  78. |
  79. |       -         -
  80. |
  81. |      -           -          -
  82. |     -             - - -    - - - -       -  -
  83. |   -                 - -    -   - - ---- -  -   - etc.
  84. |-----------------------------------------------------------------
  85.      -                    -
  86.                    Pulse Height Channel
  87. The peak is lower than for the 5.2 MeV neutrons used in the calibration curve
  88. above.  (We also ran a calibration for 2.9 MeV neutrons; the above peak appears
  89. just below this 2.9MeV peak, and an short extrapolation based on both calibra-
  90. tions gave the energy of the above peak as approx. 2.5 MeV, consistent with
  91. neutrons from deuteron-d fusion.  See Nature
  92. papers, 27 April 1989 and 22 Feb 1990 - correspondance from us.  This responds
  93. to BartB's questions in a recent post.)
  94.  
  95. But, Dr. Blue questions, where is the low-energy tail?
  96. First, as explained in the Czirr-Jensen paper, the calculated response of the
  97. spectrometer based on the Monte Carlo program MCBD provides a bump as given
  98. in Fig. 2 -- WITHOUT A LOW ENERGY TAIL.  (Didn't you notice this in the paper
  99. Dick?)  This was the subject of a BYU Master's Thesis, in part.  In fact, the
  100. observed bump shape/width fit pretty neatly with the monte carlo prediction.
  101.  
  102. Second, in work since the Czirr-Jensen paper (rec'd 7 June 1989), the two
  103. demonstrated that the low-energy tail arises from high-energy deuteron beam
  104. interactions in the Ti-d target, due to deuteron break-up.  When the d beam
  105. from the BYU Van de Graaf impinges on metal foils (not containing deuterons
  106. for d-d fusions), they found the following response in the spectrometer:
  107.  
  108.      Fig. 3  Spectrometer response for 1.9 MeV deuteron beam on blank
  109.        copper disk (instead of titanium deuteride target with Cu backing)
  110.           (From Prof. Jensen; included in BYU pre-print 1992,"Single-Tube
  111.                                  Neutron Spectrometer")
  112.        -
  113. |       -
  114. |       -
  115. |       -
  116. |        -
  117. |         -
  118. |         -
  119. | COUNTS   -
  120. |           -
  121. |           -
  122. |           -
  123. |            -    -   -          -
  124. |             --   ---  - --- ----- ------ etc.
  125. |----------------------------------------------------------------
  126.                 PULSE-HEIGHT CHANNEL
  127. Aha!  So that's what the low-energy tail is -- nothing but neutrons from
  128. deuteron break-up.  NOT the response of the detector per se.
  129.  
  130. So in the latest calibrations, Jensen et al. measure the background as in
  131. Fig. 3 for d break-up, and subtract this from Fig.1 (since there both d-d
  132. fusion and d break-up occur) to yield a peak as in Fig. 2 and 3, that is,
  133. the corrected calibration spectrum agrees both with the monte carlo calcula-
  134. tion and the original data spectrum!
  135. Send me your address, Dick, and I'll send the write-up on this.
  136. Please understand, there is no "discounting" of earlier calibrations, nor
  137. differing answers from different team members.  I hope we're clear on these
  138. points now and can move on.
  139.  
  140. > The next question that can perhaps be laid -to rest if I understand
  141. > Jensens reply has to do with the way in which the background subtraction
  142. > was made.  Jensen states: "The background HAD to be normalized [Approx
  143. > 4 times more background than foreground hours], but the background
  144. > was featureless and could not generate a peak."  I take that to
  145. > mean that the background was scaled in strict ratio in accord with
  146. > the different recording times before subtraction, and no other
  147. > adjustments were made such as matching forground and background in
  148. > a region of the spectrum away from the "peak".
  149.  
  150. There are different, legitimate ways of scaling background discussed in our
  151. papers.  I refer you particularly to our response in Nature 22 Feb. 1990.
  152. There we describe an analysis of runs 1 to 7; the scaling was done as you
  153. state above "in strict ratio in accord with the different recording times
  154. before subtraction."  Note that background runs were run more or less
  155. alternately with foreground runs, and that background runs included metals
  156. involved in the foreground runs.   Please read for more info. another BYU
  157. paper in J. Fusion E. 9:199-208, Dec. 1990, where we state:
  158.  "Background runs were made using operating cells containing standard
  159. electrodes and electrolytes, except that H2O replaced the D2O:  numerous
  160. light-water control runs were performed prior to submission of [Nature 27
  161. April 1989 paper].  Other background runs were made using both new and 
  162. previously used standard cells containing D2O plus the usual electrolyte
  163. but with no electrical current.  In the case of used D2O cells, the
  164. current had been off for many hours.  The individual background runs
  165. followed the featureless pattern of the integrated background illustrated 
  166. in Fig. 4."  (J. Fusion Energy 9:199, Dec 1990,"Anomalous Nuclear Reactions
  167. in Condensed Matter:  Recent Results and Open Questions,"  S.E. Jones et al.)
  168.  
  169. > We are still left with the issue of the gamma response of the
  170. > detector and what fraction of the response was in fact due to
  171. > neutrons.  From other experiments which employed liquid
  172. > scintillation counters with pulse-shape discrimination to 
  173. > separate neutron and gamma response on sees cosmic-ray-induced
  174. > backgrounds showing gamma-to-neutron ratios of something like
  175. > 10E3 or 10E4.  Clearly this ratio can be altered by effects
  176. > specific to the surroundings of a given experiment, but I
  177. > see a potential problem in making a determination of this
  178. > ratio with a detector that may well respond with no better
  179. > than a 100 to 1 rejection ratio for gammas.  To make that
  180. > explicite let us assume that the true ratio of gammas to
  181. > neutrons is 10E4.  Then the detector will respond to gammas
  182. > at a rate 10E2 times the neutron rate.  Under those circumstances,
  183. > or something approaching them, how do you tell what the ratio
  184. > of neutrons to gammas really is?  Jensen asserts that about 1/4
  185. > of the background is due to gammas, but how does one go about
  186. > making a determination of that number?
  187. > Dick Blue
  188. > NSCL @ MSU
  189.  
  190. Our COINCIDENCE spectrometer differs significantly from other detectors
  191. which use liquid organic scintillator (which do indeed show a low-energy
  192. tail as part of the response).  The key is to require a pulse from
  193. neutron capture in 6Li-doped glass in delayed COINCIDENCE with the
  194. pulse from the liquid scintillator.  This coincidence is a powerful
  195. way to reject gammas since the glass response to gammas is of very low
  196. efficiency and differs from the t+alpha pulse arising from n capture
  197. on 6Li.  We do NOT rely only on pulse-shape discrimination.  
  198.  
  199. (This is important:  understand the nature of our coincidence
  200. spectrometer.  We DO get a bump from mono-energetic neutrons, without
  201. a low-energy tail.)
  202. Perhaps quoting from the most recent Jensen-Czirr write-up will further
  203. clarify this:  "A series of low-resolution neutron spectrometers has been
  204. developed in our laboratory for spectral measurements in the MeV energy
  205. range.  These detectors operate on the "coincidence calorimeter" principle
  206. in which two signals from a single neutron are required to assure total
  207. kinetic energy deposition within the detector.  The first signal is produced
  208. by the multiple elastic collisions of an incident neutron with protons in
  209. the organic scintillator comprising the bulk of the dector body.  The second
  210. signal arises if the neutron remains within the detector and is captured by
  211. a ^Li nucleus incorporated in thin lithium glass scintillators that are
  212. dispersed among the several organic plastic scintillators.  The slowing
  213. down of the incident neutron occupies approximately 50 ns and the mean capture
  214. delay is 11 microseconds."
  215.  
  216. This standard mode of operation, used also in original BYU experiments, is to
  217. be distinguished from the "capture-spectrum mode" which is described in detail
  218. in the Czirr-Jensen 1989 paper (NIM A284:365-369).  Basically, the capture-
  219. spectrum mode provides pulse-height spectra from the glass alone, rather than
  220. from the plastic scintillator.  We cannot determine the neutron energy from
  221. the 6Li-doped-glass scintillator, but we can see neutrons clearly, and the
  222. distinct signal from gammas.  Background at BYU looks like this:
  223.   
  224.    Fig. 4:  Capture-spectrum mode distribution for background events.
  225.             (Differs from standard mode in Figs 1-3 above!)
  226. |        -         (Figure 8 in Czirr-Jensen paper in NIM A284(1989):365)
  227. |       - -
  228. |
  229. |
  230. |      -   -
  231. | COUNTS
  232. |
  233. |     -     -
  234. |                         --
  235. |    -       -         /- -  - -
  236. | ---         --   -----        - ----\
  237. |---------------------------------------------------------------
  238.                     Pulse-height channel
  239.  
  240. The low-energy peak is caused by gamma interactions in the glass, while
  241. the higher-energy bump (smaller) is caused by neutrons, presumably originating
  242. from cosmic-ray interactions.  In the standard mode, we select only light-
  243. pulses from the glass scintillator which occur in the higher-energy bump,
  244. thus discriminating against gammas.  The cross-section for gamma interaction
  245. in the thin glass scintillator plates is very low compared to the cross-section
  246. for thermal neutron capture in the plates.
  247.  
  248. Using the same mode with a radium source shows the gamma peak only, with a tail
  249. that extends into the neutron-bump region.  By scaling this gamma peak to match
  250. the gamma peak in the background, then counting events in the gamma tail which
  251. extend into the neutron bump region, and comparing to background- 
  252. neutron-generated events in the neutron-bump region leads to an estimate of 
  253. the events in the neutron region arising from gamma-ray leakage. 
  254.  
  255. This is explained in the NIM paper by Czirr and
  256. Jensen, but I can understand some confusion due to their term "capture-spectrum
  257. mode"  which refers to the spectrum from the GLASS scintillator only, whereas
  258. the standard mode involves capture also, but the spectrum is that yielded by
  259. neutrons slowing in the PLASTIC scintillator, with subsequent neutron capture
  260. required in the glass.
  261. [Note:  I discussed these points with Prof. Jensen, co-inventor of the 
  262. coincidence spectrometer, but neither he nor Prof. Czirr are now available to
  263. proofread what I have written.  Copies of their papers are available on
  264. request.]
  265.  
  266. In short, the BYU neutron spectrometer discriminates well against gammas
  267. and produces a peak in the pulse-height spectrum given a monoenergetic neutron
  268. source.  It is thus much better than using organic scintillator with pulse-
  269. shape discrimination alone for low-level neutron studies.
  270.  
  271.  
  272. Respectfully,
  273. Steven E. Jones
  274.