Giornate Didattiche 2011 Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina 25 – 30 Giugno 2011 Società...

Giornate Didattiche 2011 Giornate Didattiche 2011

Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina 25 – 30 Giugno 2011

Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

Diffrazione ad alti angoli: Diffrazione ad alti angoli: configurazioni strumentali dalla configurazioni strumentali dalla

sorgente al rivelatore e principi di sorgente al rivelatore e principi di misuramisura

Eleonora GUARINI Eleonora GUARINI Dipartimento di Fisica, Università di FirenzeDipartimento di Fisica, Università di Firenze

[email protected]@fi.infn.it

Userò in queste lezioni molti disegni a mano libera fatti da Colin CARLILE

Lo ringrazio qui per le sue lezioni e per il materiale didattico

Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina 25 – 30 Giugno 2011


Produzione di neutroni

Moderazione dei neutroni

Distribuzioni in energia

Trasporto dei neutroni

Argomenti principali


Giornate Didattiche SISN 2011Diffrattometri

Rivelatori per neutroni

Rivelazione dei neutroni

Tipici rivelatori

Efficienza e tempo morto di un rivelatore

Diffrattometro a 2 assi

Diffrattometro ToF

Componenti base

Principi di misura

Sorgenti di neutroni


Giornate Didattiche SISN 2011

Consultiamo l’enciclopedia alla parola Fissione …. “… scissione del nucleo atomico di un elemento pesante (solitamente) in due parti. La fissione può avvenire spontaneamente o essere provocata dal bombardamento del nucleo, utilizzando come proiettile un fotone (fotofissione), una particella carica veloce o un neutrone… ”

La fissione spontanea è l’unico fenomeno naturale che produce neutroni.

Sorgenti di neutroni Come si producono i neutroni?

I neutroni vengono prodotti in reazioni nucleari. La reazione nucleare (, n) è quella che, in particolare, ha condotto

alla scoperta del neutrone (Chadwick, 1932).

Chadwick utilizzò un emettitore naturale (210Po) di particelle per bombardareun bersaglio di Berillio (Be). Il Be sotto tale bombardamento, forma un nucleo

composto instabile che, decadendo, emette neutroni secondo la reazione:9Be + 4He 12C + n + 5.7 MeV

206Pb Società Italiana di

Spettroscopia NeutronicaGiornate Didattiche SISN 2011

Sorgenti di neutroni Come si producono i neutroni?

La fissione spontanea è l’unico fenomeno naturale che produce neutroni.

particelle = nuclei di 4HeNEUTRONI!

Questa è solo una delle tante possibili reazioni che producono neutroni…



Sorgenti di neutroni Reattori a fissione nucleare

per accelerare i proiettilie/o

per rimuovere la grande quantità di calore prodotta nel processo

Il metodo di produzione di grandi quantità di neutroni è scelto in base al “costo” in termini di energia spesa per singolo neutrone prodotto (MeV/n).

Fra i metodi affrontabili in termini di costi ce ne sono principalmente due:

Fissione (dell’Uranio) e Spallazione

La Fissione dell’Uranio-235 è quella solitamente impiegata nei reattori nucleari




neutrone termico

neutroni veloci

nucleo composto frammenti di fissione(nuclei di elementi medio-pesanti, e.g. bromo e lantanio)

Ciascuna fissione produce in media 2.5 neutroni veloci (energia ~ 1 MeV velocità ~ 14000 km/s!!!)

e circa 180 MeV di energia n(term) + 235U 2 frammenti + 2.5 n + 180 MeV




La sorgente può essere progettata in modo che la reazione di fissione si autosostenga(reazione a catena opportunamente controllata). In genere, ma non sempre, questo tipodi sorgente è utilizzato in regime di funzionamento continuo.

Da ciascuna fissione si ottiene in media 2.5 n – 1 n – 0.5 n = 1 neutrone utilizzabile

innesco di un’altra fissioneassorbimentoMa…. VA RALLENTATO!!!

“Numerologia” ed esempi

Reattore da 20 MW = 2 107 J / s = 1.2 1026 eV / s = 1.2 1020 MeV / s 1.2 1020 / 180 = 6.7 1017 fissioni / s (ovvero n / s utilizzabili)

(6.7 1017 fissioni / s) x (2.5 n / fissione) = 1.7 1018 n / s rilasciati nel core del reattore

Reattore di Grenoble da 58 MW: 2.0 1018 n / s utilizzabili

Una lampadina da 1 W emette 6 1018 fotoni/s (da 1 eV)

Le sorgenti di neutroni sono scarse innumero di particelle!

nucleo di un elemento pesante(uranio, tantalio…)

protonedi alta energia

(da 10 MeV a 1 GeV)

vari tipi di eccitazione internae espulsione di alcuni neutroni

molto veloci

Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione

“to spall” = “scheggiare”, “sbriciolare”

neutroni veloci

evaporazione: il nucleo si diseccitaemettendo svariate particelle(neutrini, protoni, muoni…) fracui anche circa 20/30 neutroni (perprotone) con energie di ~ 1-2 MeV

VANNO RALLENTATI!!

L’energia rilasciata per neutrone prodotto è “solo” 55 MeV




Di solito i proiettili utilizzati in sorgenti a spallazione sono i protoni.

I protoni di alta energia vengono ottenuti in due stadi:prima si accelerano ioni H- negativi in un acceleratore lineare, poi, dopo l’attraversamento di un sottile strato di allumina “strappa elettroni”, i protoni sono iniettati in un ciclotrone o in un sincrotrone.

Consultiamo l’enciclopedia alla parola sincrotrone …. “… tipo particolare di ciclotrone a campo magnetico variabile …. con il quale è possibile minimizzare effetti “indesiderati” (sfasamento fra frequenza del moto circolare delle particelle e frequenza dell’oscillatore elettrico…) dovuti alla diminuzione della velocità angolare delle particelle per via dell’aumento relativistico della loro massa… Nei moderni sincrotroni si variano ciclicamente (e opportunamente) sia il campo magnetico, sia la frequenza dell’oscillatore elettrico. In questo modo si riesce a mantenere in ogni istante SIA la condizione di risonanza con l’oscillatore elettrico, SIA il raggio della traiettoria costante, con enormi vantaggi economici (“magnete ad anello” ) rispetto al caso del ciclotrone convenzionale (magneti a “D” o comunque molto estesi e costosi).


R = 26 m



Vediamoci un breve filmato….


Questo tipo di sorgente è solitamente (ma non sempre) PULSATAovvero

fornisce neutroni in modo non continuo bensì ad impulsi.La frequenza degli impulsi è tipicamente 50 Hz (50 impulsi al secondo = 1 impulso ogni 20 ms)

“Numerologia” ed esempi

La corrente media di protoni inviata sul target può essere ad esempio 200 A = 4 C 50 Hz (4 C totali di protoni in impulsi lunghi 100 ns, 4 C / 1.6 10-19 C = 2.5 1013 protoni/impulso)

Calcolo per confrontarsi con i reattori: 200 10-6 A / 1.6 10-19 C = 1.25 1015 protoni / s(1.25 1015 spallazioni / s) x (20 n / spallazione) = 2.5 1016 n / s utilizzabili

equivale ad un reattore da circa 1 MW

Attenzione però: la larghezza temporale dell’impulso di neutroni in arrivo su uno strumento dipende dal moderatore

MA lo scattering di neutroni e la strumentazione relativa: su reattore, utilizza solo una piccola parte dei neutroni

in un fascio;su sorgente pulsata, può usarli tutti (in diffrazione a tempo

di volo)

Moderazione dei neutroni Premesse sui valori di energia di tipico interesse

Prima di discutere i metodi utilizzati per portare la velocità dei neutroni ai valori utili per la ricerca in studi sulla materia condensata, classifichiamo le energie e facciamo minimi confronti.

Premessa: classificazione delle energie dei neutroni



Moderazione dei neutroni Un problema in comune…

Il principio su cui si basa la moderazione è lo stesso per qualsiasi sorgente di neutroni:

i neutroni vengono rallentati sfruttando le collisioni con gli atomi leggeri (H, D, Be, C…) di un materiale posto attorno alla sorgente

Un caso estremo:mn= 1.675 10-27 kgM >> mn

mn= 1.675 10-27 kgM ≈ mn

Perché “LEGGERI” ?????

Nella forte approssimazione di urto unidimensionale e frontale con un atomo (di massa M) fermo nel sistema di laboratorio, le condizioni di conservazione di energia cinetica e impulso impongono che la velocità del neutrone rimanga invariata in modulo se M >> mn . Se invece M ≈ mn , allora neutrone e atomo si scambiano le velocità.



Distribuzione dei neutroni “sorgente”VELOCI

Distribuzione dei neutroni TERMICI in equilibrio con il MODERATORE: distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità alla temperatura Tm del moderatore

I(E) ~ E / (k Tm)2 exp [- E / (k Tm)] per E < 200 meV

Si tende all’equilibrio poiché, a basse energie, i neutroni possono sia cedere che acquistare energia nellecollisioni col moderatore (energia neutrone confrontabile con quella delle particelle bersaglio)

Distribuzione dei neutroni EPITERMICI“slowing down region” dove I(E) ~ 1/Edove i neutroni stanno perdendoenergia nel processo di moderazione

Moderazione dei neutroni Spettro in energia su reattore

Moderazione dei neutroni Spettro in energia su reattore

La posizione in energia del picco di intensità nella regione termica può essere variata utilizzando moderatori a temperature diverse.

25 meV per un moderatore a temperatura ambiente (k Ta)SORGENTE TERMICA< 10 meV per un moderatore a BASSA temperaturaSORGENTE FREDDATipicamente H2 o D2 liquido a 20 K

> 100 meV per un moderatore a ALTA temperaturaSORGENTE CALDATipicamente un blocco di grafite a 2000 K



In realtà la temperatura effettiva di equilibrio è superiore (1.5 volte superiore) allatemperatura fisica del moderatore perché l’equilibrio completo non si può raggiungerein un moderatore di dimensioni finite.




Un problema davvero in comune?Ai fini dello scattering di neutroni:la prestazione di un reattore dipende dal flusso ottenuto ad ogni energiala prestazione di una sorgente pulsata dipende dal flusso e dalla larghezza dell’impulso

Su reattore, il sistema sorgente-moderatore viene ottimizzato per avere alto flusso nella regione “termica”. Su sorgente pulsata, per avere impulsi stretti e buon flusso epitermico.

Caso del reattore

(spettro poco esteso in energia)

Il flusso epitermico aumenta “sottomoderando”.

La larghezza dell’impulso è minore “sottomoderando”.

Su sorgenti pulsate i moderatori hanno dimensioni limitate.


Un problema davvero in comune?

TARGET (~ 20 cm!!!)Un moderatore ha dimensioni lineari confrontabili con quelle del TARGET!

Sorgente pulsata a spallazione

Moderazione dei neutroni il caso del reattore

Su reattore la combinazione sorgente-moderatore è scelta in modo da massimizzare il flusso “termico” alla distanza più conveniente dal core. In genere la sorgente viene leggermente sottomoderata a questo scopo.

High abs & scatt.Low abs & scatt.

smaller core

Reattore da 20 MW

(only 7 ‰ 235U)

L’U naturale come combustibile richiede l’uso di D2O per via del basso assorbimento

A parità di potenza, l’U arricchito in H2O dà flusso maggiore per via della maggiordensità di potenza (si può fare core più piccolo)

Un esempio: il reattore di Grenoble

BRISP

40 cmTHE CORE93% enriched 235Usingle fuel elementH2O cooling

Single control rod(central)

D2Omoderator

2.5 m

H2O

Picco di flusso neutronico termicoa ~ 15 cm dal core… E’ QUI che puntanoi beam tube o nel cui intorno sono posizionati materiali per realizzaresorgenti calde o freddeSorgenti fredde e calda

Il reattore di Grenoble

1. Safety rod2. Neutron guide pool3. Reflector4. Double neutron guide5. Vertical cold source6. Core7. Horizontal cold source8. Control rod



Parentesi sull’effetto Cerenkov

(c/n) t

v t

c velocità della luce nel vuoto

c/n velocità della luce nel mezzo

n indice di rifrazione del mezzo

t tempo

cos = c / (n v)

I tubi per il trasporto del fascio neutronico (beam tubes) possono essere disposti radialmente otangenzialmente rispetto al core:

beam tube radiali garantiscono un maggior flusso neutronico, ma al costo di … tanti raggi

beam tube tangenziali riducono l’influenza da raggi , ma al costo di … una perdita di flusso

Beam tubes : per es. al reattore di Monaco

Il trasporto dei neutroni

I neutroni, essendo privi di carica, non sono facilmente deflessi o focalizzati. Subisconotuttavia effetti di gravità.

Il fascio viene in generale “preparato” all’utilizzo tramite l’uso di tubi assorbenti, diaframmi e/o superfici riflettenti.

I dispositivi utilizzati lungo il cammino dei neutroni dal moderatore allo strumentosono principalmente tre:

Black tubesCollimatori SollerGuide



Il trasporto di neutroniBlack tubes

Questi elementi vengono spesso usati per trasportare i neutroni dal moderatore al primocomponente di uno strumento. Quest’ultimo ha di solito dimensioni inferiori rispetto allasorgente e il tubo è perciò convergente, per una prima ‘rozza’ collimazione (2°) .

Sono progettati in modo da:

non moderare o riflettere i neutroni (i.e. sono elementi passivi)

non inviare sul componente neutroni scatterati dalle pareti del tubo (motivo della sporgenza dei dischi assorbitori)

massimizzare l’intensità

I neutroni viaggiano direttamente dal moderatore

al componentecon minimizzazione del fondo

può raggiungere 2°…



Il trasporto di neutroniCollimatori Soller

Sono dispositivi estremamente diffusi per collimare i fasci neutronici e permettono diridurre la divergenza (in un solo piano), a vantaggio della risoluzione dello strumento,pur mantenendo un’area disponibile al fascio piuttosto grande.

Possono ridurre la divergenza del fascio fino a valori anche di soli 0.2°, se la conseguenteperdita di intensità con collimazioni “spinte” non è punitiva per lo strumento/esperimento.

La reale efficienza (alta trasmissione e basso

background) di un Soller è limitata da:

Tipo, spessore, uniformità del materiale assorbitore

Non-idealità delle proprietà geometriche

Materiale delle lamine 10B4C , Gd2O3 …

mescolati in colle o vernici

IDEAL





Il trasporto di neutroniCollimatori Soller

NB: i collimatori per neutroni non sono solo i Soller…

Il trasporto di neutroniGuide

Questi componenti sfruttano il fenomeno della riflessione totale da una superficie lucidain modo da trasportare i neutroni per grandi distanze (10-100 m) senza perdite importanti.

Gli elementi delle guide sono in genere a sezione quadrata (25 cm2) e lunghi 1 m

VANTAGGIPortare il fascio molto lontano dal reattore riduce il background e fornisce molto più spazio per disporre gli strumenti

Su sorgenti pulsate l’uso delle guide consente cammini incidenti lunghi, cruciali per la risoluzione

Mettendo in successione più guide in modo da approssimare un arco di cerchio, si riesce a curvare il fascio in modo da non vedere la sorgente e impedire a neutroni veloci e raggi di raggiungere gli strumentiMa capiamo meglio la riflessione dei

neutroni … Società Italiana di Spettroscopia Neutronica


Il trasporto di neutroniLa riflessione totale

Pseudo-potenziale di Fermi

Un neutrone fuori da un materiale avvertedunque un potenziale medio (N = densità numerica):

Se il neutrone ha energia cinetica inferiore a U non può superare la barriera di potenziale. Viene riflesso dunque se

Rrr b

mV

22

Nbm

U22

NbNbk

hconk

hmvp

Nbmm

kU

m

pancheoUvm

2

2

2

222

1 22222

Un neutrone con >

# sarà= # riflesso

indipendentemente dall’angolo di

incidenza, purché abbia k

non nulla.

Legge di Snell

kc

Questa condizione è sul modulo k poiché corrisponde al caso di incidenza normale. Ma k k per i = / 2, quindi la condizione è in realtà su k nel caso generale di incidenza non normale e per < #


n2=cos2 c

Questo ci porta ad individuare il valore critico kc sotto il quale si ha riflessione totale per incidenza non normale: a bN fissato (materiale riflettente) e k fissato (energia definita del fascio), ciò fornisce il valore di c al di sotto del quale si ha riflessione totale.

Nb2

n2 = 1 – sin2 c = 1 - (kc / k)2= 1 - b N

2/

Inoltre, poiché c è piccolo (tipicamente fra 0.8 e 2 mrad per neutroni da 1 Å e vari materiali),

vale l’approssimazione:

sin c ≈ c = (b N / )1/2 = kc / k e n2 = 1 – c

2

kc





Il valore critico kc (limite superiore per k per avere riflessione totale) dipende da Nb, quindi l’uso di materiali con Nb grande ha due immediati vantaggi:

1)Avere kc grande significa avere c più grandi a parità di energia. La trasmissione di una guida è proporzionale a c

2

2) Avere kc grande permette riflessione totale di neutroni più energetici a parità di angolo.


Possibili materiali

Il trasporto di neutroniGuide curve



L’apetura a e il raggio di curvatura R determinano il valore L0 per la lunghezza della guida che permette di uscire completamente dalla vista dell’apertura di ingresso

L’angolo * può essere associato ad una lunghezza d’onda caratteristica * per un dato materiale.

Le riflessioni a zig-zag danno un fascio ben distribuito all’uscita della guida, ma hanno luogo solo per > *, ovvero quando l’angolo critico è sufficientemente grande da permettere riflessioni da entrambe le pareti.

Argomenti principali

Diffrattometri

Rivelatori per neutroni

Rivelazione dei neutroni

Tipici rivelatori

Efficienza e tempo morto di un rivelatore

Sorgenti di neutroni



La rivelazione dei neutroni

L’assenza di carica rende i neutroni: molto adatti a studi della materia condensata

difficili da rivelare direttamente

La rivelazione dei neutroni si avvale di reazioni nucleari che convertono l’arrivo di un neutrone in un materiale (gassoso o solido) in particelle secondarie rivelabili (elettroni, fotoni). Le reazioni nucleari principalmente utilizzate sono:



7Li(7%) / 7Li* (93%) excit.

2.80

1.33(7%) / 0.84 (93%)

Gas detectors

Mainly used in

10BF3 gas detectors

195

Scintillation detectors

Fission chambers

La rivelazione di neutroniMeccanismi principali

In seguito alla cattura di un neutrone da parte di un nucleo con elevata sezione d’urto di assorbimento, i prodotti di reazione altamente energetici possono:

ionizzare un gas produzione di un enorme numero di coppie (Ione+,e-): RIVELABILE!

creare eccitazioni elettroniche nel materiale ospite (ZnS) con emissione di radiazione elettromagnetica (fotoni): RIVELABILE!



Vi sono vari tipi di rivelatori (davvero!), ma i più importanti sono

gli HRSD



Urge una pausa, giusto?



Spaghetti, pollo, insalatina e una tazzina di caffè …

F. Migliacci, F. Bongusto, “Spaghetti a Detroit”, Ed. Settenote (1968).

Cantata da Fred Bongusto

Human Reaction Sensitive Detectors (HRSD)Piperita Patty: un (mio) mito….

La rivelazione di neutroniContatori a gas

Il gas viene mantenuto in un cilindro metallico munito di due elettrodi. L’anodo centrale viene mantenuto ad alta tensione (1-2 kV). Gli elettroni (primari), generati dalla ionizzazione del gas, sono accelerati dal campo elettrico e raggiungono rapidamente l’anodo, causando una caduta di tensione che può essere misurata.

Se tale caduta ha il valore atteso, ciò testimonia l’arrivo di un neutrone nel detector e l’evento è registrato dall’elettronica.

??




Idealmente, il numero di elettroni che giungono all’anodo (e quindi la caduta di tensione registrata) dovrebbe essere proporzionale (da cui il nome) all’energia Q della reazione nucleare utilizzata, ovvero all’energia rilasciata dalle particelle ionizzanti.

Il segnale analogico in funzione della tensione dell’anodo dovrebbe corrispondere ad una singola riga posizionata ad un valore di tensione più basso della tensione di lavoro dell’anodo, con proporzionale a Q, e, 1/C.

C è la capacità elettrica del rivelatore, nota dalla geometria.

signal

1.5 kV - 1.5 kV

Anode Voltage

Ovviamente non è così….Società Italiana di Spettroscopia Neutronica





Non è così perché….

In realtà il ottenuto in questo modo è piccolo (segnale troppo debole) C’è rumore, sia elettronico che dovuto ai raggi C’è l’effetto “parete”

I raggi producono anch’essi ionizzazione, seppur inferiore a quella prodotta dai frammenti di fissione.

Se non troviamo il modo di aumentare il segnale dovuto ai neutroni, questo sarebbe indistinguibile da quello dei .


Non è così perché….

In realtà il ottenuto in questo modo è piccolo (segnale troppo debole) C’è rumore, sia elettronico che dovuto ai raggi C’è l’effetto “parete”

Ma una soluzione c’è….



Se il campo elettrico fra gli elettrodi supera un valore critico , gli elettroni acquistano un’accelerazione tale da ionizzare a loro volta il gas: moltiplicazione “a valanga” degli elettroni raccolti all’anodo (guadagno: 106). Con opportuna progettazione si può fare in modo che il numero di questi elettroni “secondari” sia proporzionale a quello dei primari, e quindi di nuovo a Q.

Si ottiene segnale forte e facilmente discriminabile dal resto

L’elettronica registra solo quei conteggi che hanno dato tensioni superiori ad un valore di soglia



Cou

nts


La rivelazione di neutroniRivelatori a gas sensibili alla posizione(PSD)

Con un anodo resistivo si può realizzare un rivelatore sensibile (linearmente) alla posizione in cui è stato catturato il neutrone:

PSD unidimensionale

L’impulso di carica indotto dal neutrone viene misurato ai due capi dell’anodo. Metodi possibili:Si misura direttamente la carica confrontando l’altezza degli impulsi in arrivo agli estremiSi misurano i tempi di arrivo degli impulsi agli estremi: x / t1 = (ℓ - x ) / t2

Da cui x = (ℓ t1 ) / (t1 + t2)

tnt1 t2



La rivelazione di neutroniScintillatori

Sono rivelatori:

ECONOMICI

Veloci in risposta (< 100 ns, contro 1-5 s…)

Sottili e adattabili a varie geometrie(adatti per la rivelazione in esperimenti ToF)

Adatti a rate di conteggio elevati(per via della sensibilità ai raggi )



La rivelazione di neutroniRivelatori a gas VS scintillatori

Ma esistono anche i rivelatori a 3He ‘schiacciati’ (squashed)... usati su vari strumenti basati sull’analisi in tempo di volo (ToF)

Sia perché 3He ha una sezione d’urto di assorbimento 5 volte più grande di quella del 6Li alle energie termiche, sia perché le pressioni del gas nel contatore possono raggiungere valori fino a 20 bar (alta densità di assorbitori)



Ma come si quantifica l’efficienza di un rivelatore?E cosa determina la velocità di risposta?

La rivelazione di neutroniEfficienza di un rivelatore

xexpIxI TT 0

0 L

dx

x

I0

asTTT n con

Premessa: trasmissione e assorbimentoUn fascio di neutroni che attraversa un materiale viene attenuato a causa dei due (2) possibili eventi che possono rimuovere neutroni:

assorbimento assorbimento & scatteringscattering. Nel caso ideale in cui un fascio uniforme, collimato, e monocromaticoattraversa un materiale omogeneo in forma di lastra piana, di densitànumerica n, e perpendicolare al fascio, allora l’intensità trasmessa è:

Se il materiale è prevalentemente assorbente (s 0, T a ) la frazione di neutroni rimossi dal fascio è:

LnexpI

IT T

0

T Frazione di neutroni Trasmessi

LnexpTR T11 Frazione di neutroni Rimossi dal fascio per assorbimento e/o scattering

LnexpA a1 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica





L’efficienza è il potere assorbente del rivelatore. Per un rivelatore piatto è dunque proprio il coefficiente A visto prima.

L’efficienza dipende da:a) il particolare materiale assorbente (a) b) la geometria del rivelatorec) Energia dei neutroni (scatterati dal campione e ) che raggiungono il rivelatore

Approssimativamente si usa assumere che l’assorbimento vada come 1/v (v = velocità del neutrone) : “più un neutrone è lento, più tempo trascorre in prossimità di un nucleo, e più è probabile che avvenga la reazione nucleare…” a 1/v

v1 a(v1) = v2 a(v2)

Equivalentemente, si usa dire che l’assorbimento va come la lunghezza d’onda a

a(1) / 1 = a(2) / 2

Le sezioni d’urto di assorbimento dei vari nuclei sono tabulate per neutroni alle energie termiche (th=1.798 Å, vth=2200 m/s, Eth = 25 meV)

Infatti l’assorbimento dipende dall’energia del neutrone


L’efficienza è il potere assorbente del rivelatore. Per un rivelatore piatto è dunque proprio il coefficiente A visto prima.

L’efficienza dipende da:a) il particolare materiale assorbente (a) b) la geometria del rivelatorec) Energia dei neutroni (scatterati dal campione e ) che raggiungono il rivelatore Infatti l’assorbimento dipende dall’energia del neutrone

Per un rivelatore slab di spessore L e contenente gas di densità nD è: Lnexp D 1abs1 1

Per un rivelatore cilindrico (raggio r) perpendicolare al fascio è:

r

y

0

dy

x

L(y)

r

rnexp

yrnexpdyr

D

r

D

1a

0

221a

1

21

21

1

k0

k1

k0 è il vettore d’onda incidente. Il modulo di k0 è k0=2/0

k1 è il vettore d’onda scatterato. Il modulo di k1 è k1=2/1


La rivelazione di neutroniTempo morto di un rivelatore

Dopo la rivelazione di un neutrone, esiste un intervallo di tempo finito durante il quale il rivelatore non è in grado di registrare altri eventi.

Durante questo tempo morto il rivelatore è “cieco” e si assume che neutroni in arrivo sul detector durante il tempo morto non diano luogo ad un ulteriore tempo morto.Il tempo morto dipende tipicamente da:Tipo di rivelatoreVaria elettronica associata

Per un multirivelatore PSD a gas il tempo morto complessivo dipende principalmente da:

Gli amplificatori (tempo di salita dell’impulso ~ 1 s)Tempo necessario per stabilire la posizione di arrivo del neutrone (inclusi confronti incrociati fra più rivelatori, 1-2 s)

Unità di acquisizione (velocità delle schede elettroniche usate)



La rivelazione di neutroniTempo morto di un rivelatore



Dopo la rivelazione di un neutrone, esiste un intervallo di tempo finito durante il quale il rivelatore non è in grado di registrare altri eventi.

Durante questo tempo morto il rivelatore è “cieco” e si assume che neutroni in arrivo sul detector durante il tempo morto non diano luogo ad un ulteriore tempo morto.

Se Sm è il rate di conteggio (n/s) misurato in un tempo T, allora:

Sm T = numero complessivo di neutroni rivelatiSm T = tempo morto totale = Td

Il rate di conteggio corretto per il tempo morto è(detector ideale, =0)

mm

idealm

dideal SS

SS

TT

TS

1

1

La rivelazione di neutroniMultirivelatori, rivelatori 2D…

I neutroni sono diffusi (da un campione isotropo) in tutte le direzioni: perché buttarli via?

Per questo motivo, molti strumenti hanno aree di rivelazione estese. Le configurazioni possibili sono molteplici.

Multirivelatori a gas

“Banana” multi-tubo “Banana” a catodo comuneBidimensionale multi-tubo Bidimensionale a camera comuneNon dimentichiamo il beam stop!



La rivelazione di neutroniMultirivelatori, rivelatori 2D…

Multirivelatori PSD a scintillazionePSD bidimensionale a scintillazione

Giornate Didattiche 2011 Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina 25 – 30 Giugno 2011 Società...

Documents

Transcript of Giornate Didattiche 2011 Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina 25 – 30 Giugno 2011 Società...