Marcello Abbrescia - Universita di Bari

11Marcello Abbrescia - Universita di Bari

2 Marcello Abbrescia - Universitá di Bari, Italy

XVII Seminario Nazionale di XVII Seminario Nazionale di Fisica Nucleare e Fisica Nucleare e

SubnucleareSubnucleareOtranto, Serra degli Alimini,Otranto, Serra degli Alimini,

20-26 Settembre 200420-26 Settembre 2004

Il problemaIl problema

E’ uno dei residui piu’ odiosi delle guerre: E’ un'arma di distruzione di massa ad azione lenta; a differenza dei proiettili e delle bombe, le mine anti-uomo non hanno un bersaglio.

La rivelazione delle mine anti-uomo

20 milioni di mine in AFGHANISTAN

6 milioni in KUWAIT

7 milioni in KURDISTAN

6 milioni in BOSNIA, una mina ogni abitante e mezzo

89 milioni nel resto del mondo.

Sono tante:

Le mine sono mutate nel tempo ma alcune loro caratteristiche fondamentali sono rimaste uguali e sempre tali da rendere l’ordigno poco costoso ma di grande efficacia operativa.

Tutte le mine sono caratterizzate da:

costi di fabbricazione e di gestione piuttosto contenuti;

difficoltà di rilevamento ed eliminazione;

minimo costo e massima efficacia;

forma, dimensioni e caratteristiche tali da creare nel combattente un elevato senso di insicurezza.





Qualche numero ...Qualche numero ...

MINE ANTI-UOMO INESPLOSE 100.000.000

PERSONE MUTILATE O UCCISE OGNI ANNO 15.000

(~300 ogni settimana)

COSTO MEDIO DI UNA MINA Euro 10

COSTO MEDIO PER DISATTIVARLA Euro 500

MINE PRODOTTE OGNI ANNO 10.000.000

PAESI CON MINE ANTI-UOMO 62

MAGGIORI PRODUTTORI paesi ex Unione SovieticaCinaun tempo … Italia (~ 3%)

PAESI PIU' COLPITI CambogiaAfganistanAngolaMozambicoex JugoslaviaSudanSomalia EL-SalvadorKurdistanKuwait

Mine anti - uomo piu’ diffuse: MRUDPFM MON 100 e MON 200PMA-2A PMA-3OZM-3MAUSSB-33VALMARA 69





La maniera per rivelarle ...La maniera per rivelarle ...

Rivelare le mine anti-uomo e’ difficile:

alcune sono fatte di materiale plastico ed esplosivo: niente metalli. Molte sono costruite per esplodere non dopo un singolo urto, ma dopo aver subito ripetuti urti e contatti.I metodi di rastrellamento (di tipo meccanico) del terreno possono non essere adeguati

Metal Detector insufficiente!

Molto spesso il metodo piu’efficace e’ questo!

Nell’ambito del quinto progetto quadro della comunità europea

una comunità di fisici internazionali ha proposto nuovi

metodi e strumenti di rivelazione: collaborazione DIAMINE





Il metodoIl metodo

GroundLandmine

252Cf source

Cosmics

and “fast” n RPC

Thermal n

I metodi di bakscattering si basano sulla rivelazione particelle che sono state emesseda una sorgente, hanno interagito nel suolo e riemergono da esso

Ad esempio:

252Cf n veloci

Il goal è rivelare neutroni termalizzati nel terreno

A volte, si possono usare metodi piu’ intelligenti (e sicuri) del metal detector...





Il segnale ...Il segnale ...

Per cercare di capire se il segnale e’ sufficiente in genere si ricorre a tecnichetipo Monte Carlo; in questo caso GEANT 3.18





La localizzazione del segnaleLa localizzazione del segnale

Il segnale e’ ben localizzato nei pressi della mina

Camera 40 x 40 cm2

Sulla camera incidono:

Dal suolo (nel caso della mina più piccola): 800 neutroni termici/s se c’e’ la mina 400 neutroni termici/s se non c’e’ la mina

Il segnale da rivelare e’ 400 n/s





Come si rivelano i neutroniCome si rivelano i neutroni

I neutroni, essendo particelle neutre e, quindi non ionizzanti, possono essere rivelati

solo dopo l’interazione in un materiale

“convertitore”

produzione di particelle secondarie ionizzanti





Sezione d’urto totale ai neutroniSezione d’urto totale ai neutroni

Si possono usare un certo numero di reazioni per rivelare i neutroni lenti: ad esempio:

La sezione d’urto, per tutti questi, materiale, esibisce un andamento del tipo: 1/v

E’ cio’ che ci serve:molto sensibili ai n termici poco sensibili ai n veloci





Tipi di convertitoriTipi di convertitori

Il Cd non produce particelle secondarie ionizzanti

L’ 3He (o il BF3) sono convertitori gassosi, e sono molto usati allo stesso tempo come convertitori e come gas in cui avvengono i processi di moltiplicazione per la generazione di un segnale rivelabile.

32He +

10n

31H + 1

1p 0.764 MeV

I convertitori solidi hanno il vantaggio, rispetto ai convertitori gassosi della maggiore densità:

Sezione d’urto macroscopica: = N (N: # centri di scattering/cm3)





Rivelatori a gas con convertitori solidiRivelatori a gas con convertitori solidi

Hanno lo svantaggio che la particella prodotta dalla conversionedeve sfuggire dal convertitore ed entrare nel volume attivodel rivelatore per essere rivelata.

Compromesso tra:maggiore probabilità di

conversione

grande spessore

maggiore probabilità di fuga

piccolo spessore





Il 10BIl 10B

I convertitori solidi che, in assoluto, hanno la sezione d’urto più grande:157Gd: 250

kbarn 155Gd: 75 kbarn 10B: 3.8 kbarn

(è naturale usare questi materiali…)

Il 10B è presente nel B naturale al 19.7%, ma ottenere Boro arricchito (>90%) in 10B è relativamente semplice e poco costoso

105B +

10n

73Li +

4273Li* + 4

2

1.78 MeV (ground state) 6.3%

1.47 MeV (excited state) 93.7%

Le prodotte hanno un range nel 10B di 3-4 m

Massimo spessore utilizzabile





157Gd157Gd

In assoluto, il materiale che presenta la piu’ elevata sezione d’urto: 1401 cm-1 (~50 kbarn) per i neutroni termici e’ il Gadolinio, in particolare il 157Gd (~20%dell’abbondanza naturale)

Dopo la cattura di un neutrone termico, il Gd (naturale) emette, nel 60% dei casi, un elettrone di conversione

Energia (keV) Elettroni/cattura (%)

29 9.8239 4.1971 26.8078 6.1781 4.9788 1.16131 3.41149 0.84173 1.46180 0.31191 0.30198 0.06228 0.40246 0.02

Range in Gd ~ 20 m

~ 250 kBarn





Confronto nat.Gd con 10BConfronto nat.Gd con 10B

Tuttavia … e’ molto difficile e costoso ottenere Gd arricchito in 157Gd (materiale di interesse strategico)

Mass No. %152 0.2154 2.2155 14.8156 20.5157 15.7158 24.8160 21.8

gli isotopi interessanti sono circa il 30%

Si ricorre al Gd naturale, che ha la seguente composizione isotopica

•Il Gd naturale ha una per i termici (50 kbarn) 12 volte superiore alla (3840 barn) del 10B•Il range degli elettroni prodotti e’ > di quello delle alfa•Dopo E=100 meV la sezione d’urto del Gd diminuisce molto più rapidamente di quella del 10B.•Per E1 eV è minore di quella del 10B

In queste applicazioni il Gd è da preferire rispetto al 10B





Il materialeIl materiale

Il Gd è un metallo, che reagisce debolmente in aria umida, ossidandosi. E’ poco costoso, tranne quando richiesto in piccoli spessori (dell’ordine del m) .

L’ Ossido di Gadolino Gd2O3 (volg. detto “Gadolina”) è polvere bianca inerte (facile da maneggiare), con granuli di diametro 1-3 m, poco costosa.

L’ Ossido di Gadolino Gd2O3 (volg. detto “Gadolina”) è polvere bianca inerte (facile da maneggiare), con granuli di diametro 1-3 m, poco costosa.

Commercialmente, il Gd si trova sostanzialmente sotto due forme …





Ottimizzazione del materialeOttimizzazione del materiale

Bisgno trovare uno spessore “ottimale” che soddisfi entrambe le esigenze

Gas

Gd

n

e-

Due processi in competizione:assorbimento dei n termiciemissione degli e-

“grande” spessore“piccolo” spessore

Ingredienti del programma:

•distribuzione angolare dei neutroni termici incidenti (~random, angolo massimo)•sezione d’urto di conversione per i n termici•distribuzione di probabilita’, spettro e range degli e- di conversione

Neutroni interagenti

Elettroni in uscita

Efficienza di rivelazione





Ottimizzazione del materiale…2Ottimizzazione del materiale…2

Nota: l’uscita degli elettroni dal Gd non e’ isotropa

Spessore piccolo rispetto al range:non c’e’ alcuna differenza

La maggior parte delle conversioni avvieneall’inizio del foglio di Gd

Gd

Gd

n

e-

Spessore “grande”:gli elettroni devono percorrerein avanti un tragitto lungo: sfavoriti

Spessore “grande”:solo gli elettroni prodottientro ~15 m contribuiscono alflusso all’indietro Gas





Il risultato finale ...Il risultato finale ...

Facciamo i conti (per un rivelatore 10 x 10 cm2 ed una PMA-2):

Spessore ottimale ~ 10 mEfficienza di conversione ~ 80% Efficienza di rivelazione: 30-35%

Neutroni dalla mina incidenti sul rivelatore: ~400 n/s Segnale ~ 130 hit/s

Sorgenti di rumore

Dai cosmici: 100 Hz/m2

Rumore “intrinseco” della camera:Avalanche mode: 1 Hz/cm2

Streamer mode: 0.1 Hz/cm2

Un RPC standard e’ caratterizzato da:

Dalla sorgente: 105 neutroni veloci/s (<E> 2.14 MeV) 5 × 105 /s ( 10 keV < E < 2 MeV)

Sensitivita’ ai 10-3

Sensistivita’ ai n 10-4

5 × 102 hit/s

10 hit/s

1 hit/s su tutta la camera

10 (100) hit/s

GroundLandmine

252Cf source

Cosmics

and “fast” n RPC

Thermal n





E’ possibile costruire un rivelatoreadatto alle esigenze?

E’ possibile costruire un rivelatoreadatto alle esigenze?

Riassumendo: 5 × 102

n veloci 10cosmici 1 rumore 10 hit/s

Totale 5 × 102 hit/s

Soluzioni (?):: ridurre Z e lo spessore del materiale

(fino a 20 m per strato)n: ridurre lo spessoreEntrambi: allontanare il piu’ possibile la sorgente dal rivelatore

e, possibilmente, “taggarla” Rumore: usare il modo streamer mode ad alta soglia ed

un’elettronica noise-freeCosmici: usare tecniche di anti-coincidenza





Un possibile schema di principioUn possibile schema di principio

Telai di sostegno (PVC o vetronite)

Foglio di Gd a -HV(spessore 12m)

GND + segnale

Mylar alluminato

spess.=12 m

Telaio esterno

1 gap

2 gap

Il foglio di convertitore in Gadolinio e’ il cuore del sistema; deve essere al centro di due zone dirivelazione, per essere sensibili sia agli elettroni in avanti che a quelli all’indietro

Gli elettrodi sono fatti con fogli molto sottili di mylar alluminato: materiale facile da reperirecommercialmente e dalle caratteristiche adeguate

L’idea é eliminare tutto quello che “non serve” e lasciare solo il materiale strettamente necessario





Un possibile schema di principioUn possibile schema di principio

Frame di vetronite

Mylar+Gadolinio

Gap

Elettrodo di lettura

Fori per la circolazione del gas





La fase esecutiva ...La fase esecutiva ...

I fogli di mylar devono essere tesi ”come la pelle di un tamburo” su dei frames piu’ resistenti di vetronite

Deve essere realizzata una scatolaper contenere il tutto





I pezzi in fase di costruzioneI pezzi in fase di costruzione





Il rivelatore (quasi ...) finitoIl rivelatore (quasi ...) finito

In linea di principio è il rivelatore ideale per questi scopi … praticamente … non si potrebbe fare di meglio. I risultati ? …





… I risultati… I risultati





Un metodo alternativoUn metodo alternativo

Si tratta di realizzare lo strato di convertitore con Gd2O3 mescolato con con olio di lino, e spruzzare la miscela sulla bakelite, poi usata per realizzare RPC di tipo standard.

L’olio di lino viene regolarmente usato sulle superfici interne degli RPC realizzati in bakelite (ma viene deposto in maniera diversa).Superfici a specchio …





I vantaggi del metodoI vantaggi del metodo

1. Si realizzano strati estremamente uniformi, con spessore e densità molto costanti

2. Non si alterano le proprietà elettriche (resistività superficiale) degli elettrodi di bakelite

3. E’ un metodo facilmente realizzabile su grandi dimensioni

4. E’ applicabile su scala industriale (come è richiesto dal progetto DIAMINE), e le industrie hanno grande esperienza a riguardo: è lo stesso sistema che si usa per verniciare le automobili …

4. E’ applicabile su scala industriale (come è richiesto dal progetto DIAMINE), e le industrie hanno grande esperienza a riguardo: è lo stesso sistema che si usa per verniciare le automobili …





Qualora qualcuno abbia qualche dubbio…

Qualora qualcuno abbia qualche dubbio…

... sulla rilevanza e la dignita’ scientifica di questo metodo, ecco il frontespizio di unatesi fatta ad HarvardViene esposto un

metodoper realizzare uno strato di resina epossidica con 10B





Le camereLe camere

2 con una concentrazione diversa di miscela olio-Gd2O3

3 RPC di dimensioni 10x10 cm2

GasAlta tensione

Lettura segnale

1 senza Gd2O3, usato come riferimento





Come continua la storia …Come continua la storia …

Le camere sono state portate a Geel, dove abbiamo usufruito di

GELINAGeel Electron Linear AcceleratorUn fascio di e- su bersaglio di Uranio produce, per Bremsstrahlung, che a loro volta, producono, per mezzo di reazioni fotonucleari, neutroni

Energia: da pochi meV a 20 Mev12 flightpath: da 8 a 200 m

Yield di picco: 4.5x1019 n/s Yield medio3.4x10x11 n/s





Come funziona il sistemaCome funziona il sistema

U

e-

RPC

CI

TDC1

TDC2

t0 start DAQ

tn stop a TDC

multihit





Come funziona il sistema …2Come funziona il sistema …2

t0: tempo di arrivo del bunch di e- sull’Uranio + ritardi

segnale di start di due TDC multihit (0.5 ns/bin)

2 TDC multihit, ciascuno ad 1 canaleRPCCamera Ionizzazione

DAQ separato per CI ed RPC

CI: due strati di 10B da 0.35 m ciascuno RPC: in sequenza RPC-GdB, RPC-GdNB, RPC-Olio, OR(RPC-GdB+RPC-GdNB)






Condizioni di operazione: un burst di e- ogni 10 ms (100 Hz)

tmax = 10 ms (100 Hz) Emin=11.7 meV tmax = 1.25 ms (800 Hz) Emin=748 meV

Tempo massimo di acquisizione/burst = 10 ms

Tempo massimo tmax tra la prima: flash e l’ultima particella: n lento

10 ms

2min

22

min 2

1

2

1

t

smmvE






tn-to

tempo di volo dei neutroni

tn-to

tempo di volo dei neutroni

L’energia dei neutroni si determina facendo riferimento al

(++ tutti i ritardi dovuti a cavi, elettronica, etc.)

limite della risoluzione in energiaburst lunghi 14 ns





Le camere a GeelLe camere a Geel

“Trespolo” in materiale plastico (anche gli RPC in materiale plastico…)

Configurazione “backward”

Flightpath=15 m(CI = 13.5 m)

ne-

e-

Gd2O

3

RPC





Lo spessore non è importanteLo spessore non è importante

e- backward

Poiche’ l’intensita’ dei neutroni, nel Gd, decresce esponenzialmente, solo il “primo strato”

“partecipa” alla conversione

Gli e-, all’indietro, hanno lo stesso spessore da attraversare





Un po’ di raw dataUn po’ di raw data

Camera Ionizzazione

RPC Gd

Sono eventi di cui si

conosce il tempo rispetto al

t0Spettri raccolti contemporaneamente per RPC e CI

confronto fra i RPC e CI

Due regioni:• n termici• risonanze





Un po’ di raw data 2Un po’ di raw data 2

Camera Ionizzazione

RPC Gd

Spettri nella zona delle risonanze (pochi eV)

Sono sfasati perché:1. la base di volo è

diversa tra RPC e CI

2. i ritardi sono diversi

Sono risonanze dovute alla presenza di filtri sul fascio: W, Na, Ag, S, Co





Come si passa dai tempi alle energieCome si passa dai tempi alle energie

Si può fare con il flash: c’è bisogno di un set-up particolare (perché in genere si maschera il gamma flash giocando con i ritardi, in maniera che arrivi prima del t0)

Si può fare facendo riferimento ad una risonanza

Si fa riferimento a particelle di energia nota

T.O.F. noto

ritardi del sistema energie delle altre particelle





…cioè … calibrazione…cioè … calibrazione

Si toglie e si mette un filtro e si vede quale picco scompare

Si fa separatamente per CI ed RPC

energia della risonanza

Meglio fare riferimento ad una risonanza, perché le condizioni sono più simili a quelle di operazione nella regione dei termici

2

21

ms

t

EE

rifPer le altre energie…





Cosa si ottieneCosa si ottiene

I due spettri adesso sono calibrati = energia delle risonanze coincidenti

Risoluzione in energia peggiore per l’RPC

Presenza di picchi nello spettro:picchi della sezione d’urto del Gd

AgW





Perchè la risoluzione in energia è peggiore

Perchè la risoluzione in energia è peggiore

• Efficienza di conversione Gd è minore per EeV (sezione d’urto minore): meno eventi, quindi meno statistica

• Fondo misurato circa 6-9 volte maggiore vicino RPC rispetto alla zona della CI: circa 1-1.5 Sv per la CI, circa 9 Sv RPC (dose di

neutroni). Si tratta di neutroni “fuori tempo” perché non provengono direttamente dal fascio, ma da altre zone (schermo di B a valle delle camere, altre zone di scattering, etc.)

• Il trespolo e le camere sono di materiale plastico: ancorascattering: neutroni fuori tempo





La regione dei termiciLa regione dei termici

Efficienza relativa:

CI

RPCrel N

N

Efficienza di conversione del 10B: nota

Ad “occhio” 2.5-3





Il fondo della misuraIl fondo della misura

Un limite superiore per il fondo delle nostre camere si può

ottenere:esaminando i run acquisiti con la camera senza Gd In questo caso gli eventi nella regione dei termici

sono:

1. Rumore della camera2. Neutroni che convertono in qualche maniera nella

bakelite o nel gas (prob. di conversione 10-3)3. Neutroni fuori tempo (del fondo)





Il fondo della misura 2Il fondo della misura 2

Altra maniera: un filtro di Cd opaco per i neutroni con

Ecin< 0.5 eV(“cutoff” del Cd)

Vantaggi: •dati provenienti dalla stessa camera (anche CI)•nelle stesse condizioniRumore distribuito in maniera uniforme in tempo non in energia





EfficienzaEfficienza

Tolto in fondo …

Efficienza integrale

Efficienza differenziale

E

E CI

RPC

N

NE

min

)(

dEE

E CI

RPC

N

NE)(





EfficienzaEfficienza

… Facendo riferimento alla CI

Si ottiene, in assoluto, la migliore efficienza ai neutroni termici per convertitori solidi





ConclusioniConclusioni

• Abbiamo sviluppato un metodo semplice (adatto per applicazioni industriali) ma efficace, per fare

degli RPC dei rivelatori di neutroni termici

• Su due rivelatori costruiti, due funzionano …• Entrambi hanno un’efficienza > 2.5 eff. CI• In “OR” l’efficienza raggiunta è attorno a 3.5-4 eff. CI

• Sono rivelatori facili da costruire, robusti, leggeri, economici, etc.





E questa e’ la fine della storia ...E questa e’ la fine della storia ...

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