Photo-Neutron Facility (PNF) · Photo-Neutron Facility (PNF) ... 3.2 Neutron Compton scattering by...

Roma, 19 Novembre 2004 Sergio Bartalucci INFN - Gruppo V 1

Photo-Neutron Facility (PNF)

Proposta di uno studio di fattibilità di una sorgente dineutroni per misure con il metodo del tempo di volo

1. Perché realizzare una sorgente di neutroni ai LNF?2. Quali caratteristiche la rendono speciale?3. Su quali acceleratori realizzarla?4. Perché c’è bisogno di uno studio di fattibilità?5. Qual’è il programma a breve e a lungo termine?


Photoneutron Source

Physics: γ by bremsstrahlung in high-Z materialsExcitation of giant photonuclear resonance in the(γ, n) reaction above neutron emission threshold(~ 8 MeV for high A, 16-18 for O-C nuclei)Peak cross sections 100 times higher for high AResonance peak ~ 14 ÷ 18 MeV for medium massand heavy nuclei

16O(γ,n) 15O

Evaporation (compound nucleus, isotropical)+ direct emission component (peaked at 90˚) compared with fission neutrons

Maxwellian spectrum

dNdE

n

=En

T 2exp− (En T )


Neutron Radiator

Swanson’s formula at high energy: Y(E0)/Pbeam = 1.2•1011 •Z 0.66 neutrons/(s • kW)

Y E0( ) = NρA

σnkth

E0

∫ k( ) dLγ

dkE0, k( )dk

σn k( ) = σ γ , n( ) +σ γ ,np( ) + 2σ γ ,2n( ) + ...

Neutron yield per incident electronMonolayer, semi-infinite target


Present Photoneutron Major Facilities

•ORELA (Oak Ridge Nat. Labs) E = 180 MeV (max), Total intensity = 8.0•1013 neutrons/smaximum beam power 50 kW on a Ta target

NUCLEAR ASTROPHYSICS•GELINA (EU J.R.C., IRMM, Geel, Belgium) E = 100 MeV, Intensity = 3.4•1013 neutrons/sat ~ 10 kW on a U-target, Energy Range few meV ÷ 20 MeVNEUTRON σ MEASUREMENT•IBR-30 (JINR, Dubna) E =40 MeV, Intensity = 4.5•1014 neutrons/s, with multiplicationtarget NUCLEAR DATA ASSESSMENT•Pohang Test Linac (KAERI, South Korea), E = 100 MeV, Intensity = 2.0•1012 neutrons/s

NEUTRON σ MEASUREMENTS (FISSION TECHN.)

In progress:•Project of a Neutron Radiator for the ELBE Linac (ForschungsZentrum Rossendorf,Germany), E = 30 ÷ 40 MeV, max. beam power = 40 kW NEUTRON σ MEASUREMENTS (ITER)


Neutron cross section measurement with TOF method: Linacs vs. Spallation Sources

* P. Rullhusen, Talk given in 2001) EC-JRC,IRMM, B-2440 Geel, Belgium ** D. Ridikas et al.,“A prototype beta compensated reactor etc.”, PHYSOR 2002, Seoul, Korea, October 7-10, 2002

But costs are much lower!

e– Linacs rather complementary thandefinitely inferior to Spallation Sources**

Φ ∼ 1/L2 , ΔΕ=δΕ/Ε ∼ √Ε/L FOM=Φ/ΔΕ2

Comparison Spallation / Photonuclear

y = 0.1827x 0.1626

y = 0.0759x 0.1446

0

1

10

100

1 000

1.E+12 1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17 1.E+18 1.E+19

Neutron Flux (n/s)

SPALLATIONPHOTONUCLEAR

**


Moderation effects

Slowing down means artificial path lengthening λ Spread in the moderation time induces an apparentsource length Δλ, which affects energy resolution

Elastic scattering (E<100keV) region:High A materials: High λLead block λ=5.7 m, Δλ = 0.33 mHydrogenoid material:very strongreductionin speed v hence in Δλ= v δtat a price of reduction in flux

ΔEE

= 2Δtt

2

+ΔLL

2

1 2

=2L

ΔL( )2

+2c2

Mn

E Δt( )2

1 2

ΔLL

=Δλ

λ + L

TOF energy resolution

1 ns pulse

CERN n_TOF


CERN n_TOF vs. Linac: Flux

Comparativeperformances:• Average flux vs. neutron energy• Energy resolution function• Neutron and γ backgroundBut also: measurement of smalland/or radioactive samples(Nuclear Astrophysics)


CERN n_TOF vs. Linac : Resolution

MC calculations by Coceva et al. (ENEA- Bo)

Source length λ (or D) distributionsBackground due to delayed neutronemissionimpossible to reduceReliability of simulations confirmed byresonance analysis in FeFigure of meritNeutron flux at a given energy resolution


FLUKA simulations: small source effects


Special features of Linac driven sources

Good time resolution for ~0.1 ÷ 1 MeV neutrons, so short flightpaths

Small targets because of small beams, so higher flux at the same energy resolution

Non-parasitic, rather saprophytic running on a FEL devoted Linac


ELBE layout


Applications of Neutron Beams

• Establishing a nuclear data system for advanced studies in fission and fusion reactors: a lotof data on new materials for nuclear technology (e.g.control rods, ITER shielding system)required!

• Reference Measurements for Neutron Data Standards: contribution to existing databasesof NEA/OECD and IAEA; High Priority Nuclear Data Request List (HPRL), compiled byNEA, with several requests from Italy

• Neutron cross-section measurements for environmental protection: nuclear waste disposal;again lack of data due to little interest in the past and scarce availability of radioactivesamples

• Developing instrumentation for present and future spallation facilities and testing of newdetector concepts: perhaps interesting also to HEP

• Testing and improving models in experimental neutron nuclear astrophysics: existingfacilities are unable to fulfill the requirements

• Neutron Dosimetry: data on electroproduction of neutrons at medical accelerators,assessment of doses to aircraft crews


Fundamental Physics at neutron facilities

• the nature of time reversal non-invariance and the origin of the cosmologicalbaryon asymmetry

CP (hence T) violation: detailed investigation of neutron β-decay (search for T-oddcorrelation coefficients);

Electric Dipole Moment measurement (1st example outside the system) onUltra Cold Neutrons

• the nature of the electroweak theory and the origin of parity violationLeft-handedness of nature: upper limit on right-handed neutrinos ;search for exotic neutron decay: n →Η +(one of the four H hyperfine states cannot be populated at all if the neutrinos are completely

left-handed)• the question of charge independence of nuclear forcesNeutron-neutron scattering length aNN : is a direct measurement possible?• Investigation on several other possible experiments is in progress !

ν e

Κ0 − Κ0


Possible topics of fundamental physics research with neutrons

3. Quantum mechanics connected research3.1 Entanglement in quantum systems3.2 Neutron Compton scattering by entangled systems3.3 Reconstruction of the spin state3.4 Decoherence within a single atom3.5 Coherence properties of cold and thermal neutrons3.6 Coherent neutron-scattering length3.7 Quantum phase in matter-wave optics3.8 Matter-wave optics in the time domain3.9 Interference and distinguishability in quantum mechanics3.10 Interaction-free measurement in neutron interferometry3.11 Neutron multiwave interference3.12 Zeno effect3.13 Aharonov-Bohm effect3.14 Fizeau effect

4. Others4.1 Three – nucleon forces4.1 Astrophysical relevant neutron capture4.1 Neutron acceleration4.1 Neutron pumped gamma–ray lasers

1. Gravitation connected research1.1. Quantum states of neutrons in the Earth’s

gravitational field1.2. Additional dimensions in the universe1.3. Earth’s rotating frequency fluctuations1.4. Possible interaction between the torsion of space-

time and the spin of the neutron1.5. Possible local-ether interpretation of matter wave

interference experiments1.6. Gravitomagnetic clock effect on the Earth1.7. Neutron quantum interference in noninertial

frames1.8. Gravitationally induced quantum interference

2. Fundamental properties connected2.1 Electric dipole moment of the neutron2.2 Neutron decay2.3 CPT theorem2.4 Nuclear uncertainties in experiments on atomic

parity violation with isotopic chains2.5 Experimental limit for the charge of the free

neutron2.6 Hypothetical interacting bosons2.7 Electric polarizability of the neutron2.8 Monopole detection capabilities2.9 Neutron – antineutron oscillations


Neutron source location: BTF and SPARXINO


SPARC Injector + DASPARC Injector + DAΦΦNE LinacNE LinacSPARXINOSPARXINO

a 10 nm SASE FEL source at LNFa 10 nm SASE FEL source at LNF


A comparison of present/future scenarios

* Data from “Progetto SPARX”, http://www.frascati.enea.it/SPARX/sparx.pdf** Tantalum target *** from NIM A 507(2003), 502-506.

6.0•105

185

1/2.4

7•1012p/bunch

2.0•104

CERNn_TOF

2003.63.63.6Flight path (m)for ΔE/E ~1%

~ 107

5. • 1017

1.4 10-3

50

50001334

ESS

~1.0•106~ 5.0•105106 ÷ 107Neutron flux(n/s/cm2)

1.0•1012

1.0•10-5

2.0@250 MeV50

1

0.5@250 MeV250 ÷750

DAΦNELINAC

1.6•10123.0•10141.7•10136•1013Neutron yield** n/s

11350 •10-6~ 0.09÷36.3Pulse length (ms)

0.8583.31000Mean current (µA)50510025 ÷ 100Rep. rate (Hz)1010102 ÷ 10Bunch length (ps)1011500351176 ÷ 471000Bunches/pulse

~ 1600~ 1000~ 100077Bunch charge (pC)0.81448.330÷ 40Beam power (kW)

~ 10002500250030÷ 40Energy(MeV)

SPARXINOSPARX

SC*SPARX

NC*ELBE-FZR

DresdenAccelerator


Preliminary simulations with MCNPX

Transit time of elastic wavesT=r/v ~ 100 ns >> pulselength=10psStresses are generated!

Calculations of flow and heat transfer distributionsare necessary, especially for liquid metal targetsComputational Fluidodynamics + Stress and StrainAnalysis are required!

ΔTAV [0C] =

I AV [A] × ΔE[eV ]

4.18 × c[cal / s/0C]= 83 × IAV [µA]0C

Tantalum target with nosegmentation with r=2.5 cmL=4.1 cm (10 r.l.)


Work Planning

Design of the neutron radiator (within 1 – 1 1/2 year from Oct. 2004):

•Neutron producing material(s) (solid metal, liquid metal or…)•Target geometry and mechanical structure (rotating or …)•Choice of proper moderator(s) and effects on the n beam

•Accurate simulations (EGS4 , FLUKA, MCNP) of neutron flux, energy and time spectra•Proper evaluation of particle background (γ's, ambient and uncorrelated n’s)•Impact of the induced radioactivity on the BTF experimental hall and required shielding•Impact of beam degradation due to FEL oscillation on the neutron source

Design of the neutron beamline (within 3 years, much dependent on collaboration strengthening):

•Realization of a prototype and testing•Implementation of detectors (3He ionization and/or fast scintillators)•Measurement of standard capture and fission cross sections: 10B(n, α)7Li, 6Li(n, α)3H,

197Au(n, γ) 197Au, standard from 0.2 to 3.5 MeVto determine neutron fluence and energy resolution vs kinetic energy•Evaluation of different background components: capture cross-section with specific features

To maximize neutron flux for a given TOF resolutionTo keep thermo-mechanical stress low and guarantee long-term stabilityConstruction/acquisition costs

} Criteria:


Rappresentante Nazionale: Sergio BartalucciStruttura di Appartenenza: LNFPosizione nell’INFN:Ricercatore dipendente

5

Sergio Bartalucci

Progetto e realizzazione di una sorgente di neutroni da fasci di elettroni

LNF

DAΦNE Linac

BTF

Produzione di neutroni da e- via bremsstrahlung e fotoeccitazione della GDR neinuclei pesanti; foto- ed elettro-produzione diretta di neutroni ad alta energia ~ 1GeV

Da costruire

LNF

Institute of Nuclear Physics – Polish Academy of Sciences, Krakow

3 anni

Studio di fattibilità ed ottimizzazione del sistema


LNF

Sergio Bartalucci

5

Collaboration meeting

Conferenze, workshop, collaboration meeting

Workstation per simulazioni FLUKA/MCNP e periferiche annesse

Conferenze, workshop, contatti tecnici con aziende

7

8

7

10

8

7

10

7

52

Acquisizione/Noleggio codici di calcolo pervalutazione stress termomeccanici nella targhettaStress termomeccanici

20 20


Sorgente di neutroni da fasci primari di elettroni per misure di tempo di volo

La generazione di neutroni da fasci di elettroni accelerati fino ad energie di ~ 150 MeV è un processo ben conosciuto,che ha condotto nel passato alla realizzazione in varii laboratori nel mondo d’importanti facilities, a tutt’oggi largamenteutilizzate per misure di sezioni d’urto con il metodo del tempo di volo (TOF).Le caratteristiche di tali fasci, tuttavia, dipendono sensibilmente per energie ~ 1 MeV ed oltre dalla struttura temporaledel fascio primario, che costituisce un limite alla risoluzione energetica ottenibile.I recenti progressi nella realizzazione d’impulsi di elettroni ultracorti (στ < 10 ps ) e molto densi (Q ~ 1nC) e quindi dialte potenze di picco, che si sono avuti nei programmi di ricerca dedicati ai FEL, offrono la possibilità di svilupparefasci di neutroni con caratteristiche innovative. A ciò si aggiunga la possibilità di sviluppare tali sorgenti su Linacsuperconduttori, che permettono la realizzazioni di fasci di elettroni con alte potenze medie e di picco, e quindi altiflussi di neutroni, medii e di picco. A questo proposito occorre citare il caso del SC Linac ELBE, in funzione presso illaboratorio tedesco di Rossendorf, dove è in fase di avanzata progettazione una sorgente di neutroni che permette misureTOF con flussi dell’ordine di 106 n/cm2•sec ad energie fino a 3 MeV e una risoluzione energetica ΔE/E = 1% [1]. Talicaratteristiche la rendono del tutto competitiva in quella zona di energia con facilities ben più ingombranti e costose,come la sorgente europea di neutroni di spallazione (ESS). Se infatti il meccanismo di spallazione da fasci di protoni èmolto più efficiente (di almeno 3 ordini di grandezza a parità di potenza nel fascio) nella produzione di neutroni rispettoalla fotoproduzione via eccitazione della risonanza gigante dipolare (GDR), quello che conta per gli esperimenti, più chel’intensità totale, è il flusso che è determinato anche dalle dimensioni del fascio incidente e del bersaglio in cui vengonogenerati i neutroni.La possibilità di operare con bersagli di piccole dimensioni favorisce insolitamente gli elettroni rispetto ai protoni,purchè si riesca a contenere gli stress termomeccanici indotti nel bersaglio stesso. Come si è visto in alcune simulazionipreliminari [2], questo compito risulta assai più facile nel caso di energie del fascio primario dell’ordine di 1 GeV, comeai LNF, in confronto al caso di ELBE, dove la corrente media è assai elevata ~ 1mA, ma l’energia è bassa, 40 MeV, equindi il design del bersaglio è risultato assai difficoltoso.Un altro vantaggio rispetto alle macchine dedicate consiste nel fatto che la sorgente di neutroni, essendo collocata avalle della zona in cui avviene l’oscillazione FEL, può essere operata in parallelo all’attività sul FEL stesso, senzainteferire minimamente purchè l’energia del fascio sia sufficientemente alta da minimizzare gli effetti di ‘emittancedilution’ (cosa impossibile ad ELBE). Quindi valorizza ulteriormente l’investimento umano ed economico nellacostruzione di un Linac dedicato al FEL con un minimo aggravio di costi.La sorgente di neutroni pertanto viene ad integrarsi perfettamente con progetti in corso che interessano i LNF comeSPARC/SPARX nelle loro varie versioni, ma può senz’altro essere già implementata sul Linac dei LNF, operando inparassitaggio rispetto all’iniezione di DAΦNE. In queste condizioni la realizzazione di un flusso integrato medio perunità di corrente di fascio non inferiore a 105 n/(cm2•sec•µA), misurato a 10 m di distanza dal bersaglio, appare unobbiettivo senz’altro alla portata delle tecnologie esistenti.Il programma di ricerca e sviluppo si articola nei punti seguenti:

1) lo studio di fattibilità ed ottimizzazione di un sistema bersaglio-moderatore, nei suoi aspetti fisico-ingegneristici, attraverso estese simulazioni con i principali codici di calcolo del settore (MCNP, FLUKA,GEANT4, EGS4); parallelamente studio dei fondi di particelle, della radioattività indotta e delle necessarieschermature per una tipica area sperimentale;

2) la costruzione di un prototipo del sistema di produzione dei neutroni e relativo sistema di monitoraggio ediagnostica; test al BTF di Frascati con l’obbiettivo di verificare le prestazioni simulate;

3) la progettazione e costruzione del modello finale; nuovi test al BTF con la strumentazione disponibile;4) la progettazione e realizzazione di una linea di fascio di neutroni con la relativa strumentazione per il

monitoraggio e la misura dell’energia con il metodo TOF;5) lo studio dei meccanismi di produzione di neutroni, finora poco conosciuti (produzione diretta,

elettroproduzione), che sono importanti ad energie di 1 GeV ed oltre.

[1] E. Grosse et al., FZR-IKH Annual Report 2002, Report FZR-372, p. 26.[2] S. Bartalucci, Vl. Angelov, K. Drozdowicz, G. Tracz, paper to appear in the Proc. of SATIF-7, Sacavem,Portugal, 17-18 May 2004, edited by G. Sartori, NEA-OECD.

5

Sergio Bartalucci

PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO


COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

Sergio Bartalucci 80%Giovanni Mazzitelli 20%Catalina Petrascu 20%Paolo Valente* 20%Ricercatori dipendenti INFN - LNF e *Sez. Roma II Tor Vergata

Vladimir Angelov (M.Sci.) 50%Institute for Nucl. Res. and Nucl. Energy, 72 Tzarigradsko chaussee blvd, 1784 Sofia,Bulgaria

Krzysztof Drozdowicz (Ass. Prof., Head) 50%Dominik Dworak ( M.Sci.) 50%Andrzej Igielski ( M.Sci., Eng.) 50%Grzegorz Tracz( M.Sci.) 50%Neutron Transport Physics Laboratory, The Henryk Niewodniczaski Institute ofNucl. Phys. – Polish Academy of Sciences, ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków,Poland

In vista della realizzazione della ‘neutron beamline’, vi sono contatti in corso con ilDr. Padureanu, Head of Neutron Group of DFN, National Institute for Physics andNuclear Engineering - " Horia Hulubei", 407 Atomistilor St., Magurele-Ilfov,Romania

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Sergio Bartalucci


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Sergio Bartalucci

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2005

31.12.2005 Completamento dello studio di fattibilità della sorgente di neutroni.In particolare:

•Definizione della struttura generale del radiatore di neutroni, per quanto riguardala scelta del materiale attivo (metallo solido, liquido o altro) ed il design geometrico emeccanico (bersaglio fisso, rotante, etc.)

•Definizione del moderatore/riflettore di neutroni in funzione dello spettro ottenibile

•Valutazione dei fondi di particelle prodotti dal sistema prescelto e dell’impatto della radioattività da essoindotta sull’area sperimentale del BTF e delle schermature che si rendessero necessarie

•Valutazione dei costi di costruzione/acquisizione della soluzione prescelta

•Valutazione dei costi complessivi per la realizzazione di tutta la facility


DAΦNE LINAC PARAMETERS

GENERAL

RF frequency 2856 MHzKlystron power 45 MWNumber of klystrons 4Number of SLED doublers 4Number of accelerating sections 15Repetition rate 50 HzBeam pulse width 10 ns

HIGH CURRENT ELECTRON LINAC

Number of accelerating sections 5Input current from gun < 10 AInput energy from gun 120 KVHarmonic prebuncher:Output current > 4 AOutput energy 250 MeVOutput emittance < 1

mm.mradEnergy spread 10% fwhmBeam spot radius 1 mm r.m.s.

• POSITRON LINAC MODE

• Number of accelerating sections 10• Output energy 550 MeV• Input energy 2 < E < 14 MeV• Output current 36 mA• Output emittance < 5 mm.mrad• Energy spread 2% fwhm

• HIGH ENERGY ELECTRON LINAC MODE

• Output energy 800 MeV• Output current 150 mA• Output emittance < 1mm.mrad• Energy spread 1% fwhm


A LINAC-BASED NEUTRON SOURCE FOR TIME-OF-FLIGHT (TOF)MEASUREMENTS

Sergio BartalucciINFN - Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, I – 00044 Frascati

(ROMA), [email protected]

Vladimir AngelovInstitute for Nucl. Res. and Nucl. En.ergy, 72 Tzarigradsko chaussee blvd, 1784 Sofia,

[email protected]

Krzysztof Drozdowicz, Grzegorz TraczThe Henryk Niewodniczaski Institute of Nucl. Phys. – Polish Academy of Sciences

ul. Radzikowskiego 152, 31-342 Kraków, [email protected], [email protected]

Abstract

High power, low energy electron Linear Accelerators (Linacs) are widely used toproduce high neutron fluxes via bremsstrahlung and (γ, n) reaction. Such neutronsources, although of much lower intensity than nuclear reactors and spallation sources,still find interesting applications in high precision nuclear cross section measurementsand others. The research programme consists of 1) the optimization study of a target-moderator assembly, in its physical and engineering aspects, through extensivesimulations; 2) the construction of a prototype and its testing on the Linac at the INFNLaboratory in Frascati; 3) the realization of a neutron beamline and the implementationof a neutron detector for energy measurement with the time-of-flight technique; 4) thefeasibility study of the installation of a neutron source on a future normal- or preferablysuper-conducting Linac to be built in the Rome Research Area.

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