Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione...

II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica per Fis ica delle Alte Energie, Astrofisica ed Applicazioni Spaziali, Legnaro, 26-30 Marzo 2007

Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISIS

Antonino Pietropaolo

Università degli Studi “Tor Vergata”Dipartimento di Fisica

e centro NAST(Centro Inderdipartimentale Nanoscience&Nanotecnologie e Strumentazione Avanzata)


SOMMARIO

La sonda neutronePanoramica sulle sorgenti di neutroniNeutronica delle sorgenti pulsate a spallazione La sorgente a spallazione ISISStrumentazione

Strumenti a Geometria Inversa e DirettaLo spettrometro VESUVIO

Applicazioni dei neutroni pulsatiReferenze utili


La sonda neutrone


Carica = 0 Numero barionico = 1Interazioni: Elettrodeboli, forti, gravitazionaliSpin = Struttura interna (QCD) = udd (2/3,-1/3,-1/3) Decadimento debole (T1/2 = 889.1 ± 2.1 sec)

Momento magnetico:µm= - 0.966 236 40(23) x 10-26 JT-1

Momento di dipolo elettrico: |d| = 3.0 x 10-26 e cmMassa = 1.6749 x 10-27 kg (apprezzabili effetti in esperimenti di interferometria)

h21

eνepn ++→ −W

e-

eν


Sorgenti di Neutroni


Fissione spontanea e radiosotopiSorgenti (αααα,n)

Es.: Am-Beαααα+9Be4

12C6+n +5.71 MeV

Fissione spontanea del 252Cf. La forma dello spettro è data da:

T ≈1.3 MeVTE

eEdEdN −

= 21


Neutroni di fissione ritardati(Delayed fission neutrons)

• I neutroni generati in eventi di fissione sono “prompt”, mentre dai prodotti di fissione, che a loro volta decadono attraverso un processo debole, vengono emessi neutroni che vengono chiamati ritardati (delayed neutrons).

( ) ( )( ) ( ) n**1Z1,A**1ZA,

e**1ZA,**ZA,

+±−→±+±→ ±

Questi neutroni ritardati sono praticamente monenergeticiperché procedono dal decadimento di un singolo stato eccitato nucleare del prodotto di fissione


Fotoproduzione9Be4 + hν 8Be4 + n (-1.666 MeV)2H1 + hν 1H1 + n (-2.226 MeV)

( )( )( )[ ]( )

ϑ+

+++

++

=ϑ γγγ cos2)(

)( 2

21

Mm

QEMmmME

Mm

QEMEn

ϑϑϑϑ angolo traγ e nM del nucleo che rinculantem massa del neutrone

Nucleo con sorgente γ

2.4 cm

Capsula di Al

Emettitore di n (Be o CD2)t ≈≈≈≈ 3.2 mm

t

Spettri di neutroni calcolati per la sorgente disegnata in figura.Le sorgenti γ sono 72Ga e 22Na. Il guscio esterno può essere

Berillio o Polietilene deuterato (CD2)


Reazioni indotte da particelle cariche

Due esempi: (i) 9Be + p 9B+n, (ii) 2H+3H 3He + n

“Yield” di neutroni per una serie di

reazioni indotte da particelle cariche


neutroni da fusione termonucleare controllata

TOKAMAKReazione D-D

2H1 + 2H1 3He2+ n (+ 3.26 MeV)

Reazione D-T2H1 +3H1

4He2 + n (+ 17.6 MeV)

ITER

Camera da vuoto toroidale

plasma


Sorgenti presso grandi installazioni


Reattori a fissione


Sorgenti calde e fredde


Institut Laue-Langevin(ILL-Francia)


Heinz Maier Leibnitz ReactorFRM-II (Monaco, Germania)


Reattore IBR-2 Dubna

Parametri del reattore


Reattori nel mondo


Le sorgenti pulsate


X X

e-e-

e-

e-γ γ

ne-

A,Z

Produzione indotta da elettroniBremsstrahlung


Alcuni esempi

( )

−+=

−3

4

cm

2E4ln

c137m

e1ZNEZ

dx

dE2

042

0

2

( )( ) 700

E(MeV)Z

dxdE

dxdE

Bethe

Brems =

Per le energie tipiche degli elettroni E≈≈≈≈ 50 MeVe per Z tipici delle targhette (Z = 92per Uranio) , la perdita di energia per irraggiamento e circa un

fattore 6 più intensa


Produzione indotta dalla spallazione


Confronto tra i diversi metodi di produzione dei neutroni

180 MeV55 MeV2 GeVEnergia depositata

1 n/fissione30 n/p5 x 10-2 n/e-Guadagno neutronico

-800 MeV100 MeVEnergie tipiche delle particelle

incidenti

Fissione nucleareSpallazioneRadiazione di frenamento

(Bremsstrahlung)

Reazione

Reattori(U)

Protoni(bersaglio U)

Elettroni(bersaglio U)


Neutronica delle sorgenti pulsate a spallazione


Se si utilizzano moderatori appositamente disegnati, si possono ottenere neutroni sottomoderati con una coda epitermica non-maxwellianacon un andamento del tipo 1/E.

Proiettili, targhette e moderatori


Perché i protoni ?)λ

Rexp(1Pn −−= R: range della particella g cm-2 λλλλ: libero camminio medio g cm-2

λλλλ= 33A1/3per E > 100 MeV è costante e per nuclei pesanti vale circa 200 g cm-2

R(207Pb) = 705 g cm-2 per E = 1.1GeV (protoni). Se d è lo spessore della targhetta,d = 3λλλλ⇒⇒⇒⇒ Pn = 0.95, per 207Pb d = 60 cm con protoni di E = 1.1 GeV

Fissata E, per un dato ione R ∝∝∝∝ A/Z2

ioni pesanti non sono buoni come proiettili come si vede dall’andamento dello

Yield/carica per diversi ioni

Il deutone sembra migliore per prestazioni, ma se consideriamo il costo per accelerare

ioni pesanti ad energie dell’ordine del GeV, i protoni convengono (rapporto

“Quantità/prezzo”)


Che energia usare ?

Si definisce un parametro “costo”:εεεεp=Ep/Yp

valore di energia richiesto per produrre un neutrone, dato un protone di energia Ep.Per targhette di 207Pb di 10 e 20 cm di

diametro e 60 cm di spessore si ha che il minimo diεεεεp è per Ep = 1.1 GeV

Se ricordiamo la tabella vista prima, la produzione con spallazione indotta da protoni presenta meno problemi per la

rimozione di calore residuo dalla targhetta infatti εεεεp = 50MeV

180 MeV55 MeV2 GeVEnergia depositata

1 n/fissione30 n/p5 x 10-2 n/e-Guadagno neutronico

-800 MeV100 MeVEnergie tipiche delle particelle incidenti

Fissione nucleareSpallazioneRadiazione di frenamento

(Bremsstrahlung)

Reazione

Reattori(U)

Protoni(bersaglio U)

Elettroni(bersaglio U)


Scelta della targhetta di spallazione

En < 15 MeV32 cm

10 cm

p

4.7 cm

targhetta


Effetto della geometria


Potenza dissipata in targhetta


Distribuzione angolare dei neutroni indotti da processi p + W (Ep = 1 GeV). Gli angoli sono misurati rispetto alla direzione di incidenza del fascio di protoni

I neutroni della fase di evaporazione (bassa energia) sono

distribuiti isotropicamente

I neutroni prodotti nella interazionediretta dei protoni con la targhetta

(alta energia) hanno una distribuzione angolare piccata ad angoli piccoli (boost di Lorentz).


Moderatori


Letargia

Per rallentare neutroni molto energetici si sfrutta la diffusione su

con materiali idrogenati.

ξξξξ: <lnE0/E>dΩΩΩΩ variazione di letargia per singola collisione con diffusione

ad un angolo ϑ

( )2

0

1 11 ln

2 11

lnf

A A

A AE

nE

ξ

ξ

− −= ++

=

Moderando, si sposta il picco della distribuzione energetica ad energie più basse

MeV

meV

ϑϑ


Accoppiamento M-T

Alti flussi ma la porta di ingresso della linea di

fascio “vede” la targhetta(intenso fondo di neutroni

di alta energia e γ)

Flussi un fattore 2 più bassi ma la linea di fascio non vede la targhetta (fondo

minore)

Usato per impulsi di protoni a incidenza verticale


( ) ( ) ( ) ( )EE∆EEEE epith φ+φ=φ

( )

( ) ( )

( )

NBT

12

1

T

2

T

TkE

baEexp1E∆

EE

E

Eexp

E

EJEE

=

−+=

φ=φ

−

=φ

−−

αeVeVepi

th

E11

Per un moderatore a T ambiente lo spettro misurato può essere fittato con delle funzioni semi-empiriche

Spettro all’equilibrio termico (Maxwell-Boltzmann)J costante di normalizzazione

Spettro della regione “slowing down”

φφφφieV è lo spettro slowing down @ 1 eV

“Joining function” per legare in modo continuo i due termini dello spettro totale, a e b costanti

TN temperatura efficace dei neutroni


Spettri energetici

µsE(eV)

1.2τ p = FWHM dell’impulso di neutroni all’energia E nella regione

“slowing down”

Moderatore H2O Moderatore H2Moderatore accoppiato

Moderatore disaccoppiatonon avvelenatoo avvelenato


Forme d’impulso di neutroniO forma prevista dalla Ikeda-Carpenter function

Ikeda S et al 1985, Nucl. Instrum. Methods A 239 536


La sorgente pulsata ISIS


Produzione di neutroni ad ISIS:

Protoni da 800 MeV

I ≈≈≈≈ 200 µA

P = 160 kW potenza rilasciata su target di

Tungsteno

φφφφ~2×1016 neutroni/secondo (media) dallaspallazione

≈≈≈≈52 m

≈ 40 m

muoni pulsati


La sorgente di ioni


Formazione degli ioni dal plasma

Schermo

Ioni di alone

Una scarica “Penning” viene prodotta all’interno di una miscela di idrogeno e Cesio attraverso un impulso a 50 Hzdella durata di 500 µµµµs e intensità di circa -150 V.

H- @ 17 keV


Cockcroft-Walton

•DC accelerator

•10-stage voltage multiplier (5.5 kHz)

Un Cockcroft-Walton acceleragli ioni H- da 16 keV (dallasorgente di ioni) a circa 665 keV(I ≈35 mA) prima di iniettareil fascio nelLINAC.


LINAC


LLinac ≈≈≈≈ 40 m

4 stadi di accelerazione “drift tubes”: LDT ≈ 10 m, φ φ φ φ ≈ 1 m

Metodo di accelerazione: RF a 202.5 MHz

Ef,H- ≈ 70 MeV

Prima di entrare nel sincrotrone H- p attraversando un foglio di AlO (“STRIPPER”)

“Stripper”: H- p

Caratteristiche principali


Il Sincrotrone


Reff ≈ 26.0 m

Magneti: per piegare la traiettoria dei protoni

B ≈ 0.17–0.71 T

Campi elettrici a RF per accelerarli

RF: 1.3–3.1 MHz

L’intensità del campo magnetico, la frequenza, l’ampiezza e la fase dellaRF devono essere sincronizzati

F = 50 Hz

Ef,p ≈ 800 MeV

P ≈ 1 MW max

Caratteristiche principali


Target station


All beam in synchrotron extracted in one turn

ββββ = v/c = 0.84, 163 m circumference →→→→ revolution time = 0.65 µs

4 µC ÷ 0.65 µs →→→→ 6 A circulating current

Extracted pulse ~0.3 µs long (double peak proton pulse)


La Target Station


~2.5×1013 protoni

(Q ≈4 µC) per impulso su una targhetta ditungsteno (50 pps F = 50 Hz)

~15–20 neutroni / protone ,

~4×1014 neutroni / impulso

Caratteristiche


Ad ISIS vi sono 4 moderatori•H2O @ 300 K(2 moderatori)

•H2 liquido @ 20 K•CH4 liquido @ 100 K

Il riflettore di Be raffreddato con H2O rimanda al moderatore neutroni diffusi e in questo modo si raddoppia il numero di

neutroni utili per le linee di fascio


Gd


Poison foil

Liner

Beam tube


Strumentazione


strumenti a geometria diretta

campionemoderatore L0

selettore di velocità

contatore di neutroni

acquisizione

L1

E0 = 6.67 eV


strumenti a geometria inversa

campionemoderatore L0

selettore di velocità

contatore di neutroni

acquisizione

L1

E1 = 6.67 eVTecnica TOF per

ricostruzione della cinematica


Lo spettrometro VESUVIO

X

γγγγcampione

foglio analizzatorereazioni (n,γ)

rivelatoreγ

n’

n

DAE

“stop”

“start”bersaglio

P

SpettriTOF

catena elettronica veloce


Flusso di neutronimisurato su VESUVIO

Metodo delle targhette a soglia di

attivazione


Applicazioni dei neutroni pulsati di ISIS


È una particella privo di carica; Interagisce debolmente con la materia ed è quindi una sonda di “bulk”; I neutroni hanno λ e E dell’ordine delle distanze interatomiche e delle

energie di eccitazione; Alle energie tipiche della spettroscopia (meV-eV) la diffusione è in

onda s (diffusione isotropa). Con l’uso di un potenziale “ad hoc” si può descrivere la diffusione nella prima approssimazione di Born:

Ogni isotopo ha una sua lunghezza di diffusione, b, e quindi si può distinguere la diffusione da isotopi diversi;

L’uso dei neutroni permette l’accesso a informazioni sia strutturali che dinamiche;

La presenza del momento magnetico del neutrone permette un’interazione (µµµµ⋅σσσσ) con gli elettroni spaiati e quindi, diffusione magnetica.

( )22

( )n

V r b r Rm

π δ= −rhr r

Proprietà


Legenda

> 0.4> 6000> 500Epitermici

1 – 0.41000 – 6000100 – 500Caldi

3 – 1120 – 100010 – 100Termici

30 – 31 – 1200.1 – 10Freddi

< 30< 1< 0.1Ultrafreddi

λ(Å)

Temperatura(K )

Energia(meV)

categoria


Neutroni termici


Investigare oggetti di interesse archeologico e cul turale con tecniche tomografiche

Struttura di sistemi complessiStruttura di sistemi magnetici e superconduttori


Neutroni epitermici


Distribuzioni di QdM e ricostruzione di potenziali efficaci


Tomografia con reazioni (n,γ)

Informazioni sulla composizione elementalee sulla distribuzione spaziale

“pencil-beam” per NRCINeutron Resonance Capture Imaging


Neutroni di alta energia


Single Event Effect:

Si ha un Single Event Effect (SEE) quando unaparticella energetica, per esempio un neutrone, presentenell’ambiente colpisce la regione “sensibile” di un componente elettronico alterandone il correttofunzionamento

Single Event Effects problematici per la sicurezza a bordo degli aerei.

++

++

++-

-

- -

--

SourceDrain

Gate

Neutron collides with silicon atom causing ejection of heavy ion

Trail of ionisation and current pulse

High energy neutron

Neutroni di alta energia 1-100 MeV


Single Single EventEvent EffectsEffectsa livello del marea livello del mare

Neutroni di alta energia Neutroni di bassa energia


Futuro delle sorgenti pulsate


Spallation Neutron Source (SNS)Stati Uniti


J-PARC (Giappone)


European Spallation Source(ESS)


AUSTRON (Australia)


China Spallation Neutron SourceCSNS


Per concludere………… ..


Sviluppo delle sorgenti di neutroni


Utili riferimenti bibliografici

• C. G. Windsor, “Pulsed Neutron Scattering”, Taylor & Francis LTD (1981);

• N. Watanabe, “Neutronics of spallation sources”, Rep. Progr. Phys. 66, 339 (2003);

• http://www.isis.rl.ac.uk• http://www.fisica.uniroma2.it/~vesuvio/dins/index.html

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