Programma INFN di misurep+Nucleon+X

Resa totale da bersaglio spesso

“Seminario su facility nucleare sottocritica”7 Febbraio 2011, Ansaldo, Genova

M. Ripani – INFN - Genova

INFN – Bari:N. Colonna

INFN – Laboratori Nazionali del Sud (LNS) – Catania:R. Alba, A. Del Zoppo, A. Di Pietro, P. Figuera, P. Finocchiaro, C. Maiolino, D. Santonocito, G. Cosentino

INFN – Genova: A. Celentano, M. Osipenko, G. Ricco, M. Ripani, C. M. Viberti

INFN – Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL):P. Boccaccio

Ringraziamo inoltre J. Esposito dei (LNL) per le discussioni e l’interesse neglisviluppi futuri

Partecipanti

1. Motivazioni e caratteristiche della misura

2. Apparato

3. Efficienza di rivelazione

4. Fondi di misura

5. Risultati sperimentali preliminari

Sommario

Il programma prevede la misura della produzione di neutroni veloci da bersaglio spesso,

entro il progetto INFN-E/ADS

L’interesse si concentra su misure con fasci di protoni di energia intorno a 70 MeV

In una fase iniziale, è stato proposto di utilizzare come bersagliospesso il Berillio

Scopo della misura

Il Berillio (9Be) è un ottimo candidato, a bassa energia, per una produzione abbondante di neutroni:

infatti, l’energia di legame del neutrone più esterno è pari a circa 1,67 MeV

(contro circa 10 MeV di altri nuclei leggeri)

Di conseguenza, per estrarre un neutronei protoni devono avere un’energia cinetica minima di 1.86 MeV

(soglia, idem se il proiettile è un neutrone)Inoltre, essendo un elemento leggero, presenta attivazione trascurabile,

ovvero non da’ origine a scorie radioattive a vita media lunga

L’importanza di una misura per fascio incidente con energia circa 70 MeV si basa sull’assenza di dati in letteratura nell’intervallo 45-113 MeV

Ci siamo quindi proposti di misurare la resa di neutroni a diversi angoli e la loro distribuzione in energia cinetica, utilizzando il

ciclotrone dei Laboratori Nazionali del Sud, in grado di fornire correnti di protoni dell’ordine di 100 pA con energia cinetica di 62 MeV

Oggetto della misura è quindi lo “Yield” o resa differenziale di neutroni da un bersaglio spesso in Berillio su cui incide un fascio di protoni con Tp = 62 MeV

Oggetto della misura

ndTddYΩ

= numero di neutroni in una certa porzione angolare (angolo solido) ein un certo intervallo di energia cinetica, per protone incidente

L’energia cinetica dei neutroni è misurata attraverso la tecnica del “tempo di volo”

• Al tempo t0 un protone arriva sul bersaglio

• Al tempo t1 un neutrone raggiunge un rivelatore e viene misurato

22

01 21

21

==→−=

TOFdMvMTttTOF nnn

Parametri rilevanti: indeterminazione temporale

Dimensioni finite dei rivelatori e del bersaglio

Larghezza temporale dei “fiotti” ∼ 1 ns

intervallo di tempi misurabile limitato causa struttura temporale fascio:

Struttura periodica del fascio, con periodo ∆TB =120 ns

Struttura fascio “fiotto” di protoni

∼ 1 ns

120 ns

2min

21

∆

=B

nn TdMT Con d = 1.5 m, Tn

min ≅ 800 keVCon d = 0.75 m, Tn

min ≅ 200 keV

Apparato di test ai LNSFascio di protoni

E=62 MeVI=50-100 pA

(3-6x108 p/sec)

Sistema diacquisizione daticontrollato da PCFrequenza totale eventi< 10 kHz

Cilindro di Berillio:(spessore 3 cm, diametro 3.5 cm)Carica depositata dai protoni misuratacon integratore digitale di corrente

Rivelatori basati su scintillatore:Liquido – EJ301 – distingue i neutroni dai gamma (entro certi limiti)Plastico – EJ200 – come riferimentoLa luce del materiale scintillatore è trasformata in impulsi elettrici mediante fotomoltiplicatori

Test ai LNS

Efficienza di rivelazione• La probabilità che un neutrone depositi nel rivelatore un’energia sufficiente ad essere

registrato dall’apparato di misura, costituisce quello che chiamiamo efficienza di rivelazione• L’efficienza viene stimata utilizzando il programma di Monte Carlo GEANT del CERN• La dipendenza dell’efficienza dall’energia minima rivelabile può essere molto rapida, a

seconda dell’energia cinetica dei neutroni

La misura di test ai LNSCome appare una distribuzione misurata di tempi di volo ?

Neutroni con tempo diarrivo previsto(tmin<t<120 ns)

Gamma

Neutroni con tempo diarrivo oltre il previsto(t>120 ns, ma il nostro

“orologio” riparte da zero)

Fondi sperimentali

Linea sotto vuoto in cui viaggia ilfascio di protoni (3 mm di acciaio con

numerose flange)

I nostri rivelatori misurano esclusivamente neutroni provenienti dal Berillio ?

Per rispondere a questa domanda, nelle prove preliminari ai LNS, abbiamo misurato i fondi con la tecnica della “shadow bar”, ovvero una schermatura che oscura il bersaglio da cui hanno origine i neutroni primari

Barra in paraffina borata(spessore 50 cm)

Blocco di piombo(spessore 10 cm)

Rivelatore

• I fondi si presentano in modo evidente come gamma che arrivano a tempi successivi a quelloprevisto in base alla velocità della luce

• Le misure, convalidate da simulazioni, hanno mostrato che l’interazione dei neutroni coimateriali della linea di fascio produce fondi molto importanti: 25-30%

• Quindi, stiamo studiando possibili modifiche alla parte finale della linea di trasporto del fascio per diminuire questi fondi il più possibile

Gamma “in tempo” Gamma “in ritardo”

Neutroni oltre il limitedel grafico

Separazione γ/n• Tutti gli scintillatori liquidi hanno la caratteristica che neutroni e gamma danno origine ad

impulsi elettrici dai rivelatori di forma diversa: i neutroni hanno tempi di durata del segnale di luce maggiori

• Questo si vede in un grafico mettendo in ordinate l’area della prima parte del segnale e in ascisse l’area di tutto il segnale

nγ

• Buona separazione, circa 2σ da entrambi i latidella linea di separazione

• Piccola inefficienza e piccola contaminazionedopo la separazione (da stimare)

• La stabilità nel tempo è buona e comunquepuò essere tenuta sotto controllo

Confronto misure preliminari/MCNPX• Qui non sottraiamo alcun tipo di fondo• In particolare, non separiamo neutroni e

gamma

• La simulazione contiene un modellodella linea di trasporto del fascio

30o

90o

60o

Confronto misure preliminari/MCNPX• Qui invece sottraiamo il fondo “shadow bar” e

sottraiamo i gamma riconosciuti con l’analisi diforma d’impulso (ma l’energia minima aumenta)

• La simulazione qui non contiene la linea di fascio

• Una volta disponibili dati più accurati, sarà possibileinserirli nel database di MCNPX utilizzando NJOY

• Si potranno così ripetere le simulazioni dell’ADS con lo “yield” da Be effettivamente misurato

30o

90o

60o

Confronto dati ai vari angoli

Fondo sottratto

Prospettive• Nuova misura in preparazione, con obiettivi:

1. Misura a vari angoli2. Diminuzione l’energia minima misurabile dei neutroni a

0.5 MeV o anche meno3. Misura neutroni termici con tubo 3He4. Miglioramento discriminazione neutroni/gamma5. Minimizzare fondi modificando linea trasporto fascio e

utilizzando materiali leggeri (fibra carbonio ?)

• Nuovi rivelatori in preparazione ottimizzazionedimensioni e lettura segnali

• In discussione possibili vantaggi utilizzo fasci di deutoni

• Altri nuclei bersaglio ? Nuclei pesanti ?

Conclusioni• Abbiamo effettuato presso i Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN una misura preliminaredello yield differenziale di neutroni da un bersaglio di Berillio su cui incide un fascio di protonida 62 MeV

• Le misure hanno evidenziato i seguenti aspetti critici dell’apparato:I fondi dovuti in particolare alla linea di trasporto del fascio sono dell’ordine del 30%

Si devono scegliere materiali diversi per la linea e ridurne le dimensioni

La separazione gamma/neutroni permessa dagli scintillatori liquidi aiuta comunque molto nella riduzione dei fondi

• Un confronto preliminari tra i dati (con fondo sottratto e non) e MCNPX mostra andamentisimili, seppure con resa assoluta differente in alcuni casi anche di fattori ∼ 2

• La normalizzazione assoluta dei dati punto per punto va controllata è necessaria unaconoscenza migliore dell’efficienza

• Gli errori sistematici nel valore assoluto dello yield, ora dell’ordire del 20-30 %, possono essereridotti al 5-10 % con opportune modifiche dell’apparato e ulteriori studi dei rivelatorimediante simulazioni

• Sono in considerazione l’uso di fasci di deutoni e l’estensione a bersagli di altro tipo