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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)
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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
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La sonda neutrone
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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
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Sorgenti di Neutroni
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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
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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
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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)
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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
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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
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Sorgenti presso grandi installazioni
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Reattori a fissione
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Sorgenti calde e fredde
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Institut Laue-Langevin(ILL-Francia)
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Heinz Maier Leibnitz ReactorFRM-II (Monaco, Germania)
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Reattore IBR-2 Dubna
Parametri del reattore
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Reattori nel mondo
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Le sorgenti pulsate
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X X
e-e-
e-
e-γ γ
ne-
A,Z
Produzione indotta da elettroniBremsstrahlung
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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
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Produzione indotta dalla spallazione
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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)
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Neutronica delle sorgenti pulsate a spallazione
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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
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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”)
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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)
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Scelta della targhetta di spallazione
En < 15 MeV32 cm
10 cm
p
4.7 cm
targhetta
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Effetto della geometria
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Potenza dissipata in targhetta
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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).
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Moderatori
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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
![Page 33: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/33.jpg)
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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
![Page 34: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/34.jpg)
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( ) ( ) ( ) ( )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
![Page 35: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/35.jpg)
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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
![Page 36: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/36.jpg)
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Forme d’impulso di neutroniO forma prevista dalla Ikeda-Carpenter function
Ikeda S et al 1985, Nucl. Instrum. Methods A 239 536
![Page 37: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/37.jpg)
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La sorgente pulsata ISIS
![Page 38: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/38.jpg)
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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
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La sorgente di ioni
![Page 40: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/40.jpg)
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![Page 41: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/41.jpg)
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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
![Page 42: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/42.jpg)
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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.
![Page 43: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/43.jpg)
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LINAC
![Page 44: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/44.jpg)
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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
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![Page 46: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/46.jpg)
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Il Sincrotrone
![Page 47: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/47.jpg)
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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
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![Page 49: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/49.jpg)
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Target station
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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)
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La Target Station
![Page 52: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/52.jpg)
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~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
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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
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Gd
![Page 55: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/55.jpg)
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Poison foil
Liner
Beam tube
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Strumentazione
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strumenti a geometria diretta
campionemoderatore L0
selettore di velocità
contatore di neutroni
acquisizione
L1
E0 = 6.67 eV
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strumenti a geometria inversa
campionemoderatore L0
selettore di velocità
contatore di neutroni
acquisizione
L1
E1 = 6.67 eVTecnica TOF per
ricostruzione della cinematica
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Lo spettrometro VESUVIO
X
γγγγcampione
foglio analizzatorereazioni (n,γ)
rivelatoreγ
n’
n
DAE
“stop”
“start”bersaglio
P
SpettriTOF
catena elettronica veloce
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![Page 61: Produzione di neutroni pulsati: la sorgente a spallazione ISISsirad.pd.infn.it/scuola_legnaro_2007/Presentazioni_pdf/22_Pietropaol… · II Scuola Nazionale: Rivelatori ed Elettronica](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050400/5f7e0cc6a7e3d8587d76f1ed/html5/thumbnails/61.jpg)
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Flusso di neutronimisurato su VESUVIO
Metodo delle targhette a soglia di
attivazione
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Applicazioni dei neutroni pulsati di ISIS
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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
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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
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Neutroni termici
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Investigare oggetti di interesse archeologico e cul turale con tecniche tomografiche
Struttura di sistemi complessiStruttura di sistemi magnetici e superconduttori
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Neutroni epitermici
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Distribuzioni di QdM e ricostruzione di potenziali efficaci
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Tomografia con reazioni (n,γ)
Informazioni sulla composizione elementalee sulla distribuzione spaziale
“pencil-beam” per NRCINeutron Resonance Capture Imaging
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Neutroni di alta energia
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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
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Single Single EventEvent EffectsEffectsa livello del marea livello del mare
Neutroni di alta energia Neutroni di bassa energia
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Futuro delle sorgenti pulsate
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Spallation Neutron Source (SNS)Stati Uniti
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J-PARC (Giappone)
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European Spallation Source(ESS)
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AUSTRON (Australia)
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China Spallation Neutron SourceCSNS
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Per concludere………… ..
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Sviluppo delle sorgenti di neutroni
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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