Diagnostica di fasci radioattivi con rivelatori di particelle per la facility EXCYT dei LNS

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTA DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI Corso di Laurea in Fisica Diagnostica di fasci radioattivi con rivelatori di particelle per la facility EXCYT dei LNS Tesi di laurea di Salvatore Cappello Relatori: Ch.mo Prof. D. Vinciguerra Dr. P. Finocchiaro ANNO ACCADEMICO

2 Sommario La facility EXCYT ai LNS Diagnostica di fasci radioattivi Caratteristiche dei fasci radioattivi in EXCYT LEBI (Low Energy Beam Imager-Identifier) HEBI (High Energy Beam Identifier) Conclusioni e prospettive 2

3 La facility EXCYT ai ai LNS Fascio primario 8 MeV/A (CS) Separatore isobarico a due stadi, risoluzione 1/2 Fascio secondario da.2 a 8 MeV/A (Tandem) Fascio a bassa energia da 3 kev SERSE Sorgente di ioni per il CS Ciclotrone Superconduttore (CS) Esperimenti alta energia Bersaglio Cella Sorgente scambi o carica Piattaforma 25 kv Separatore di massa isobarico Esperimenti bassa energia 3 kev Tandem 15 MV 3

4 Diagnostica di di fasci radioattivi Motivazione fisica: Intensità previste dei fasci da 1 4 a1 9 pps. Le normali tecniche diagnostiche raggiungono le loro intrinseche limitazioni a causa del basso rapporto segnale-rumore. Identificazione di fasci di ioni radioattivi prima degli esperimenti. Possibile soluzione: Aumentare la sensibilità incrementando il segnale. Tecniche disponibili: Rivelatori al silicio Rivelatori al germanio Scintillatori Altro 4

5 Caratteristiche dei dei fasci radioattivi in in EXCYT Fasci radioattivi: 11 Be, 17 F, 18 F. All interno di ciascun fascio si considerano il radionuclide con cui si intende fare gli esperimenti e i suoi contaminanti isobari, sia instabili che stabili. I contaminanti isobari rappresentano le specie nucleari con la maggiore probabilità di sfuggire alla selezione del separatore isobarico. E necessario non solo individuare la presenza nel fascio del nuclide di interesse, ma anche operare una chiara e netta discriminazione dai suoi possibili contaminanti. A=11 Fascio Fascio Contaminanti primario Secondario 12 C 11 Be 11 Li 11 C 11 B Intensità relative Intensità assolute A=17 19 F 17 F 17 N 17 C 17 Ne 17 O Intensità relative Intensità assolute A=18 19 F 18 F 18 N 18 Ne 18 O Intensità relative Intensità assolute

6 DECADIMENTI 11 Be 11 B; 11 C 11 B; 11 Li 11 Be 11 B. 17 F 17 O; 17 C 17 N 17 O; 17 Ne 17 F 17 O; 17 N 17 O. 18 F 18 O; 18 N 18 O; 18 Ne 18 F 18 O. ATTIVITA Nucleo T 1/2 1/2 (sec) BETA Energia Massima (kev) Energia media pesata(kev) Be β Li 8.5x β C EC β B stabile F EC β N β C 1.93x β Ne 1.9x EC β O stabile F EC β N 6.24x β Ne 1.67 EC β O stabile Nuclide T 1/2 (sec) λ t (sec) N() N(t) totale Disintegr Be x x Li x1-32 ~ C x x B Stabile ~ F x1 6 8x N x x C x x Ne x O Stabile x F ~1 8 ~ N x x Ne x x O Stabile ~1 8 6

7 LEBI (Low( Energy Beam Imager-Identifier) Identifier) Dispositivo di diagnostica per fasci radioattivi prima che vengano accelerati dal Tandem (fascio a bassa energia: 3 kev). Si pone dopo il primo ed il secondo stadio del separatore isobarico. Ausilio operazioni iniziali di tuning del fascio. (1) Visualizzazione del profilo trasversale del fascio (2) Identificazione degli ioni radioattivi Rivelazione della radioattività dei nuclei instabili presenti nel fascio 7

8 LEBI: visualizzazione del fascio OBIETTIVI Visualizzare la posizione. MisurareilFWHMdel il profilo trasversale. Discriminare spazialmente i radionuclidi, dove possibile. SOLUZIONE Impiantare il fascio radioattivo su di un nastro avvolgibile di Mylar alluminizzato, posto direttamente davanti ad una sottile lastra scintillante (CsI). PRINCIPIO FISICO Le particelle β - e β + rilasciano parte della loro energia all interno del CsI. L energia viene convertita in luce formando un immagine luminosa sulla superficie del cristallo scintillante, che rappresenta il fascio impiantato sul nastro. IL CODICE BIS++ (Beta in Scintillators) Simula con il metodo Monte Carlo la produzione di luce nel CsI quando viene attraversato da elettroni e positroni. La richiesta fatta alla simulazione è di poter mostrare, in prima approssimazione,laformaeledimensionidello spot di luce prodotto dalle particelle beta nel cristallo scintillante. 8

9 LEBI: simulazione dello spot del fascio Il dispositivo LEBI e' così schematizzato: una superficie piana di spessore trascurabile su cui si impianta il fascio radioattivo; una lastra scintillante di CsI(Tl) posta parallelamente a tale superficie ad una distanza di.5 mm, avente dimensioni 5x5x2 mm 3 ; una telecamera CCD posizionata assialmente al cristallo. Cosa si calcola: perdita di energia specifica e range di elettroni e positroni nella materia; numero di fotoni prodotti nel CsI; direzione di uscita dei fotoni. Perdita d energia delle particelle beta nella materia per collisione; per radiazione: effetto bremsstrahlung; de dx 12 1 tot de = dx rad de + dx coll Perdita energia β + su CsI Range beta: foglio di calcolo; formule semiempiriche. E (KeV) X(mm) 9

10 LEBI: simulazione con sorgente 9 9 Sr Sr Sorgente disponibile: 9 Sr attività: 31 MBq TT 1/2 = anni Emax(β - ) = kev Decade in 9 Y: TT 1/2 = 64.1 ore Emax(β - ) =228 kev Dati di input: distanza CCD-CsI = 11 cm; diametro sorgente = 6 mm; spessore CsI = 2 mm; numero di nuclei = 4; apertura lente = 11.4 mm. 16 Profilo spot simulato ( 9 Sr su CsI) 12 spettro gaussiana FWHM = 7.2mm a.u mm 1

11 LEBI: test sperimentale con sorgente 9 9 Sr Sr 9Sr CCD CsI Apparato sperimentale: telecamera CCD; scintillatore CsI (2x1x1 mm 3 ); PC+ + frame grabber; software Global Lab Image. Spot 9 Sr su CsI a.u Profilo spot sperim entale (9Sr in CsI) s pettro gaussiana FW HM = 7.1 mm FWHM sperimentale = 7.1 mm FWHM simulazione = 7.2 mm mm 11

12 LEBI: simulazioni per per il il fascio secondario F Contaminanti radioattivi 18 N, 18 Ne. LEBI non è sensibile ai nuclei stabili. Distanze relative previste tra le specie nucleari che si impiantano sul nastro : Azoto-Neon = 3.2 mm Neon-Fluoro = 2 mm Larghezza fascio =.5 mm Altezza fascio = 8 mm L intensità di luce dipende da: diverse intensità del fascio; tasso di decadimento; energie dei beta. Azoto predomina sia sul Neon sia sul Fluoro. 18 N 18 Ne 18 F 12

13 Profili trasversali degli spots 18 N, 18 Ne, 18 F (2 s tage ) a.u F 18Ne 18N x (mm) a.u Som m a dei profili di 18 N+ 18 Ne + 18 F (2 stage) x (mm) Il test sperimentale ed i calcoli forniscono risultati incoraggianti, che ci fanno ben sperare sull efficacia di LEBI per una soddisfacente visualizzazione del fascio, dicuiè possibile stimarne la forma, le dimensioni e la posizione. 13

14 LEBI: identificazione dei radionuclidi SPETTROSCOPIA GAMMA Permette di identificare i nuclei emettitori gamma risalendo ai livelli caratteristici del nuclei. Coppia di rivelatori al germanio in coincidenza. Sorgente gamma: 6 Co 11 a riga γ = kev 22 a riga γ = kev Calibrazione in energia Rivelatore A Calibrazione in energia Rivelatore B Energia (kev) Energia (kev) Canali Canali 14

15 LEBI: misura con sorgente gamma Conteggi Spettro Rivelatore A 1173 kev 1332 kev Conteggi Spettro Rivelatore B 1173 kev 1332 kev Energia (KeV) Energia (KeV) Conteggi 5 25 Riv. A condizionato al picco2 del Riv. B 1173 kev Conteggi Riv. A condizionato al picco1 del Riv. B 1332 kev Energia (KeV) Energia (KeV) 15

16 HEBI (High Energy Beam Identifier) Dispositivo per la diagnostica di fasci radioattivi a bassa intensità e ad alta energia (dopo l accelerazione col Tandem). Metodo di identificazione basato su un sistema di rivelazione tipo telescopio. Per capire fino a che punto questa tecnica sia in grado di identificare e distinguere fasci di ioni radioattivi dai rispettivi contaminanti stabili e radioattivi: calcoli test sperimentali (fascio di 16 O, sorgente alfa) 16

17 HEBI: HEBI: previsioni sull identificazione di di fasci fasci radioattivi TECNICA DI RIVELAZIONE CON TELESCOPI (Identificazione della carica Z delle particelle) E: 2 µm E: 4 µm E E residua Z E Ipotesi di lavoro: Bisogna prevedere come si dispongono le varie specie nucleari in una matrice E-E. Tre distinti fasci radioattivi (A=11, A=17, A=18). Atomi con stato di carica massimo Tensione del Tandem 15 MV. E=(q+1)V E=energia cinetica q=stato di carica V= tensione di accelerazione Calcoli della perdita d energia basati sulla formula di Bethe-Bloch per particelle cariche pesanti. 17

18 E(MeV) E (MeV) HEBI: matrici previste per fasci radioattivi C 11 B 11 Be Eresidua(MeV) Matrice prevista per A=17. Il nuclide di interesse è il 17 F. Gli altri isotopi sono contaminanti, radioattivi e stabili. 18 Ne 18 F 11 Li 18 O E(MeV) E residua (MeV) N Matrice prevista per A=11. Il nuclide di interesse è il 11 Be. Gli altri isotopi sono contaminanti, radioattivi e stabili. 17 Ne 17 F 17 O 17 N E residua (MeV) 17 C Matrice prevista per A=18. Il nuclide di interesse è il 18 F.Gli altri sono isotopi contaminanti, radioattivi e stabili. 18

19 HEBI: calcoli per il il test col col fascio di di O Fascio stabile accelerato dal Tandem: 16 O Diffusione elastica dei proiettili su di un bersaglio pesante Caratteristiche del fascio 16 O e del bersaglio di 196 Au : stato di carica: 7 + energia totale: 18.9 MeV intensità iniziale del fascio: ~ 1 9 pps distanza bersaglio-rivelatore: 25 cm angolo di scattering: 1 raggio del collimatore: 1mm angolo di grazing per la diffusione 16 Osu 196 Au: 68 spessore del bersaglio: 186 µg/cm 2. Calcolo dell intensità del fascio: perdita di energia nello spessore di oro = 25 kev perdita di energia causata dalla diffusione elastica = 3 kev energia finale del fascio:18.35 MeV 1.E+6 Distribuzione angolare (16O+196Au 18.9 M ev) Sezione d'urto (barn/sterad) 1.E+4 1.E+2 1.E Angolo di scattering (gradi) sezione d urto dσ /dω a1 :7.64x1 2 barn/sterad intensità del fascio sul rivelatore ~ 1 1 pps 19

20 HEBI: test sperimentale con fascio di di O Bersaglio Fascio Apparato sperimentale Camera di scattering Telescopio 12 Rivelatore E 1 16 O 8 Conteggi 6 4 canali 4 He Canali canali 6 Rivelatore E Matrice sperimentale E-E Spettri dei rivelatori E ed E. Conteggi He 16 O Canali 2

21 HEBI: calibrazione in in energia (1) Sorgente alfa a tre picchi: 239 Pu, E=5155 kev 241 Am, E=5484 kev 244 Cm, E=586 kev Best fit lineare su quattro punti: picco elastico prodotto da 16 O tre picchi alfa provenienti dalla sorgente 3 25 Rivelatore DE (Alfa) Sorgente alfa: E- E 2 Conteggi Canali Conteggi Picco elastico 16O Rivelatore E Conteggi Rivelatore E (Alfa) Conteggi Canali Picco elastico 16O Rivelatore E Canali Canali Fascio 16 O: picco elastico 21

22 HEBI: calibrazione in in energia (2) Ossigeno: perdita media d energia in 2 µmdi silicio=14.15 MeV (rivelatore E) E[MeV] 1 6 O in S ilic io Energia residua de/dx [kev/µm] MeV X [m m ] de/dx [kev/µm] Sorgente alfa: perdita media d energia in 2 µmdi silicio (rivelatore E) (( 239 Pu) 3.52 MeV (( 241 Am) 3.34 MeV E[MeV] Energia residua Alfa 1 in Silicio de/dx [kev/µm] 3.52 MeV de/dx [kev/µm] (( 244 Cm) 3.16 MeV X[mm] Calibrazione rivelatore E Calibrazione rivelatore E Energia (kev) Energia (kev) Canali Channels 22

23 HEBI: errori sperimentali Sigma vs. ( E) σ ed energia rilasciata nel rivelatore E σ(kev) Energia E (MeV) E (MeV 1/2 1/2 ) Alfa Alfa Alfa O Deviazione standard ( E) σ =.835 E +.18 (MeV) Nucleo Confronto fra σ (sper.) e σ (straggling) σ (sper. Interpolato) (M ev) σ (energy straggling) (MeV) O C He Be Li C F C N Ne F N Ne.54.2 I valori della deviazione standard dovuti all energy straggling sono trascurabili rispetto alle deviazioni standard sperimentali. 23

24 Ε Ε Ε Ε Ε Ε (MeV) (MeV) HEBI: confronto tra tra matrice sperimentale e calcoli Matrice teorica sovrapposta a quella sperimentale Curve calcolate 16 O Curve calcolate C Curve calcolate 4 He E residua (MeV) L accordo tra le curve sperimentali e le curve calcolate è molto buono. 24

25 HEBI: matrici calcolate per RIB C Matrice calcolata Fascio secondario: 11 Be. Contaminanti: 11 Li, 11 C (radioattivi); 11 B (stabile). Matrice calcolata Fascio secondario: 17 F. Contaminanti: 17 Ne, 17 C, 17 N (radioattivi); 17 O (stabile). E(MeV) E(MeV) B 11 Be 11 Li E residua (MeV) 17 Ne 17 F 17 O 17 N 17 C E residua (MeV) 18 Ne Matrice calcolata Fascio secondario: 18 F. Contaminanti: 18 N, 18 Ne (radioattivi); 18 O (stabile). E (MeV) F 18 O 18 N E residua (MeV) 25

26 HEBI: previsioni per per l identificazione di di RIB 25 Matrice calcolata Fascio secondario: 11 Be. Contaminanti: 11 Li, 11 C (radioattivi); 11 B (stabile). Code gaussiane contaminanti su 11Be 2 Centroidi dei contaminanti 15 E (MeV) Li 11B 11Be 11C Eresidua(MeV) Be Li: <2.887x F N:<2.887x F N:<2.887x C:<2.887x Ne: 1.561x Ne: 8.72x B: 2.9x O: 2.9x O: 2.9x1-13 Efficace discriminazione tra i nuclidi di interesse ed i contaminanti. 26

27 HEBI: contaminazione radioattiva del del rivelatore Nucleo E max (MeV) nuclidi Percorso dei RIB in silicio Perdita energia in 2 µm (MeV) Energia residua (MeV) Be Li C F N C Ne F N Ne Spessore percorso (µm) Energia depositata dalle particelle beta in silicio Nucleo Energia beta (MeV) Spessore attraversato (µm) Energia Be ~ Li 2.61 ~ C.96 ~ F ~ N 8.68 ~ C ~ Ne ~ F.633 ~ N ~ Ne ~ 2.8 rilasciata (MeV) 27

28 Conclusioni e prospettive E stata affrontata la problematica della diagnostica di fasci radioattivi in EXCYT. I calcoli, le simulazioni ed i test sperimentali sui primi prototipi di LEBI e HEBI hanno mostrato l efficacia degli strumenti e delle metodologie utilizzate. Il dispositivo LEBI costituisce senz altro una interessante innovazione nel campo della diagnostica per fasci radioattivi. Il sensore HEBI rappresenta una nuova risposta al problema dell identificazione di fasci radioattivi ad alta energia. L insieme dei dispositivi LEBI, HEBI, separatore di massa isobarico e Tandem costituisce uno strumento completo per tutte le esigenze di selezione, rivelazione, identificazione e discriminazione di fasci radioattivi per la facility EXCYT. 28