NEUTRONICI CON TECNICA DEL TEMPO DI VOLO. Francesco Barilari, Alberto Edoni, Antonio Lombardi, Davide Restelli

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1 MISURA DI SPETTRI NEUTRONICI CON TECNICA DEL TEMPO DI VOLO GRUPPO K RELATORI: TUTORS: Francesco Barilari, Alberto Edoni, Antonio Lombardi, Davide Restelli Pierfrancesco Mastinu, Elizabeth Musacchio

2 Carica neutra Massa simile a quella del protone (1.67x10-27 kg) NEUTRONI Termici (25meV) Epitermici (2-3keV) Veloci ( 10keV) Forza nucleare (10-15 m) Difficili da rivelare, mai direttamente

3 INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA I neutroni vengono rivelati tramite prodotti di reazione da essi indotte: Scattering Cattura neutronica (fissione, cattura radioattiva, break up) PROBLEMA: I processi di produzione di neutroni generano anche raggi gamma, che vengono rivelati

4 IL NOSTRO RIVELATORE: IL LITHIUM GLASS Nome: LITHIUM GLASS Tipologia: Scintillatore Funzionamento: Produce luce a seguito dell eccitazione e diseccitazione degli elettroni di valenza del cristallo dovuta all interazione di particelle cariche. I fotoni prodotti generano per effetto fotoelettrico un segnale poi amplificato da un fotomoltiplicatore Per n: Cattura radioattiva e produzione di una particella alpha e un tritone Per γ: Eccitazione diretta degli elettroni per effetto Compton, effetto fotoelettrico e produzione di coppie Limiti: I prodotti di cattura hanno sempre la stessa energia Bassa sezione d urto per alte energie

5 IL FOTOMOLTIPLICATORE Amplifica il segnale elettrico prodotto dal fotocatodo dello scintillatore, rendendolo rilevabile (DAQ), attraverso un rilascio a cascata di elettroni, limitando in questo modo la produzione di rumore (rispetto al singolo amplificatore)

6 ESPERIMENTO INIZIALE Misura dello spettro di un fascio di neutroni con il metodo del TOF e discriminazione dai raggi gamma. Reazione sfruttata per la produzione di neutroni: 7 Li(p,n) 7 Be Abbiamo utilizzato un target spesso per ottenere neutroni a diverse energie grazie allo stopping power del 7 Li per i protoni. Finalità: simulare e osservare uno spettro maxwelliano di energie dei neutroni, simili a quelli che intervengono nelle reazioni nucleari nelle stelle.

7 TECNICA DEL TEMPO DI VOLO E cin = 1 2 mv2 v = s t

8 UN PO DI CONTI RISOLUZIONE ENERGETICA: E E = ( T T )2 +( L L )2

9 UN PO DI CONTI EFFICIENZA: ε = NEUTRONI RIVELATI NEUTRONI PRODOTTI STATISTICA DI POISSON: N = N

10 IL NOSTRO ACCELERATORE: IL CN Acceleratore elettrostatico verticale a stadio singolo Van de Graaff Tensione massima: 7 MV

11 PREPARAZIONE DELL ESPERIMENTO Ottimizzazione parametri Posizionamento del rivelatore Misura di Offset dell acceleratore

12 YIELD Lo Yield è il numero di reazioni che avvengono in un secondo sul numero di particelle incidenti al secondo di una determinata energia. La sua unità di misura è pc -1. Abbiamo utilizzato il programma LZYield per calcolare lo Yield a determinati angoli e distanze calcolando il numero di neutroni rivelati in un determinato periodo di tempo con la formula: n rivelati = Y I t ε I = intensità del fascio di protoni Δt = tempo di acquisizione ɛ = efficienza del rivelatore

13 SEZIONE D URTO La sezione d urto è l equivalente microscopico dello Yield e rappresenta la probabilità che avvenga una determinata reazione tra due particelle definite e di data energia. La sua unità di misura è il barn, equivalente a cm 2. σ = Y N N = numero di nuclei del target

14 CAMBIO DI PROGRAMMA INCIDENTE DI PERCORSO: Guasto elettrico alla pompa di raffreddamento

15 ESPERIMENTO DEFINITIVO Uso di un target sottile invece di uno spesso per ottenere neutroni quasi monocromatici e quindi non avere problemi di sovrapposizione alla frequenza naturale dell acceleratore. Distanza calcolata di 1m, per bilanciare la risoluzione energetica e il tempo di acquisizione dati. Energia del fascio di protoni: 3.2MeV e 4.0MeV PROBLEMA: I dati non sono stati acquisiti correttamente dal software, pertanto i seguenti dati non saranno quelli registrati nelle sessioni di misura e sono stati misurati con un energia di 4.5MeV

16 ANALISI DATI Utilizzando un target sottile ci aspettavamo di osservare uno spettro energetico di output del rivelatore con due picchi a due differenti energie: uno più marcato ad energia più bassa (gamma), l altro meno marcato ad energia più alta (neutroni). In una situazione ideale si sarebbero dovute vedere solo due linee, corrispondenti alle energie liberate nel rivelatore dai gamma e dai neutroni. Nella realtà ci sono però altre componenti: Fluttuazioni statistiche Rumore elettronico

17 ANALISI DATI

18 REBINNING Il rebinning è una procedura che serve per trasformare un istogramma in un altro con una larghezza di bin differente. Nel nostro caso diventa necessario perché la larghezza del bin del grafico dello spettro TOF era superiore alla nostra risoluzione energetica (e quindi temporale). RISOLUZIONE ENERGETICA: E E = ( T T )2 +( L L )2

19 CORREZIONE PER L EFFICIENZA Il grafico ottenuto non riflette la stessa proporzione tra i neutroni prodotti a varie energie e quelli rivelati in quanto l efficienza del rivelatore varia al variare dell energia dei neutroni. Abbiamo utilizzato il codice MCNPX che, utilizzando il metodo Monte Carlo, calcola l efficienza di un determinato rilevatore per ogni energia. Correggendo il grafico con questo valore si ottiene un risultato corretto dei neutroni prodotti.

20 GRAZIE PER L ATTENZIONE