Dipartimento di Fisica, Università di Firenze Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche 2009 Diffrazione ad alti angoli: configurazioni strumentali dalla sorgente al rivelatore e principi di misura Eleonora GUARINI Dipartimento di Fisica, Università di Firenze guarini@fi.infn.it Hotel Monteconero, Sirolo 22 – 24 Giugno 2009

Argomenti principali Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Argomenti principali Rivelazione dei neutroni Tipici rivelatori Efficienza e tempo morto di un rivelatore Produzione di neutroni Moderazione dei neutroni Distribuzioni in energia Trasporto dei neutroni Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni Diffrattometri Diffrattometro a 2 assi Diffrattometro ToF Componenti base Principi di misura

Sorgenti di neutroni Come si producono i neutroni? Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Come si producono i neutroni? La fissione spontanea è l’unico fenomeno naturale che produce neutroni. I neutroni vengono prodotti in reazioni nucleari. La reazione nucleare (, n) è quella che, in particolare, ha condotto alla scoperta del neutrone (Chadwick, 1932). Chadwick utilizzò un emettitore naturale (210Po) di particelle  per bombardare un bersaglio di Berillio (Be). Il Be sotto tale bombardamento, forma un nucleo composto instabile che, decadendo, emette neutroni secondo la reazione: 9Be + 4He 12C + n + 5.7 MeV  206Pb Consultiamo l’enciclopedia alla parola Fissione …. “… scissione del nucleo atomico di un elemento pesante (solitamente) in due parti. La fissione può avvenire spontaneamente o essere provocata dal bombardamento del nucleo, utilizzando come proiettile un fotone (fotofissione), una particella carica veloce o un neutrone… ” particelle  = nuclei di 4He NEUTRONI! Consultiamo l’enciclopedia alla parola elettronvolt (eV) …. “… unità di ENERGIA molto usata in fisica atomica e nucleare e pari all’energia cinetica acquistata da una particella con carica pari a quella dell’elettrone quando attraversa la differenza di potenziale di 1 Volt, dunque 1 eV = 1.602 10-19 C  1 V = 1.602 10-19 J 1 MeV = 10 6 eV, 1 meV = 10 -3 eV Questa è solo una delle tante possibili reazioni che producono neutroni…

Sorgenti di neutroni Reattori a fissione nucleare Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Reattori a fissione nucleare Il metodo di produzione di grandi quantità di neutroni è scelto in base al “costo” in termini di energia spesa per singolo neutrone prodotto (MeV/n). per accelerare i proiettili e/o per rimuovere la grande quantità di calore prodotta nel processo La Fissione dell’Uranio-235 è quella solitamente impiegata nei reattori nucleari Fra i metodi affrontabili in termini di costi ce ne sono principalmente due: Fissione (dell’Uranio) e Spallazione neutroni veloci nucleo composto frammenti di fissione (nuclei di elementi medio-pesanti, e.g. bromo e lantanio) neutrone termico Ciascuna fissione produce in media 2.5 neutroni veloci (energia ~ 1 MeV  velocità ~ 14000 km/s!!!) e circa 180 MeV di energia n(term) + 235U  2 frammenti + 2.5 n + 180 MeV

Sorgenti di neutroni Reattori a fissione nucleare Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Reattori a fissione nucleare La sorgente può essere progettata in modo che la reazione di fissione si autosostenga (reazione a catena opportunamente controllata). In genere, ma non sempre, questo tipo di sorgente è utilizzato in regime di funzionamento continuo. Da ciascuna fissione si ottiene in media 2.5 n – 1 n – 0.5 n = 1 neutrone utilizzabile innesco di un’altra fissione assorbimento Ma…. VA RALLENTATO!!! “Numerologia” e esempi Reattore da 20 MW = 2  107 J / s = 1.2  1026 eV / s = 1.2  1020 MeV / s  1.2  1020 / 180 = 6.7  1017 fissioni / s (6.7  1017 fissioni / s) x (2.5 n / fissione) = 1.7  1018 n / s rilasciati nel core del reattore (6.7  1017 fissioni / s) x (1 n / fissione) = 6.7  1017 n / s utilizzabili Reattore di Grenoble da 58 MW: 1.9  1018 n / s utilizzabili Una lampadina da 1 W emette 6  1018 fotoni/s (da 1 eV)

Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione “to spall” = “scheggiare”, “sbriciolare” neutroni veloci evaporazione: il nucleo si diseccita emettendo svariate particelle (neutrini, protoni, muoni…) fra cui anche circa 20/30 neutroni (per protone) con energie di ~ 1-2 MeV nucleo di un elemento pesante (uranio, tantalio…) vari tipi di eccitazione interna e espulsione di alcuni neutroni molto veloci protone di alta energia (da 10 MeV a 1 GeV) L’energia rilasciata per neutrone prodotto è “solo” 55 MeV VANNO RALLENTATI!!

I protoni di alta energia vengono ottenuti in due stadi: Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione Di solito i proiettili utilizzati in sorgenti a spallazione sono i protoni. I protoni di alta energia vengono ottenuti in due stadi: prima si accelerano ioni H- negativi in un acceleratore lineare, poi, dopo l’attraversamento di un sottile strato di allumina “strappa elettroni”, i protoni sono iniettati in un ciclotrone o in un sincrotrone. Consultiamo l’enciclopedia alla parola sincrotrone …. “… tipo particolare di ciclotrone a campo magnetico variabile …. con il quale è possibile minimizzare effetti “indesiderati” (sfasamento fra frequenza del moto circolare delle particelle e frequenza dell’oscillatore elettrico…) dovuti alla diminuzione della velocità angolare delle particelle per via dell’aumento relativistico della loro massa… Nei moderni sincrotroni si variano ciclicamente (e opportunamente) sia il campo magnetico, sia la frequenza dell’oscillatore elettrico. In questo modo si riesce a mantenere in ogni istante SIA la condizione di risonanza con l’oscillatore elettrico, SIA il raggio della traiettoria costante, con enormi vantaggi economici (“magnete ad anello” ) rispetto al caso del ciclotrone convenzionale (magneti a “D” o comunque molto estesi e costosi).

Infine vengono inviati sul bersaglio (target). Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione I protoni di alta energia vengono ottenuti in due stadi: prima si accelerano ioni H- negativi in un acceleratore lineare, poi, dopo l’attraversamento di un sottile strato di allumina “strappa elettroni”, i protoni sono iniettati in un ciclotrone o in un sincrotrone. Infine vengono inviati sul bersaglio (target). R = 26 m

Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione Questo tipo di sorgente è solitamente (ma non sempre) PULSATA ovvero fornisce neutroni in modo non continuo bensì ad impulsi. La frequenza degli impulsi è tipicamente 50 Hz (50 impulsi al secondo = 1 impulso ogni 20 ms) “Numerologia” e esempi La corrente media di protoni inviata sul target può essere ad esempio 200 A = 4 C  50 Hz (4 C totali di protoni in impulsi lunghi 100 ns)  200  10-6 / 1.6  10-19 = 1.25  1015 protoni / s (1.25  1015 spallazioni / s) x (20 n / spallazione) = 2.5  1016 n / s utilizzabili equivale ad un reattore da circa 1 MW MA lo scattering di neutroni e la strumentazione relativa: su reattore, utilizza solo una piccola parte dei neutroni in un fascio Su sorgente pulsata, può usarli tutti (in diffrazione) La larghezza temporale dell’impulso di neutroni in arrivo su uno strumento dipende dal moderatore

Moderazione dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Moderazione dei neutroni Un problema in comune… Prima di confrontare prestazioni e caratteristiche di sorgenti pulsate e reattori a fissione è utile anticipare qualcosa sui metodi utilizzati per portare la velocità dei neutroni ai valori utili per la ricerca. Premessa: classificazione delle energie dei neutroni

Moderazione dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Moderazione dei neutroni Un problema in comune… Il “principio” su cui si basa la moderazione è lo stesso per qualsiasi sorgente di neutroni: i neutroni vengono rallentati sfruttando le collisioni anelastiche con gli atomi leggeri (H, D, Be, C…) di un materiale posto attorno alla sorgente Distribuzione dei neutroni TERMICI in equilibrio con il MODERATORE: distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità alla temperatura Tm del moderatore Un caso estremo: mn= 1.675  10-27 kg M >> mn Perché “LEGGERI” ????? Distribuzione dei neutroni “sorgente” VELOCI mn= 1.675  10-27 kg M ≈ mn Distribuzione dei neutroni EPITERMICI “slowing down” region I(E) ~ 1/E dove i neutroni stanno perdendo energia nel processo di moderazione I(E) ~ E / (k Tm)2 exp [- E / (k Tm)] Si tende all’equilibrio poiché, a basse energie, i neutroni possono sia cedere che acquistare energia nelle collisioni col moderatore (energia neutrone confrontabile con quella delle particelle bersaglio)

Moderazione dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Moderazione dei neutroni Un problema in comune… La posizione in energia del picco di intensità nella regione termica può essere variata utilizzando moderatori a temperature diverse. 25 meV per un moderatore a temperatura ambiente (k Ta) SORGENTE TERMICA < 10 meV per un moderatore a BASSA temperatura SORGENTE FREDDA Tipicamente H2 o D2 liquido a 20 K > 100 meV per un moderatore a ALTA temperatura SORGENTE CALDA Tipicamente un blocco di grafite a 2000 K In realtà la temperatura effettiva di equilibrio è superiore (*1.5) alla temperatura fisica del moderatore perché l’equilibrio completo non si può raggiungere in un moderatore di dimensioni finite.

Moderazione dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Moderazione dei neutroni Un problema davvero in comune? Ai fini dello scattering di neutroni: la prestazione di un reattore dipende dal flusso ottenuto ad ogni energia la prestazione di una sorgente pulsata dipende dal flusso e dalla larghezza dell’impulso Su reattore, il sistema sorgente-moderatore viene ottimizzato per avere alto flusso nella regione “termica”. Su sorgente pulsata, per avere impulsi stretti e buon flusso epitermico. Sorgente pulsata a spallazione Il flusso epitermico aumenta “sottomoderando”. La larghezza dell’impulso è minore “sottomoderando”. Su sorgenti pulsate i moderatori hanno dimensioni limitate. Un moderatore ha dimensioni lineari confrontabili con quelle del TARGET! TARGET (~ 20 cm!!!)

Moderazione dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Moderazione dei neutroni il caso del reattore Su reattore la combinazione sorgente-moderatore è scelta in modo da massimizzare il flusso “termico” alla distanza più conveniente dal core. In genere la sorgente viene leggermente sottomoderata a questo scopo. Reattore da 20 MW smaller core High abs & scatt. Low abs & scatt.

D2O H2O Un esempio: il reattore di Grenoble Sorgenti fredde e calda Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 2.5 m Un esempio: il reattore di Grenoble D2O moderator H2O THE CORE 93% enriched 235U single fuel element Raffreddato ad H2O 40 cm Single control rod (central) Picco di flusso neutronico termico a ~ 15 cm dal core … E’ QUI che puntano i beam tube o nel cui intorno sono posizionati materiali per realizzare sorgenti calde o fredde Sorgenti fredde e calda

Il reattore di Grenoble Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il reattore di Grenoble Safety rod Neutron guide pool Reflector Double neutron guide Vertical cold source Core Horizontal cold source Control rod Consultiamo l’enciclopedia alla voce radiazione Cerenkov …. “… emissione luminosa che ha luogo quando una particella carica attraversa un mezzo con velocità superiore alla velocità (di fase) della luce in quel mezzo. E’ particolarmente visibile nei reattori ad acqua per la presenza di raggi β (elettroni o positroni) veloci nei prodotti di fissione”

Un esempio: il reattore di Monaco Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Un esempio: il reattore di Monaco I tubi per il trasporto del fascio neutronico (beam tubes) possono essere disposti radialmente o tangenzialmente rispetto al core: beam tube radiali garantiscono un maggior flusso neutronico, ma al costo di … tanti raggi  Consultiamo l’enciclopedia alla parola raggi Gamma…. “… radiazione elettromagnetica di alta energia (dal keV al MeV) emessa naturalmente dalle sostanze radioattive. Quando un nucleo emette una particella β rimane in una condizione eccitata e tende a tornare allo stato stabile irradiando l’energia in eccesso sotto forma di radiazione luminosa di altissima frequenza () … NdR: sono dei potenti distruttori di cellule (fortunatamente anche tumorali) e sono il peggior nemico nella rivelazione di neutroni…” beam tube tangenziali riducono l’influenza da raggi , ma al costo di … una perdita di flusso

Il trasporto dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il trasporto dei neutroni I neutroni, essendo privi di carica, non sono facilmente deflessi o focalizzati. Subiscono tuttavia effetti di gravità. Il fascio viene in generale “preparato” all’utilizzo tramite l’uso di tubi assorbenti, diaframmi e/o superfici riflettenti. I dispositivi utilizzati lungo il cammino dei neutroni dal moderatore allo strumento sono principalmente tre: Black tubes Collimatori Soller Guide

Il trasporto di neutroni Black tubes Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il trasporto di neutroni Black tubes Questi elementi vengono spesso usati per trasportare i neutroni dal moderatore al primo componente di uno strumento. Quest’ultimo ha di solito dimensioni inferiori rispetto alla sorgente e il tubo è perciò convergente. Sono progettati in modo da: non moderare o riflettere i neutroni (i.e. sono elementi passivi) non inviare sul componente neutroni scatterati dalle pareti del tubo (motivo della sporgenza dei dischi assorbitori) massimizzare l’intensità I neutroni viaggiano direttamente dal moderatore al componente con minimizzazione del fondo può raggiungere 2°…

Il trasporto di neutroni Collimatori Soller Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il trasporto di neutroni Collimatori Soller Sono dispositivi estremamente diffusi per collimare i fasci neutronici e permettono di ridurre la divergenza (in un solo piano), a vantaggio della risoluzione dello strumento, pur mantenendo un’area disponibile al fascio piuttosto grande. Possono ridurre la divergenza del fascio fino a valori anche di soli 0.2°, se la conseguente perdita di intensità con collimazioni “spinte” non è punitiva per lo strumento/esperimento. La reale efficienza (alta trasmissione e basso background) di un Soller è limitata da: Tipo, spessore, uniformità del materiale assorbitore Non-idealità delle proprietà geometriche Materiale delle lamine IDEAL 10B4C , Gd2O3 … mescolati in colle o vernici NB: i collimatori per neutroni non sono solo i Soller…

Il trasporto di neutroni Guide Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il trasporto di neutroni Guide Questi componenti sfruttano il fenomeno della riflessione totale da una superficie lucida in modo da trasportare i neutroni per grandi distanze (10-100 m) senza perdite importanti. Gli elementi delle guide sono in genere a sezione quadrata (25 cm2) e lunghi 1 m VANTAGGI Portare il fascio molto lontano dal reattore riduce il background e fornisce molto più spazio per costruire gli strumenti Su sorgenti pulsate l’uso delle guide consente cammini incidenti lunghi, cruciali per la risoluzione Mettendo in successione più guide in modo da approssimare un arco di cerchio, si riesce a curvare il fascio in modo da non vedere la sorgente e impedire a neutroni veloci e raggi  di raggiungere gli strumenti Ma capiamo meglio la riflessione dei neutroni …

Il trasporto di neutroni La riflessione totale Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il trasporto di neutroni La riflessione totale Pseudo-potenziale di Fermi Un neutrone fuori da un materiale avverte dunque un potenziale medio (N = densità numerica): Se il neutrone ha energia cinetica inferiore a U non può superare la barriera di potenziale. Viene riflesso dunque se Ammettiamo  fissata e minore di *. Chi conta è la componente di k perpendicolare alla superficie… kc n2=1-(kc / k)2=cos2 c Un neutrone con  >  * sarà =  * riflesso indipendentemente dall’angolo di incidenza Questo ci porta ad individuare il valore critico kc per il quale si ha riflessione totale per incidenza non normale. kc

Il trasporto di neutroni Guide curve Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Il trasporto di neutroni Guide curve n2 = cos2 c = 1 – sin2 c = 1 - (kc / k)2= 1 - b N 2/ Allora poiché c è piccolo (tipicamente fra 0.8 e 2 mrad per neutroni da 1 Å e vari materiali) sin c ≈ c = (b N / )1/2  e n2 = 1 – c2 La trasmissione di una guida è proporzionale a c2 Possibili materiali

Argomenti principali Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Argomenti principali Rivelazione dei neutroni Tipici rivelatori Efficienza e tempo morto di un rivelatore Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni Diffrattometri

La rivelazione dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione dei neutroni L’assenza di carica rende i neutroni:  molto adatti a studi della materia condensata  difficili da rivelare direttamente La rivelazione dei neutroni si avvale di reazioni nucleari che convertono l’arrivo di un neutrone in un materiale (gassoso o solido) in particelle secondarie rivelabili (elettroni, fotoni). Le reazioni nucleari principalmente utilizzate sono: 7Li(7%) / 7Li* (93%) excit. 2.80 1.33(7%) / 0.84 (93%) Gas detectors Mainly used in 10BF3 gas detectors 195 Scintillation detectors Fission chambers

La rivelazione di neutroni Meccanismi principali Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Meccanismi principali In seguito alla cattura di un neutrone da parte di un nucleo con elevata sezione d’urto di assorbimento, i prodotti di reazione altamente energetici possono: ionizzare un gas  produzione di un enorme numero di coppie (Ione+,e-): RIVELABILE! creare eccitazioni elettroniche nel materiale ospite (ZnS) con emissione di radiazione elettromagnetica (fotoni): RIVELABILE!

?? La rivelazione di neutroni Contatori a gas Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Contatori a gas Il gas viene mantenuto in un cilindro metallico munito di due elettrodi. L’anodo centrale viene mantenuto ad alta tensione (1-2 kV). Gli elettroni (primari), generati dalla ionizzazione del gas, sono accelerati dal campo elettrico e raggiungono rapidamente l’anodo, causando una caduta di tensione che può essere misurata. Se tale caduta ha il valore atteso, ciò testimonia l’arrivo di un neutrone nel detector e l’evento è registrato dall’elettronica. ??

La rivelazione di neutroni Contatori a gas Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Contatori a gas Idealmente, il numero di elettroni che giungono all’anodo (e quindi la caduta di tensione registrata) dovrebbe essere proporzionale (da cui il nome) all’energia Q della reazione nucleare utilizzata, ovvero all’energia rilasciata dalle particelle ionizzanti. Riportando i conteggi (impulsi) registrati in funzione della tensione dell’anodo, si dovrebbe osservare una singola riga posizionata ad un valore di tensione più basso della tensione di lavoro dell’anodo, con  proporzionale a Q, e, 1/C. C è la capacità elettrica del rivelatore, nota dalla geometria. counts 1.5 kV -  1.5 kV Anode Voltage   Ovviamente non è così….

Si ottiene segnale forte e facilmente discriminabile dal resto Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Contatori a gas Non è così perché…. In realtà il  ottenuto in questo modo è piccolo (segnale troppo debole) I raggi  producono anch’essi ionizzazione, seppur inferiore a quella prodotta dai frammenti di fissione. Se non troviamo il modo di aumentare il segnale dovuto ai neutroni, questo sarebbe indistinguibile da quello dei . C’è rumore, sia elettronico che dovuto ai raggi  Counts C’è l’effetto “parete” Ma una soluzione c’è….  Se il campo elettrico fra gli elettrodi supera un valore critico , gli elettroni acquistano un’accelerazione tale da ionizzare a loro volta il gas: moltiplicazione “a valanga” degli elettroni raccolti all’anodo (guadagno: 106). Con opportuna progettazione si può fare in modo che il numero di questi elettroni “secondari” sia proporzionale a quello dei primari, e quindi di nuovo a Q. Si ottiene segnale forte e facilmente discriminabile dal resto L’elettronica registra solo quei conteggi che hanno dato tensioni  superiori ad un valore di soglia

La rivelazione di neutroni Rivelatori a gas sensibili alla posizione Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Rivelatori a gas sensibili alla posizione (PSD) tn t1 t2 Con un anodo resistivo si può realizzare un rivelatore sensibile (linearmente) alla posizione in cui è stato catturato il neutrone: PSD unidimensionale L’impulso di carica indotto dal neutrone viene misurato ai due capi dell’anodo. Metodi possibili: Si misura direttamente la carica confrontando l’altezza degli impulsi in arrivo agli estremi Si misura la differenza in tempo di arrivo degli impulsi: l – 2 x = ve (t2- t1)

La rivelazione di neutroni Scintillatori Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Scintillatori Sono rivelatori: ECONOMICI Veloci in risposta (< 100 ns, contro 1-5 s…) Sottili e adattabili a varie geometrie (adatti per la rivelazione in esperimenti ToF) Adatti a rate di conteggio elevati (per via della sensibilità ai raggi )

La rivelazione di neutroni Rivelatori a gas VS scintillatori Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Rivelatori a gas VS scintillatori Sia perché 3He ha una sezione d’urto di assorbimento 5 volte più grande di quella del 6Li alle energie termiche, sia perché le pressioni del gas nel contatore possono raggiungere valori fino a 20 bar (alta densità di assorbitori) Ma esistono anche i rivelatori a 3He ‘schiacciati’ (squashed)... usati su vari strumenti basati sull’analisi in tempo di volo (ToF) Ma come si quantifica l’efficienza di un rivelatore? E cosa determina la velocità di risposta?

La rivelazione di neutroni Efficienza di un rivelatore Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Efficienza di un rivelatore Premessa: trasmissione e assorbimento Un fascio di neutroni che attraversa un materiale viene attenuato a causa dei due (2) possibili eventi che possono rimuovere neutroni: assorbimento & scattering. Nel caso ideale in cui un fascio uniforme, collimato, e monocromatico attraversa un materiale omogeneo in forma di lastra piana, di densità numerica n, e perpendicolare al fascio, allora l’intensità trasmessa è: L dx x I0 Frazione di neutroni Trasmessi Frazione di neutroni Rimossi dal fascio per assorbimento e/o scattering Se il materiale è prevalentemente assorbente (s  0, T  a ) la frazione di neutroni rimossi dal fascio è:

La rivelazione di neutroni Efficienza di un rivelatore Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Efficienza di un rivelatore L’efficienza è il potere assorbente del rivelatore. Per un rivelatore piatto è dunque proprio il coefficiente A visto prima. L’efficienza dipende da: a) il particolare materiale assorbente (a) b) la geometria del rivelatore c) Energia dei neutroni (scatterati dal campione e ) che raggiungono il rivelatore  k0 k1  Approssimativamente si usa assumere che l’assorbimento vada come 1/v (v = velocità del neutrone) : “più un neutrone è lento, più tempo trascorre in prossimità di un nucleo, e più è probabile che avvenga la reazione nucleare…”  a  1/v v1  a(v1) = v2  a(v2) Equivalentemente, si usa dire che l’assorbimento va come la lunghezza d’onda   a   a(1) / 1 =  a(2) / 2 Le sezioni d’urto di assorbimento dei vari nuclei sono tabulate per neutroni alle energie termiche (th=1.798 Å, vth=2200 m/s, Eth = 25 meV) Infatti l’assorbimento dipende dall’energia del neutrone k0 è il vettore d’onda incidente. Il modulo di k0 è k0=2/0 k1 è il vettore d’onda scatterato. Il modulo di k1 è k1=2/1 Per un rivelatore slab di spessore L e contenente gas di densità nD è: Per un rivelatore cilindrico (raggio r) perpendicolare al fascio è: r y dy x L(y)

La rivelazione di neutroni Tempo morto di un rivelatore Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Tempo morto di un rivelatore Dopo la rivelazione di un neutrone, esiste un intervallo di tempo finito durante il quale il rivelatore non è in grado di registrare altri eventi. Durante questo tempo morto il rivelatore è “cieco” e si assume che neutroni in arrivo sul detector durante il tempo morto non diano luogo ad un ulteriore tempo morto. Il tempo morto dipende tipicamente da: Tipo di rivelatore Varia elettronica associata Per un multirivelatore PSD a gas il tempo morto complessivo dipende principalmente da: Gli amplificatori (tempo di salita dell’impulso ~ 1 s) Tempo necessario per stabilire la posizione di arrivo del neutrone (inclusi confronti incrociati fra più rivelatori, 1-2 s)  Unità di acquisizione (velocità delle schede elettroniche usate) Se Sm è il rate di conteggio (n/s) misurato in un tempo T, allora: Sm T = numero complessivo di neutroni rivelati Sm T  = tempo morto totale = Td Il rate di conteggio corretto per il tempo morto è (detector ideale, =0)

La rivelazione di neutroni Multirivelatori, rivelatori 2D… Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Multirivelatori, rivelatori 2D… I neutroni sono diffusi (da un campione isotropo) in tutte le direzioni: perché buttarli via? Per questo motivo, molti strumenti hanno aree di rivelazione estese. Le configurazioni possibili sono molteplici. Multirivelatori a gas “Banana” multi-tubo Bidimensionale multi-tubo “Banana” a catodo comune Bidimensionale a camera comune Non dimentichiamo il beam stop!

La rivelazione di neutroni Multirivelatori, rivelatori 2D… Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 La rivelazione di neutroni Multirivelatori, rivelatori 2D… PSD bidimensionale a scintillazione Multirivelatori PSD a scintillazione Vi sono vari altri tipi di rivelatori (davvero!), ma i più importanti sono gli HRSD

Sensitive Detectors (HRSD) Piperita Patty: un (mio) mito…. Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2009 Human Reaction Sensitive Detectors (HRSD) Piperita Patty: un (mio) mito…. Urge una pausa, giusto?