Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Produzione di neutroni alla Beam Test Facility (BTF) dei Laboratori.

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1 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 “n@BTF” Produzione di neutroni alla Beam Test Facility (BTF) dei Laboratori Nazionali di Frascati R. Bedogni, B.Buonomo, M. De Giorgi, A. Esposito, G. Mazzitelli, L.Quintieri.

2 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 The DA  NE BTF The BTF is a e  /e  test-beam facility in the Frascati DA  NE collider complex BTF high current Linac:  1  500 mA e  200 mA e ,  1 - 10 ns pulses, at least 10 7 particles Need to attenuate the primary beam:  Single particle regime is ideal for detector testing purposes  Allows to tune the beam intensity  Allows to tune the beam energy Need to attenuate the primary beam:  Single particle regime is ideal for detector testing purposes  Allows to tune the beam intensity  Allows to tune the beam energy

3 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 BTF layout LINAC tunnel main ring BTF Hall momentum analyzer 4 m 5.5 m Hall control room

4 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Selected energy (MeV) N. of particles detector 1e- 2e- 3e- 0 LINAC beam attenuation W slits 45 0 magnet tunable Cu target: 1.7, 2.0, 2.3 X 0 LINAC Beam 1-500 mA 0 100300 500 1 10 10 2 10 3

5 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Energy Range 25-750 MeV e-/e+ and gamma Max. Repetition Rate 50 Hz Pulse Duration 1-10 ns Particles/Pulese 1 to 10^5 particles Spot size ~ 2 mm @ 500 MeV single particle mode Divergence ~ 2 mm mrad @ 500MeV single particle mode Tagged gamma 20 ~ 700 MeV BTF beam characteristic (Cu target) Beam (e - or e + ) intensity can be adjusted by means of the energy dispersion and collimators, down to single particle per pulses Multi-purpose facility: H.E. detector calibration and setup Low energy calorimetry & resolution Low energy electromagnetic interaction studies High multiplicity efficiency …

6 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 BTF Beam characteristic (without Cu target) Energy Range ~300-750 MeV (e-) ~300-550 MeV (e+) emittance @ 510MeV 1 mm mrad (e-) 5 mm mrad (e+) Energy Spread @ 510 MeV 1% (e-) 2% (e+) Repetition Rate 1-50 Hz Number of particles per pulse ~ 10^7-10^11 Macro Bunch duration 1 or 10 ns Spot size (mm) ~ 2 cm Multi-purpose facility: … High multiplicity efficiency Detectors aging and efficiency Beam diagnostics and photo neutron production…

7 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 BTF Experimental Hall Experimental Set-up Taget with multiple beam extraction lines (MC model) e- beam neutron exit at different angle Transfer Line

8 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Neutron photo production P=N f E  N = number of particles per bunch (from 1 to10 10 particles/bunch)  f = injection frequency(1-50 Hz) (actully up to 49 bunches/s)  E = beam energy (nominal energy=510MeV)  Maximum RATE [e-/s]= N*f=10 10 *49=4.9 10 11 e-/s P max@BTF = 40 W Neutrons are generated by bremsstrahlung photons produced by high energy electrons impinging on target. The energy threshold is between 5 and 15 MeV and high Z material maximize the yield. Proton emission is repressed by coulomb field. Neutron flux is linearly dependent by the beam power

9 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009/cm2/cm2 Material Swanson** [n/kW s] E+12 Fluka* [n/kW s] E+12 n_yield [n/s] Tantalum2.132.379.48E+10 Lead1.982.068.24E+10 Tungsten2.422.671.10E+11 Electron beam @ 510 MeV; P_beam=0.04kW; Cylindrical Target (R=10X 0, L=10X 0 ) The values of Swanson refer to thick targets (≥ 10 X 0 ) and Ee=500 MeV The agreement is very good (difference less than 10 %): this makes us confident in the goodness of MC neutron source estimation Choice of the material Calculations have been done with the Fluka code* Validation of predictions made according Swanson semi-empirical correlation

10 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Optimized target chose tungsten instead of tantalum for the thermo dynamical properties (eg better conductivity). optimization of length and radius to have maximum neutron production and less absorption optimization of exiting neutron/gamma rate R = 35 mm (10X 0 ) L = 60 mm (15X 0 )

11 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 optimized target (cont) W cylinder R=35 mm (10X 0 ) L =60 mm (15X 0 ) (Z=74; ϱ =19 g/cm3; X0=0.35 cm; MR=0.9 cm) BEAM axis parallel to the cylinder target’s axis e- bunch Quite isotropic neutron flux Up to 100 MeV the spectrum is described as a Maxwellian distribution with average around 1 MeV Approaching the higher energies the Quasi-Deuteron Effects adds a tail of high-energy neutrons to the Giant resonance spectrum. The slope becomes stepper as the incident electron energy is approached Maximum rate @ 0.7 MeV= 0.1343 n/primary integragted on all the solid angle n/cm 2 /e -

12 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Expected Neutron and Photon Spectra Isolethargic Plot =(dF/dE)dE n yield1.1E11 n/s n exiting8.8E8 n/cm2/s photons1.9E10 ph/cm2/s Fluxes are integrated on all solid angle and energy spectrum @ target exit ZX Spatial distributions ZX Higher intensity and hardest Gammas in forward direction. More than 2 order of magnitudes of difference in photon fluxes @ 90° and 0 ° wrt beam direction Quite well isotropic

13 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Maximum room: 600x600 mm 2 Extraction Lines @ 90° wrt the beam direction (Φ Hole =70 mm) Shield Details 15 cm of lead (11g/cm3) (25 cm in the front dump ) 10 cm of polietilene (0.95g/cm3) Two Stainless Steel ring for supporting and centering the W target 15 mm Extraction lines In order to enhance the (n-signal/ph-background) ratio along the extraction lines, several cover configurations have been foreseen and studied and other solutions are under investigations. In particular we report the results for the following cases: 25 cm Lead Cover 10 cm Lead Cover Fully in air Exemple of a possible configuration Experimental layout

14 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Fluka Model Target+ Inner Air+ Layered Shield +External Air In the simulations an air volume of 260x260x260 cm3 has been introduced around the target. Dimension in cm

15 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Summary of Results: neutrons 1. How many neutrons exit the shield? 2. How many neutrons arrive to a spherical detector (D=60 cm) with center at 1m of distance? n@BTF FLUX n/cm2/s (all spectrum) CURRENT[n/s] (on all solid angle and spectrum) exiting the target= ϕ 1 (A) 8.80E+081.10E+11 entering the shield= ϕ 2 (B) 2.30E+087.70E+09 leaving the shield= ϕ 3 (C) 2.50E+079.60E+08 at 1m from shield= ϕ 4 (D) 3.0E+58.00E+08 Neutron Flux @ 1m from shield 3E+5 n/cm2/s equivalent dose=43 mSv/ h Max Neutrons Available @ BTF (on extraction line)

16 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Summary of Results: photons Effectiveness of shield at least: factor ~ 300 y y A A B B Photon Flux along y axis (averaged on the other two directions)

17 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Neutron dose around shield The neutron spectra around the shield (on the other sides w.r.t the extraction line) appear to be flatter on the energy range and suppressed of about 2 order of magnitude on the peak (at 0.7 MeV) with respect to the neutron spectrum at the shield exit through the hole. Neutron shielding is about a factor ~ 20 and will be increased with the introduction of a boron carbide sheet

18 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Neutron Spectra along extraction line in air Neutron Energy spectra at different distances along the extraction line As expected for, the neutron spectrum shape along the extraction line in air remains essentially unmodified whereas, the intensity of fluxes decreases according the inverse of square distance from the neutron source With the BTF Maximum Electron Beam= 5E+11 e/s, the neutron current (integrated on all spectrum) entering on a spherical detetor of 60 cm diameter at 1m from the shield has been estimated to be I_n= 8.E+8n/s 10 cm 30 cm 50 cm 70 cm 90 cm 100 cm e- n

19 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Photon Spectra along extraction line in air 10 cm 30 cm 50 cm 70 cm 90 cm 100 cm e- ph n@BTF at 1m from shield: Rate of particles (integrated on all the spectrum and solid angle) expected to enter the spherical detector of 60 cm Diameter with center 1m apart from the upper face of the shield in case of Maximum electrcon beam Neutron rate = 8E+8 n/s Photon rate = 7.8E+9 ph/s

20 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 ph vs n spectra for 3 different extraction lines SNR=(R n /R ph )=( ϕ n* A/ ϕ ph* A) A= accep_detector 1 2 case 2 hole cover =10 cm Pb 3 Signal to noise ratio enhancement case 1 hole in air case 3 hole cover =25 cm Pb

21 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Conclusioni  Lo studio di fattibilità, il confronto fra i codici, e i dati a nostra disposizione ci ha spinto a realizzare un test alla BTF per la produzione di neutroni.  Lo studio di fattibilità presentato alla comunità scientifica suggeriscono l’apertura di una nuova linea dedicata a gli utenti per lo sfruttamento dei neutroni.  Tutta la struttura per il primo test e’ stata ordinata e sarà disponibile entro fine anno  Il primo test e’ previsto per Marzo 2010 Grazie, Per info: http://www.lnf.infn.it/acceleratori/btf/

22 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 n@BTF motivations neutron detectors R&D and calibration in a wide energy range “high energy detector” efficiency, rejection and calibration neutron damage, chip irradiation study development of diagnostic detectors for low neutron flux and energy acquisition of the know-how for neutron source by photo-production (FEL) european facility in ISO standard (radioprotection) fundamental physics at low neutron energy (nano-technologies) simulation code (FLUKA/GEANT4/MCNPX) benchmark and comparison

23 Sorgenti di neutroni e loro applicazioni in ambito INFN – LNL 17-18-19 Novembre 2009 Lista dei gruppi che hanno mostrato particolare interesse per n@BTF (brain storming del 11/11/09) Lista dei gruppi che hanno mostrato particolare interesse per n@BTF (brain storming del 11/11/09) Gruppo Università di Roma Tor Vergata coordinato da Carla Andreani + Milano Bicocca (rif. G.Gorini) per sviluppo di strumentazione per beam-line (es rivelatori gamma per neutroni).+ (rif. Senes, Pitropaolo) per lo sviluppo di rivelatori al diamante in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria nucleare della Sapienza (Milani, Rinati) Gruppo LNF (rif. Patrizia Rossi)+ INFN Ge (Raffaella De Vita, Marco Battaglieri e Marco Ripani), per un utilizzo dei neutroni con uno spettro di alta energia a scopo di calibrazione di rivelatori Gruppo LNF (rif. Catalina Petrascu), interesse per fasci di neutroni con energia cinetica da pochi MeV a circa 200 MeV, per caratterizzare rivelatori (efficienza e processi fisici) per esperimenti di fisica nucleare, in particolare decadimenti di nuclei kaonici (AMADEUS su DAFNE, FOPI al GSI e esperimenti al JPARC). I flussi richiesti non sono altissimi, anzi, rate di alcune decine oppure KHz sono sufficienti. Gruppo Laboratorio LASA + INFN Milano (rif. Serafini, Broggi), per acquisizione di adeguato Know-how per sviluppo di una sorgente di neutroni da affiancare a quella di fotoni monocromatici nei FEL (SPARX: Laboratorio Interdisciplinare Fotoni ed Elettroni/Fasci Esotici) Grup de Fisica de les radiacions - Universitat Autonoma de Barcelona, Spain. Prof Carles Domingo & coworkers, fare calibrazioni di strumenti e dosimetri alle energie della risonanza FISA LNF: Dipartimento di Fisica Sanitaria dei LNF (rif A.Esposito) Teorici INFN (rif G.Isidori) per usi potenziali di fasci di neutroni in esperim. di fisica fondamentale (neutroni freddi per EDM del neutrone, prompt gamma activation analysis per applicationi in beni culturali e analisi elementale) Gruppo Fluka (rif. Battistoni) NRCA (neutron resonance capture analysis) archeometria, arceologi, beni culturali