Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

Presentazione sul tema: "Società Italiana di Spettroscopia Neutronica"— Transcript della presentazione:

1 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica
Giornate Didattiche 2011 Diffrazione ad alti angoli: configurazioni strumentali dalla sorgente al rivelatore e principi di misura Eleonora GUARINI Dipartimento di Fisica, Università di Firenze Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina – 30 Giugno 2011

2 Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina 25 – 30 Giugno 2011
Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Userò in queste lezioni molti disegni a mano libera fatti da Colin CARLILE Lo ringrazio qui per le sue lezioni e per il materiale didattico Hotel Steinpent, S. Giovanni in Valle Aurina – 30 Giugno 2011

3 Argomenti principali Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni
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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

4 Sorgenti di neutroni Come si producono i neutroni?
La fissione spontanea è l’unico fenomeno naturale che produce neutroni. 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… ” Giornate Didattiche SISN 2011 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

5 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 MeV  206Pb particelle  = nuclei di 4He NEUTRONI! Questa è solo una delle tante possibili reazioni che producono neutroni… Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

6 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 Fra i metodi affrontabili in termini di costi ce ne sono principalmente due: Fissione (dell’Uranio) e Spallazione La Fissione dell’Uranio-235 è quella solitamente impiegata nei reattori nucleari Giornate Didattiche SISN 2011 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

7 Sorgenti di neutroni Reattori a fissione nucleare neutroni veloci
Ciascuna fissione produce in media 2.5 neutroni veloci (energia ~ 1 MeV  velocità ~ km/s!!!) e circa 180 MeV di energia n(term) + 235U  2 frammenti n MeV neutroni veloci nucleo composto frammenti di fissione (nuclei di elementi medio-pesanti, e.g. bromo e lantanio) neutrone termico Giornate Didattiche SISN 2011 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

8 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” ed 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 (ovvero n / s utilizzabili) (6.7  1017 fissioni / s) x (2.5 n / fissione) = 1.7  1018 n / s rilasciati nel core del reattore Reattore di Grenoble da 58 MW: 2.0  1018 n / s utilizzabili Una lampadina da 1 W emette 6  1018 fotoni/s (da 1 eV) Le sorgenti di neutroni sono scarse in numero di particelle! Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

9 Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione
“to spall” = “scheggiare”, “sbriciolare” VANNO RALLENTATI!! 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

10 I protoni di alta energia vengono ottenuti in due stadi:
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). Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

11 Vediamoci un breve filmato….
Sorgenti di neutroni Sorgenti a spallazione R = 26 m Vediamoci un breve filmato…. Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

12 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” ed 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, 4 C / 1.6  C = 2.5  1013 protoni/impulso) Calcolo per confrontarsi con i reattori: 200  10-6 A / 1.6  C = 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 Attenzione però: la larghezza temporale dell’impulso di neutroni in arrivo su uno strumento dipende dal moderatore 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 a tempo di volo)

13 Moderazione dei neutroni
Premesse sui valori di energia di tipico interesse Prima di discutere i metodi utilizzati per portare la velocità dei neutroni ai valori utili per la ricerca in studi sulla materia condensata, classifichiamo le energie e facciamo minimi confronti. Premessa: classificazione delle energie dei neutroni Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

14 (H, D, Be, C…) di un materiale posto attorno alla sorgente
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 con gli atomi leggeri (H, D, Be, C…) di un materiale posto attorno alla sorgente Perché “LEGGERI” ????? Un caso estremo: mn=  kg M >> mn mn=  kg M ≈ mn Nella forte approssimazione di urto unidimensionale e frontale con un atomo (di massa M) fermo nel sistema di laboratorio, le condizioni di conservazione di energia cinetica e impulso impongono che la velocità del neutrone rimanga invariata in modulo se M >> mn . Se invece M ≈ mn , allora neutrone e atomo si scambiano le velocità.

15 Moderazione dei neutroni
Spettro in energia su reattore Distribuzione dei neutroni TERMICI in equilibrio con il MODERATORE: distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità alla temperatura Tm del moderatore I(E) ~ E / (k Tm)2 exp [- E / (k Tm)] per E < 200 meV 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) Distribuzione dei neutroni “sorgente” VELOCI Distribuzione dei neutroni EPITERMICI “slowing down region” dove I(E) ~ 1/E dove i neutroni stanno perdendo energia nel processo di moderazione Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

16 Moderazione dei neutroni
Spettro in energia su reattore 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 > 100 meV per un moderatore a ALTA temperatura SORGENTE CALDA Tipicamente un blocco di grafite a 2000 K < 10 meV per un moderatore a BASSA temperatura SORGENTE FREDDA Tipicamente H2 o D2 liquido a 20 K In realtà la temperatura effettiva di equilibrio è superiore (1.5 volte superiore) alla temperatura fisica del moderatore perché l’equilibrio completo non si può raggiungere in un moderatore di dimensioni finite. Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

17 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. Il flusso epitermico aumenta “sottomoderando”. La larghezza dell’impulso è minore “sottomoderando”. Su sorgenti pulsate i moderatori hanno dimensioni limitate. Caso del reattore (spettro poco esteso in energia) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

18 Moderazione dei neutroni
Un problema davvero in comune? Sorgente pulsata a spallazione Un moderatore ha dimensioni lineari confrontabili con quelle del TARGET! TARGET (~ 20 cm!!!)

19 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 (only 7 ‰ 235U) smaller core L’U naturale come combustibile richiede l’uso di D2O per via del basso assorbimento A parità di potenza, l’U arricchito in H2O dà flusso maggiore per via della maggior densità di potenza (si può fare core più piccolo) High abs & scatt. Low abs & scatt.

20 D2O H2O Un esempio: il reattore di Grenoble Sorgenti fredde e calda
moderator Un esempio: il reattore di Grenoble H2O THE CORE 93% enriched 235U single fuel element H2O cooling 40 cm Single control rod (central) BRISP 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

21 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 emessi nei decadimenti dei frammenti di fissione” Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2010

22 Parentesi sull’effetto Cerenkov
(c/n) t c velocità della luce nel vuoto c/n velocità della luce nel mezzo n indice di rifrazione del mezzo t tempo cos = c / (n v)  v t

23 Beam tubes : per es. al 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 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

24 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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

25 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, per una prima ‘rozza’ collimazione (2°) . 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 può raggiungere 2°… I neutroni viaggiano direttamente dal moderatore al componente con minimizzazione del fondo Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

26 mescolati in colle o vernici
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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

27 NB: i collimatori per neutroni non sono solo i Soller…
Il trasporto di neutroni Collimatori Soller NB: i collimatori per neutroni non sono solo i Soller… Giornate Didattiche SISN 2011 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

28 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 ( 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 disporre 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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011 Ma capiamo meglio la riflessione dei neutroni …

29 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 Legge di Snell kc Un neutrone con  >  # sarà =  # riflesso indipendentemente dall’angolo di incidenza, purché abbia k non nulla. Questa condizione è sul modulo k poiché corrisponde al caso di incidenza normale. Ma k  k per i =  / 2, quindi la condizione è in realtà su k nel caso generale di incidenza non normale e per < #

30 Il trasporto di neutroni La riflessione totale
kc Questo ci porta ad individuare il valore critico kc sotto il quale si ha riflessione totale per incidenza non normale: a bN fissato (materiale riflettente) e k fissato (energia definita del fascio), ciò fornisce il valore di c al di sotto del quale si ha riflessione totale. n2=cos2 c n2 = 1 – sin2 c = 1 - (kc / k)2= 1 - b N 2/ Inoltre, poiché c è piccolo (tipicamente fra 0.8 e 2 mrad per neutroni da 1 Å e vari materiali), vale l’approssimazione: sin c ≈ c = (b N / )1/2  = kc / k e n2 = 1 – c2 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

31 Il trasporto di neutroni La riflessione totale
Il valore critico kc (limite superiore per k per avere riflessione totale) dipende da Nb, quindi l’uso di materiali con Nb grande ha due immediati vantaggi: Avere kc grande significa avere c più grandi a parità di energia. La trasmissione di una guida è proporzionale a c2 2) Avere kc grande permette riflessione totale di neutroni più energetici a parità di angolo. Possibili materiali Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

32 Il trasporto di neutroni Guide curve
L’apetura a e il raggio di curvatura R determinano il valore L0 per la lunghezza della guida che permette di uscire completamente dalla vista dell’apertura di ingresso L’angolo * può essere associato ad una lunghezza d’onda caratteristica * per un dato materiale. Le riflessioni a zig-zag danno un fascio ben distribuito all’uscita della guida, ma hanno luogo solo per  > *, ovvero quando l’angolo critico è sufficientemente grande da permettere riflessioni da entrambe le pareti. Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

33 Argomenti principali Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni
Rivelazione dei neutroni Tipici rivelatori Efficienza e tempo morto di un rivelatore Rivelatori per neutroni Sorgenti di neutroni Diffrattometri Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

34 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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

35 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! Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

36 Vi sono vari tipi di rivelatori (davvero
Vi sono vari tipi di rivelatori (davvero!), ma i più importanti sono gli HRSD Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

37 Sensitive Detectors (HRSD) Piperita Patty: un (mio) mito….
Human Reaction Sensitive Detectors (HRSD) Piperita Patty: un (mio) mito…. Urge una pausa, giusto? Spaghetti, pollo, insalatina e una tazzina di caffè … F. Migliacci, F. Bongusto, “Spaghetti a Detroit”, Ed. Settenote (1968). Cantata da Fred Bongusto Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

38 ?? 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. ?? Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

39 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. Il segnale analogico in funzione della tensione dell’anodo dovrebbe corrispondere ad 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. signal 1.5 kV -  kV Anode Voltage   Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011 Ovviamente non è così….

40 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  C’è l’effetto “parete” Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

41 Si ottiene segnale forte e facilmente discriminabile dal resto
La rivelazione di neutroni Contatori a gas Non è così perché…. In realtà il  ottenuto in questo modo è piccolo (segnale troppo debole) C’è rumore, sia elettronico che dovuto ai raggi  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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

42 La rivelazione di neutroni Contatori a gas
Counts Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

43 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 misurano i tempi di arrivo degli impulsi agli estremi: x / t1 = (ℓ - x ) / t2 Da cui x = (ℓ t1 ) / (t1 + t2) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

44 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 ) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

45 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? Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

46 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: Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

47 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 Infatti l’assorbimento dipende dall’energia del neutrone 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) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

48 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  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) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica

49 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) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

50 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. 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) Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011

51 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 Società Italiana di Spettroscopia Neutronica Giornate Didattiche SISN 2011 Non dimentichiamo il beam stop!

52 La rivelazione di neutroni Multirivelatori, rivelatori 2D…
PSD bidimensionale a scintillazione Multirivelatori PSD a scintillazione