Nell'ambito della costruzione del complesso di macchine acceleratrici DA NE è stata prevista la costruzione e l'esercizio di una facility volta all'utilizzo.

Presentazione sul tema: "Nell'ambito della costruzione del complesso di macchine acceleratrici DA NE è stata prevista la costruzione e l'esercizio di una facility volta all'utilizzo."— Transcript della presentazione:

1 Nell'ambito della costruzione del complesso di macchine acceleratrici DA NE è stata prevista la costruzione e l'esercizio di una facility volta all'utilizzo di fasci di elettroni a bassa intensità non superiore comunque a 10 3 e - s -1. I LNF hanno preso la decisione di aumentare l'intensità del fascio di elettroni fino a un massimo di 3.12 X 10 10 e - s -1 allo scopo sia di effettuare le calibrazioni dei rivelatori di particelle, che di poterlo utilizzare in studi di tipo radioprotezionistico (dosimetria, schermature, taratura strumentazione, validazione di codici di Montecarlo nell'ambito della protezione di schermature, radiation damage, etc.) La facility in parola è costituita da una linea di trasporto sottovuoto, con elementi magnetici (due magneti e quattro quadrupoli) per la deflessione e la focalizzazione delle particelle, terminante appunto nell'area BTF.

2 Le condizioni di funzionamento previste sono le seguenti: Energia massima degli elettroniE e- = 800 MeV Corrente massima di piccoI p = 10 mA Frequenza di ripetizione = 1 ÷ 50Hz Durata dell'impulso = 10 ns

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4 Obbiettivi di progetto Gli obbiettivi di progetto, peraltro gli stessi del progetto DA NE, prevedono che le dosi nelle aree esterne delle schermature frequentate dal personale siano mantenute al di sotto di 1-2 mSv/anno, nelle normali condizioni di lavoro. Eventuali discostamenti potrebbero al più provocare la classificazione di alcune aree come zone sorvegliate o controllate. Nelle normali condizioni di lavoro il rateo di equivalente di dose non dovrebbe superare qualche Sv/h mentre in condizioni non abituali si potrebbero accettare, per breve durata di tempo, valori fino a qualche decina di Sv/h. Ratei maggiori verrebbero eliminati dal sistema di controllo radiologico.

5 Campi di radiazione istantanea sono generati dalle perdite di fasci lungo le linee da vuoto degli acceleratori Perdite attese In particolare perdite parziali o totali sono attese intorno a componenti quali Setti di iniezione Collimatori Beam stoppers Pozzi di spegnimento Fenditure Perdite non attese Non attese sono le perdite dovute a malfunzionamenti malregolazioni

6 Quando un fascio di elettroni di alta energia colpisce un materiale targhetta, nel mezzo colpito si propaga una cascata elettromagnetica. Le particelle secondarie prodotte altro non sono che la radiazione istantanea di cui allaltra trasparenza. I campi di radiazioni al di la degli schermi sono essenzialmente costituiti da fotoni e da neutroni. A piu alte energie dellordine del GeV vanno considerati anche i muoni in un cono ristretto intorno alla direzione a zero gradi. La prossima figura da un esempio di quello che sono la dosi attese intorno a una targhetta

7 Rateo di equivalente di dose per unita di potenza atteso da un fascio di elettroni su una targhetta in assenza di schermature a 1 metro di distanza. Lampiezza delle bande dipendono dal tipo di targhetta utilizzata e dal suo spessore

8 Critical energy E c : dE/dx| col = dE/dx| rad E c [MeV] = 800/(Z + 1.2) Lenergia critica E c per un dato materiale definisce il confine fra le perdite di energia per collisione o per irraggiamento. Ne consegue che negli acceleratori di alta energia gli elettroni sono ad energie ben al di sopra dellenergia critica. Ma vediamo come si sviluppa la cascata.

9 Un elettrone con energia E>>E c genera un fotone dopo aver fatto un percorso X 0 (g cm -2 ), chiamata lunghezza di radiazione, rilasciando una energia pari a (1-1/e)=0.63.Detto fotone genera una coppia e cosi via Brems coppie brems … ~1 X 0 for electons, ~9/7X 0 for photons X 0 = lunghezza di radiazione ( lenergia di e - si riduce ad 1/e) La moltiplicazione cessa quando E e scende al di sotto E c

10 Cascata in W (E 0 = 10 GeV) photons electrons positrons

11 S (barn/atom) Sezioni durto delle principali interazioni dei fotoni in rame. 1 barn=10 -28 m 2 Sono prodotti via fotoproduzione neutroni di varie energie. Alcuni di questi neutroni costituiscono la componente piu penetrante della radiazione determinando i livelli di dose al di ladegli schermi spessi.

12 Termini sorgente Ai fini della valutazione delle schermature vengono considerate le seguenti componenti: bremmsstrahlung neutroni della risonanza gigante neutroni di alta energia.

13 a) Bremmsstrahlung Nel caso di bersagli spessi ad alto Z vengono assunte rispettivamente le seguenti espressioni a 0˚ e 90˚: 0˚ (1) 90˚ (2) dove E 0 rappresenta l'energia del fascio di elettroni incidente espresso in MeV. Per angoli intermedi (10˚ e 90˚) si può assumere una dipendenza dall'angolo 3/2.

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15 Risonanza gigante La produzione di neutroni della risonanza gigante nel caso di bersagli spessi ad alto Z, può essere espressa trascurando l'autoassorbimento da: La distribuzione angolare di questi neutroni è isotropa e l'energia media è di qualche MeV.

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17 Neutroni di alta energia Neutroni di alta energia a 400 MeV fra 0˚ e 30˚ 2.5x10 -4 n sr/e - fra 30˚ e 60˚ 2.1x10 -4 n sr/ e - fra 60˚ e 120˚ 1.2x10 -4 n sr/ e - Lo steradiante elangolo solido, che avendo il vertice al centro di una sfera, delimita sulla superficie di questa unarea pari a quella di un quadrato di lato uguale al raggio della sfera

18 I coefficienti di attenuazione sono stati scegli in maniera tale che l'approssimazione fosse del tutto conservativa.

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21 f NHE = 1.8 Sv / h / ncm -2 s -1

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23 1 watt = 1J/s1 eV = 1.6 10 -19 J

24 Nell'ipotesi che la distanza r del punto di interesse sia pari a 850 cm (direzione 0˚) di cui 780 cm fino al bordo del muro più 50 cm di calcestruzzo ordinario di spessore del muro piu' 20 cm di distanza dal muro del punto di interesse e che venga utilizzato uno schermo eterogeneo piombo+calcestruzzo l'andamento dell'attenuazione della componente elettromagnetica viene riportato nella figura

25 10 -10 10 -8 10 -6 0.0001 0.01 1 100 10 4 6 0100200300400500 Attenuazione componente elettromagnetica O gradi 0 cm Pb 10cm Pb 15 cm Pb 20 cm Pb Equivalente di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo caricato 10 -6 0.0001 0.01 1 100 10 4 6 0100200300400500 Attenuazione componente elettromagnetica a 0 gradi 0 cm Pb 10cm Pb 15 cm Pb 20 cm Pb Equivalente di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo ordinario

26 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 0.01 1 100 0 50 100150200250300350 Attenuazione componente elettromagnetica a 90 gradi 0cm Pb+50cm ordinario+ordinario 10cm Pb+50cm ordinario+ordinario 15cm Pb+50cm ordinario+ordinario 20cm Pb+50cm ordinario+ordinario 30cm Pb+50cm ordinario+ordinario Equivalente di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo ordinario (cm) Figura 5 10 -16 10 -14 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 0.0001 0.01 1 100 050100150200250300 350 0cm Pb+50cm ordinario+caricato 10cm Pb+50cm ordinario+caricato 15cm Pb+50cm ordinario+caricato 20cm Pb+50cm ordinario+caricato 30cm Pb+50cm ordinario+caricato Equivalente di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo caricato (cm) Attenuazione componente elettromagnetica a 90 gradi

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31 10 -4 10 -2 10 0 2 4 6 050100150200250300350400 Attenuazione Totale 0 gradi Htot (0 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (15 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (20 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (30 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (10 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Equivalente di dose totale (µSv/h) Spessore calcestruzzo (cm) Figura 11 10 -4 10 -3 10 -2 10 10 0 1 2 3 4 050100150200250300350400 Htot (0 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (10 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (15 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (20 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (30 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Equivalente totale di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo (cm) Attenuazione totale 90 gradi Figura 12

32 Sulla base degli obbiettivi di progetto e delle curve di attenuazione sopra riportate la schermatura laterale prevista per il laboratorio BTF, funzionante alla massima potenza risulta essere pari a 1 m di calcestruzzo caricato (3.4 g/cm 3 ) più 15 cm di piombo, sia nella direzione in avanti che a 90°, nellipotesi che sia sempre presente una schermatura preesistente di 50 cm di calcestruzzo ordinario. Gli spessori sopra indicati possono essere sostituiti da spessori equivalenti di altri materiali.

33 Il laboratorio di test BTF ha un volume pari a 12.35x6.80x6.80 m 3 Nella presente relazione per il calcolo dello skyshine si e' fatto uso della seguente formula tratta da dal lavoro di HIRAYAMA e BAN Review of shielding problems concerning Electron Accelerators. Skyshine dove r è la distanza del punto di misura e è il coefficiente di attenuazione in aria. Nella formula indicata si è supposto che la sorgente emetta su 2. Nel caso del BTF si ha che l'emissione utile è su /3.

34 A 100 m di distanza per 10 10 ns -1 si avrà Il valore = 600m probabilmente è un po' elevato rispetto all'energia dei neutroni che possiamo avere. Non si è considerato peraltro lo spessore di 39 cm di calcestruzzo (tetto dell'edificio). Facendo l'ipotesi che la radiazione incide a 30 lo spessore attraversato risulterà pari a 45 cm. Si avra' pertanto una attenuazione rispettivamente di un fattore moltiplicativo pari a 0.07 nel caso dei neutroni della risonanza gigante e 0.4 nel caso dei neutroni di alta energia. Il tetto risulta pertanto esser sufficiente alla eliminazione pressoché del problema dello skyshine.

35 PRODUZIONE DI GAS RADIOATTIVI La sala BTF ha un volume pari a 13x7x7m 3 =637m 3. Le condizioni previste di funzionamento sono: E e- = 800 MeV I p = 10 mA = 50Hz = 10 ns e il percorso in aria previsto per gli elettroni max = 780 cm min = 400 cm Nei calcoli vengono considerati soltanto i fotoni perché la produzione di gas radioattivi da fotoni è molto maggiore di quella diretta degli elettroni (differente sezione d'urto).

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