Scattering anelastico di neutroni

Lo scopo della tesi è di illustrare le principali tecniche spettroscopiche per l'indagine della materia mediante l'uso dei neutroni come sonda, con particolare attenzione rivolta alla diffusione anelastica su campioni monocristallini. Nel testo vengono esposti i processi di produzione dei neutroni tramite spallazione, fissione e fusione nucleare, e si descrive il reattore nucleare dell'Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble. Inoltre, viene presentato uno studio della curva di dispersione dei modi vibrazionali acustici di un campione monocristallino di β-stagno a temperatura ambiente, effettuato presso l'ILL tramite un diffrattometro a triplo-asse. I risultati sono confrontati con i modelli teorici disponibili (S. H. Chen) e con dati sperimentali noti (J. M. Rowe).

Spettroscopia neutronica

La tesi si propone di descivere in generale i processi di produzione di neutroni e le tecniche per l’indagine della materia mediante scattering di neutroni. Si elucidano le potenzialità e i vantaggi dell’utilizzo dei neutroni nell’indagine della materia, descrivendo in modo basilare i concetti teorici della diffusione dei neutroni e le tecniche di scattering, in modo particolare lo scattering a piccolo angolo. Di questa tecnica si riporta un esperimento realizzato presso l’Institut Laue-Langevin, il quale posside gli sturmenti tra i più sofisticati al mondo per lo small-angle neutron scattering.

Boundary integral equations for acoustical inverse sound-soft scattering

The shape of a plane acoustical sound-soft obstacle is detected from knowledge of the far field pattern for one time-harmonic incident field. Two methods based on solving a system of integral equations for the incoming wave and the far field pattern are investigated. Properties of the integral operators required in order to apply regularization, i.e. injectivity and denseness of the range, are proved.

Positive regularised solutions in electromagnetic inverse scattering

Fredholm integral equations of the first kind are the mathematical model common to several electromagnetic, optical and acoustical inverse scattering problems. In most of these problems the solution must be positive in order to satisfy physical plausibility. We consider ill-posed deconvolution problems and investigate several linear regularization algorithms which provide positive approximate solutions at least in the absence of errors on the data.

On integral equation and least squares methods for scattering by diffraction gratings

In this paper we consider the scattering of a plane acoustic or electromagnetic wave by a one-dimensional, periodic rough surface. We restrict the discussion to the case when the boundary is sound soft in the acoustic case, perfectly reflecting with TE polarization in the EM case, so that the total field vanishes on the boundary. We propose a uniquely solvable first kind integral equation formulation of the problem, which amounts to a requirement that the normal derivative of the Green's representation formula for the total field vanish on a horizontal line below the scattering surface. We then discuss the numerical solution by Galerkin's method of this (ill-posed) integral equation. We point out that, with two particular choices of the trial and test spaces, we recover the so-called SC (spectral-coordinate) and SS (spectral-spectral) numerical schemes of DeSanto et al., Waves Random Media, 8, 315-414 1998. We next propose a new Galerkin scheme, a modification of the SS method that we term the SS* method, which is an instance of the well-known dual least squares Galerkin method. We show that the SS* method is always well-defined and is optimally convergent as the size of the approximation space increases. Moreover, we make a connection with the classical least squares method, in which the coefficients in the Rayleigh expansion of the solution are determined by enforcing the boundary condition in a least squares sense, pointing out that the linear system to be solved in the SS* method is identical to that in the least squares method. Using this connection we show that (reflecting the ill-posed nature of the integral equation solved) the condition number of the linear system in the SS* and least squares methods approaches infinity as the approximation space increases in size. We also provide theoretical error bounds on the condition number and on the errors induced in the numerical solution computed as a result of ill-conditioning. Numerical results confirm the convergence of the SS* method and illustrate the ill-conditioning that arises.

Spectrum reconstruction from a scattering measurement using the adjoint Boltzmann transport equation for photons

Quality control of medical radiological systems is of fundamental importance, and requires efficient methods for accurately determine the X-ray source spectrum. Straightforward measurements of X-ray spectra in standard operating require the limitation of the high photon flux, and therefore the measure has to be performed in a laboratory. However, the optimal quality control requires frequent in situ measurements which can be only performed using a portable system. To reduce the photon flux by 3 magnitude orders an indirect technique based on the scattering of the X-ray source beam by a solid target is used. The measured spectrum presents a lack of information because of transport and detection effects. The solution is then unfolded by solving the matrix equation that represents formally the scattering problem. However, the algebraic system is ill-conditioned and, therefore, it is not possible to obtain a satisfactory solution. Special strategies are necessary to circumvent the ill-conditioning. Numerous attempts have been done to solve this problem by using purely mathematical methods. In this thesis, a more physical point of view is adopted. The proposed method uses both the forward and the adjoint solutions of the Boltzmann transport equation to generate a better conditioned linear algebraic system. The procedure has been tested first on numerical experiments, giving excellent results. Then, the method has been verified with experimental measurements performed at the Operational Unit of Health Physics of the University of Bologna. The reconstructed spectra have been compared with the ones obtained with straightforward measurements, showing very good agreement.

Electromagnetic simulation and measurement of diffuse scattering from building walls

Il fenomeno dello scattering diffuso è stato oggetto di numerosi studi nell’arco degli ultimi anni, questo grazie alla sua rilevanza nell’ambito della propagazione elettromagnetica così come in molti altri campi di applicazione (remote sensing, ottica, fisica, etc.), ma la compresione completa di questo effetto è lungi dall’essere raggiunta. Infatti la complessità nello studio e nella caratterizzazione della diffusione deriva dalla miriade di casistiche ed effetti che si possono incontrare in un ambiente di propagazione reale, lasciando intuire la necessità di trattarne probabilisticamente il relativo contributo. Da qui nasce l’esigenza di avere applicazioni efficienti dal punto di vista ingegneristico che coniughino la definizione rigorosa del fenomeno e la conseguente semplificazione per fini pratici. In tale visione possiamo descrivere lo scattering diffuso come la sovrapposizione di tutti quegli effetti che si scostano dalle classiche leggi dell’ottica geometrica (riflessione, rifrazione e diffrazione) che generano contributi del campo anche in punti dello spazio e direzioni in cui teoricamente, per oggetti lisci ed omogenei, non dovrebbe esserci alcun apporto. Dunque l’effetto principale, nel caso di ambiente di propagazione reale, è la diversa distribuzione spaziale del campo rispetto al caso teorico di superficie liscia ed omogenea in congiunzione ad effetti di depolarizzazione e redistribuzione di energia nel bilancio di potenza. Perciò la complessità del fenomeno è evidente e l’obiettivo di tale elaborato è di proporre nuovi risultati che permettano di meglio descrivere lo scattering diffuso ed individuare altresì le tematiche sulle quali concentrare l’attenzione nei lavori futuri. In principio è stato quindi effettuato uno studio bibliografico così da identificare i modelli e le teorie esistenti individuando i punti sui quali riflettere maggiormente; nel contempo si sono analizzate le metodologie di caratterizzazione della permittività elettrica complessa dei materiali, questo per valutare la possibilità di ricavare i parametri da utilizzare nelle simulazioni utilizzando il medesimo setup di misura ideato per lo studio della diffusione. Successivamente si è realizzato un setup di simulazione grazie ad un software di calcolo elettromagnetico (basato sul metodo delle differenze finite nel dominio del tempo) grazie al quale è stato possibile analizzare la dispersione tridimensionale dovuta alle irregolarità del materiale. Infine è stata condotta una campagna di misure in camera anecoica con un banco sperimentale realizzato ad-hoc per effettuare una caratterizzazione del fenomeno di scattering in banda larga.

Studio delle interazioni dei neutroni nell'esperimento xenon1t

La presenza di materia oscura nell'universo venne ipotizzata negli anni '30 a seguito di alcune anomalie nei risultati sperimentali ottenuti in astrofisica e cosmologia. La distribuzione di materia ottenuta non concordava infatti con i dati provenienti dalle osservazioni astronomiche e gli scienziati ipotizzarono l'esistenza di un tipo di materia, denominata appunto materia oscura, che interagisse debolmente con la radiazione elettromagnetica e fosse quindi interamente invisibile ai telescopi, sia che fossero a radiofrequenze che operanti nel campo del visibile o con raggi gamma e X, ma che producesse effetti gravitazionali. Nel corso degli anni si sono aggiunte ulteriori evidenze a sostegno dell'esistenza di materia oscura, provenienti anche dallo studio della cosmologia, e numerosi esperimenti (tra cui XENON, IGEX, DAMA/LIBRA) sono stati condotti per cercare di determinare tipo e massa delle particelle o la loro abbondanza (PLANCK). Il lavoro di questa tesi consiste in uno studio delle interazioni dei neutroni con lo xenon per l'esperimento XENON1T. I neutroni costituiscono un fondo particolarmente pericoloso per l'esperimento, in quanto producono uno scattering direttamente sul nucleo allo stesso modo delle particelle di materia oscura. Nel lavoro svolto sono state dapprima analizzate le caratteristiche delle singole interazioni con lo xenon contenuto nella camera, per poi passare ad uno studio più specifico sul comportamento dei neutroni prodotti dai fotomoltiplicatori del rivelatore. In seguito alle analisi svolte è stato possibile caratterizzare il fondo di neutroni in modo più preciso, permettendo di determinare alcuni criteri di selezione per il loro riconoscimento.

Fast and accurate numerical solutions in some problems of particle and radiation transport: synthetic acceleration for the method of short characteristics, Doppler-broadened scattering kernel, remote sensing of the cryosphere

The aim of this work is to present various aspects of numerical simulation of particle and radiation transport for industrial and environmental protection applications, to enable the analysis of complex physical processes in a fast, reliable, and efficient way. In the first part we deal with speed-up of numerical simulation of neutron transport for nuclear reactor core analysis. The convergence properties of the source iteration scheme of the Method of Characteristics applied to be heterogeneous structured geometries has been enhanced by means of Boundary Projection Acceleration, enabling the study of 2D and 3D geometries with transport theory without spatial homogenization. The computational performances have been verified with the C5G7 2D and 3D benchmarks, showing a sensible reduction of iterations and CPU time. The second part is devoted to the study of temperature-dependent elastic scattering of neutrons for heavy isotopes near to the thermal zone. A numerical computation of the Doppler convolution of the elastic scattering kernel based on the gas model is presented, for a general energy dependent cross section and scattering law in the center of mass system. The range of integration has been optimized employing a numerical cutoff, allowing a faster numerical evaluation of the convolution integral. Legendre moments of the transfer kernel are subsequently obtained by direct quadrature and a numerical analysis of the convergence is presented. In the third part we focus our attention to remote sensing applications of radiative transfer employed to investigate the Earth's cryosphere. The photon transport equation is applied to simulate reflectivity of glaciers varying the age of the layer of snow or ice, its thickness, the presence or not other underlying layers, the degree of dust included in the snow, creating a framework able to decipher spectral signals collected by orbiting detectors.

Dynamics of supercooled water in highly compacted clays studied by neutron scattering

The freezing behavior of water confined in compacted charged and uncharged clays (montmorillonite in Na-and Ca-forms, illite in Na-and Ca-forms, kaolinite and pyrophyllite) was investigated by neutron scattering. Firstly, the amount of frozen (immobile) water was measured as a function of temperature at the IN16 backscattering spectrometer, Institute Laue-Langevin (ILL). Water in uncharged, partly hydrophobic (kaolinite) and fully hydrophobic (pyrophyllite) clays exhibited a similar freezing and melting behavior to that of bulk water. In contrast, water in charged clays which are hydrophilic could be significantly supercooled. To observe the water dynamics in these clays, further experiments were performed using quasielastic neutron scattering. At temperatures of 250, 260 and 270 K the diffusive motion of water could still be observed, but with a strong reduction in the water mobility as compared with the values obtained above 273 K. The diffusion coefficients followed a non-Arrhenius temperature dependence well described by the Vogel-Fulcher-Tammann and the fractional power relations. The fits revealed that Na-and Ca-montmorillonite and Ca-illite have similar Vogel-Fulcher-Tammann temperatures (T-VFT, often referred to as the glass transition temperature) of similar to 120 K and similar temperatures at which the water undergoes the 'strong-fragile' transition, T-s similar to 210 K. On the other hand, Na-illite had significantly larger values of T-VFT similar to 180 K and T-s similar to 240 K. Surprisingly, Ca-illite has a similar freezing behavior of water to that of montmorillonites, even though it has a rather different structure. We attribute this to the stronger hydration of Ca ions as compared with the Na ions occurring in the illite clays.

Exposure to pesticides, ill health and averting behaviour : costs and determining the relationship

Farmers' exposure to pesticides is high in developing countries. As a result many farmers suffer from ill-health, both short and long term. Deaths are not uncommon. This paper addresses this issue. Field survey data from Sri Lanka are used to estimate farmers' expenditure on defensive behavior (DE) and to determine factors that influence DE. The avertive behavior approach is used to estimate costs. Tobit regression analysis is used to determine factors that influence DE. Field survey data show that farmers' expenditures on DE are low. This is inversely related to high incidence of ill health among farmers using pesticides.