Studio di un rivelatore per neutroni di alta energia

Guidata dall'interesse per lo studio della fissione nucleare, per molto tempo la ricerca nel campo dei neutroni si è concentrata su energie medio-basse (E<20 MeV) mentre per la regione a più alte energie le informazioni risultavano scarse o mancanti. Recentemente, invece, si è sviluppato un nuovo interesse per i Neutroni di Alta Energia, utilizzabili nelle terapie mediche per la cura di tumori, e di grande importanza per la radioprotezione e la trasmutazione delle scorie radioattive derivanti da produzione di energia nucleare. Queste applicazioni richiedono precisi fasci di neutroni quasi-monoenergetici, con energie dai 20 a qualche centinaia di MeV, servono perciò misurazioni intese a determinare le caratteristiche del fascio e atte a ottenere valori precisi della sezione d'urto relativa ai processi innescati da neutroni veloci. La sezione d'urto di un certo processo nucleare si deduce dalla misura del numero di eventi acquisiti per unità di tempo da un rivelatore, conoscendo l'efficienza di questo, l'intensità del fascio che incide nel bersaglio e le caratteristiche del target. Diventa, quindi, determinante la conoscenza dell'intensità del fascio dei neutroni, anche nel caso di un intervallo energetico ampio, come quello prodotto al CERN dalla facility n_TOF, che possiede energie che vanno dal meV al GeV. Sulla base di queste motivazioni, in questo lavoro di tesi, si vuole proporre un prototipo semplice di rivelatore per Neutroni di Alta Energia e si presenta uno studio preliminare del primo test sotto fascio, focalizzando l'attenzione sulla massima energia misurabile.

Caratterizzazione di scintillatori organici per la rivelazione di neutroni termici

La rivelazione dei neutroni gioca un ruolo fondamentale sia nel campo della fisica nucleare di base che in diversi ambiti applicativi quali la produzione di energia in reattori a fissione, la sicurezza nazionale alle frontiere, la terapia e la diagnostica mediche. Negli anni passati la rivelazione di neutroni di bassa energia (nell'intervallo termico) si è basata principalmente sull'utilizzo di contatori proporzionali a $^3$He. Il grosso vantaggio di questi strumenti è la loro quasi totale inefficienza nella rivelazione di radiazione elettromagnetica, consentendo una caratterizzazione pulita dei flussi neutronici di bassa energia, anche quando, come spesso succede, sono accompagnati da un intenso fondo di raggi X e raggi gamma. La scarsa disponibilità di $^3$He ed il conseguente incremento del suo costo hanno stimolato, negli ultimi anni, numerosi programmi di sviluppo di nuovi rivelatori per neutroni termici in grado di rimpiazzare i troppo costosi contatori a $^3$He. In questo contesto si sono sviluppati da una parte il progetto ORIONE/HYDE dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che punta allo sviluppo di scintillatori organici a matrice siliconica in grado di rivelare sia neutroni veloci che termici, dall'altra l'applicazione di tali sviluppi ad attività connesse con il Progetto SPES nell'ambito del PRIN intitolato Sviluppo di Rivelatori e tecniche d'analisi per la sperimentazione con i fasci radioattivi dei Laboratori Nazionali dell'INFN, con particolare riferimento a SPES. All'interno di una matrice scintillante organica (ricca quindi di nuclei di Idrogeno e Carbonio) opportunamente drogata per favorire il processo di scintillazione, viene disperso un ulteriore dopante ad alta sezione d'urto di cattura neutronica (tipicamente $^{10}$B o $^6$Li). Questo scintillatore risulta sensibile alla radiazione neutronica veloce che viene rivelata tramite i processi di urto elastico ed il successivo rinculo dei nuclei che causa l'emissione di luce di scintillazione. Inoltre grazie alle grandi sezioni d'urto dei processi di cattura neutronica da parte del materiale dopante e la successiva emissione di particelle cariche anche la sensibilità ai neutroni di bassa energia (lenti e termici) viene garantita. La matrice utilizzata (polifenil-dimetil silossano) ha ottime proprietà meccaniche e, a differenza di altri materiali utilizzati per la realizzazione di scintillatori per neutroni, non risulta tossica o dannosa per l'ambiente. Inoltre il costo del materiale utilizzato è notevolmente competitivo rispetto alle alternative attualmente in commercio. In questo lavoro di tesi verranno caratterizzati alcuni di questi nuovi scintillatori drogati con $^6$Li. Verrà analizzata la loro risposta in termini di resa di luce quando esposti a flussi di particelle cariche e raggi gamma e a flussi neutronici di bassa energia. I risultati verranno paragonati a quelli ottenuti con uno scintillatore commerciale standard a matrice vetrosa.

Studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione nell'esperimento n_TOF al CERN

La tesi è incentrata sullo studio del flusso di neutroni e della funzione di risoluzione del progetto n_TOF al CERN di Ginevra. Dopo aver ricordato le motivazioni scientifiche e tecnologiche che stanno alla base di questo progetto di collaborazione internazionale, si trattano sommariamente alcune delle più importanti applicazioni della fisica neutronica e si descrive la facility di Ginevra. Nella parte finale del lavoro si presenta una misura di precisione ottenuta dal flusso di neutroni utilizzato nell'esperimento n_TOF nel 2012, la cui conoscenza è di fondamentale importanza per la misura di sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni. L'esperimento n_TOF ha proprio lo scopo di misurare sezioni d'urto di reazioni indotte da neutroni, in particolare reazioni di fissione e cattura neutronica. Ad n_TOF si utilizza un fascio di protoni, accelerato a 20 GeV dal ProtoSincrotrone del CERN, per crearne due di neutroni, uno verticale e uno orizzontale, tramite spallazione nucleare indotta su un bersaglio di Piombo. Dalle analisi dei dati si deduce come questo studio possa essere maggiormente ottimizzato migliorando la funzione di risoluzione energetica dei neutroni, attraverso simulazioni Monte Carlo.

Test di nuovi rivelatori per misure di cattura neutronica radiativa.

Gli scintillatori organici contenenti C6D6 (benzene deuterato) sono ampiamente utilizzati per misure ad altra precisione di sezioni d'urto di cattura neutronica presso le facility che sfruttano la tecnica del tempo di volo. In particolare il loro uso nell'ambito della facility n_ToF al CERN di Ginevra ha richiesto la costruzione di nuovi rivelatori con una minore sensibilità ai neutroni di quelli presenti in commercio. In questa tesi si è studiato il nuovo prototipo di C6D6 realizzati dal gruppo italiano di n_ToF descrivendone la struttura e confrontandolo con i precedenti rivelatori realizzati nell'ambito del progetto n_ToF e le controparti commerciali evidenziandone i miglioramenti. Inoltre viene presentato lo studio, effettuato alla facility GELINA, della sensibilità ai neutroni del nuovo C6D6 e la ricerca di difetti costruttivi. Infine è mostrato come i nuovi rivelatori hanno una sezione d'urto per la cattura di nutrono molto bassa e una presenza minima di contaminanti dovuti ai materiali che li compongono.

Lightning mapping observation of a terrestrial gamma-ray flash

We report the observation with the North Alabama Lightning Mapping Array (LMA) related to a terrestrial gamma-ray flash (TGF) detected by RHESSI on 26 July 2008. The LMA data explicitly show the TGF was produced during the initial development of a compact intracloud (IC) lightning flash between a negative charge region centered at about 8.5 km above sea level (-22C temperature level) a higher positive region centered at 13 km, both confined to the convective core of an isolated storm in close proximity to the RHESSI footprint. After the occurrence of an LMA source with a high peak power (26 kW), the initial lightning evolution caused an unusually large IC current moment that became detectable 2 ms after the first LMA source and increased for another 2 ms, during which the burst of gamma-rays was produced. This slowly building current moment was most likely associated with the upward leader progression, which produced an uncommonly large IC charge moment change (+90 Ckm) in 3 ms while being punctuated by a sequence of fast discharge. These observations suggest that the leader development may be involved in the TGF production. Copyright © 2010 by the American Geophysical Union.

Calibrazione di un rilevatore gamma con un flash adc e il software di acquisizione dati dell'esperimento atlas

La tesi descrive lo sviluppo di un pezzo di software di acquisizione dati per l'esperimento LUCID di ATLAS al CERN che viene testato nella calibrazione di due rivelatori inorganici cristallini allo ioduro di sodio

Tecniche di analisi digitale dei segnali prodotti da rivelatori per neutroni

La disintegrazione dei nuclei atomici si traduce in una emissione di vari tipi di radiazioni e particelle tra cui neutroni e raggi gamma. La rivelazione dei neutroni comporta l’utilizzo di rivelatori a scintillazione e tecniche di analisi per poter identificare e ottenere informazioni sull’energia dei neutroni. Il processo di scintillazione per la rivelazione dei neutroni consiste nell’interazione con i nuclei del materiale e successiva emissione luminosa dovuta a ionizzazione degli atomi del rivelatore. La luce e in seguito convertita in impulsi elettrici, i quali possono essere analizzati con opportune tecniche. L’emissione di neutroni `e accompagnata da emissione di raggi gamma e quindi `e necessario identificare i neutroni. Rivelatori basati su scintillatori organici vengono spesso impiegati nella spettrometria neutronica ad energie superiori di 0.5 MeV ed in una vasta gamma di applicazioni come la medicina, l’industria e la radioprotezione. La rilevazione dei neutroni `e molto importante nello studio delle reazioni nucleari di bassa energia e nello studio della materia nucleare lontano dalla valle di stabilita. In questo lavoro abbiamo studiato tre algoritmi: Zero Crossing, Charge Comparison e Pulse Gradient Analysis. Questi algoritmi sono stati in seguito applicati all’analisi di un insieme di dati provenienti dalla reazione nucleare 7Li(p,n)7Be. E stato utilizzato uno scintillatore organico liquido BC501. Si `e effettuato un confronto tra le varie tecniche utilizzate per determinare il grado di discriminazione ottenuto con ognuna di esse. I risultati ottenuti permettono di decidere in seguito quale algoritmo si presta ad essere utilizzato anche in altri esperimenti futuri. Il metodo Pulse Gradient Analysis `e risultato il piu` prometente, essendo anche possibile l’utilizzo on-line.

Simulazioni Monte Carlo delle proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di neutroni ad alta energia

I neutroni possono essere classificati in base all'energia e per anni lo studio sui neutroni si è focalizzato verso le basse energie, ottenendo informazioni fondamentali sulle reazioni nucleari. Lo studio per i neutroni ad alta energia (E >20 MeV) ha ultimamente suscitato un vivo interesse, poiché i neutroni hanno un ruolo fondamentale in una vasta gamma di applicazioni: in campo medico, industriale e di radioprotezione. Tuttavia le informazioni sperimentali (sezioni d'urto) in nostro possesso, in funzione dell'energia dei neutroni, sono limitate, considerando che richiedono la produzione di fasci con un ampio spettro energetico e delle tecniche di rivelazione conforme ad essi. La rivelazione dei neutroni avviene spesso attraverso il processo di scintillazione che consiste nell'eccitazione e diseccitazione delle molecole che costituiscono il rivelatore. Successivamente, attraverso i fotomoltiplicatori, la luce prodotta viene raccolta e convertita in impulsi energetici che vengono registrati ed analizzati. Lo scopo di questa tesi è quello di testare quale sia la migliore configurazione sperimentale di un rivelatore costituito da scintillatori e fotomoltiplicatori per quanto riguarda la raccolta di luce, utilizzando una simulazione Monte Carlo per riprodurre le proprietà ottiche di un rivelatore per misure di flusso di un rivelatore ad alta energia.

Short-term effects of gamma ray bursts on Earth

The aim of the present work is to study the potential short-term atmospheric and biospheric influence of Gamma Ray Bursts on the Earth. We focus in the ultraviolet flash at planet`s surface, which occurs as a result of the retransmission of the gamma radiation through the atmosphere. This would be the only important short-term effect on life. We mostly consider Archean and Proterozoic eons, and for completeness we also comment on the Phanerozoic. Therefore, in our study we consider atmospheres with oxygen levels ranging from 10(-5) to 1 of the present atmospheric level, representing different moments in the oxygen rise history. Ecological consequences and some strategies to estimate their importance are outlined.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

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.

Radiative neutron capture cross section on 238U at the n_TOF CERN facility: a high precision measurement

The aim of this work is to provide a precise and accurate measurement of the 238U(n,gamma) reaction cross-section. This reaction is of fundamental importance for the design calculations of nuclear reactors, governing the behaviour of the reactor core. In particular, fast neutron reactors, which are experiencing a growing interest for their ability to burn radioactive waste, operate in the high energy region of the neutron spectrum. In this energy region inconsistencies between the existing measurements are present up to 15%, and the most recent evaluations disagree each other. In addition, the assessment of nuclear data uncertainty performed for innovative reactor systems shows that the uncertainty in the radiative capture cross-section of 238U should be further reduced to 1-3% in the energy region from 20 eV to 25 keV. To this purpose, addressed by the Nuclear Energy Agency as a priority nuclear data need, complementary experiments, one at the GELINA and two at the n_TOF facility, were scheduled within the ANDES project within the 7th Framework Project of the European Commission. The results of one of the 238U(n,gamma) measurement performed at the n_TOF CERN facility are presented in this work, carried out with a detection system constituted of two liquid scintillators. The very accurate cross section from this work is compared with the results obtained from the other measurement performed at the n_TOF facility, which exploit a different and complementary detection technique. The excellent agreement between the two data-sets points out that they can contribute to the reduction of the cross section uncertainty down to the required 1-3%.

Evidenze sperimentali di stati di spin-parità naturali in 26Mg: vincoli sulla sorgente di neutroni nelle giganti rosse

In questa tesi si è studiato uno dei principali processi nelle stelle responsabili della nucleosintesi degli elementi pesanti dopo il 56Fe, il processo-s. In particolare sono state illustrate le sorgenti di neutroni che alimentano questo processo e si è analizzata la reazione 22Ne (α,n) 25Mg. Per costruire un valido modello matematico di questo processo è necessario conoscere in maniera accurata il reaction rate di questa reazione. Conseguentemente è necessario conoscere la sezione d'urto di tale reazione in maniera molto accurata. Sono stati condotti diversi esperimenti nel tentativo di valutare la sezione d'urto per via diretta, facendo collidere un fascio di particelle α su un campione di 22Ne. Queste rilevazioni hanno dato esiti non soddisfacenti nell'intervallo di energie riguardanti il processo-s, in quanto, a causa di disturbi dovuti al fondo di raggi cosmici e alla barriera Coulombiana, non è stato possibile osservare risonanze per valori di energie delle particelle α minori di (832± 2) keV. Per colmare la mancanza di dati sperimentali si è deciso di studiare gli stati eccitati del nucleo composto 26Mg tramite la reazione inversa 25Mg+n alle facility n_TOF, situata al CERN, e GELINA al IRMM. Le misure effettuate hanno mostrato diverse risonanze al di sotto di (832±2) keV, compatibili con le spin-parità di 22Ne e α. In seguito è stato stimato il loro contributo al reaction rate e i risultati hanno mostrato che per temperature tipiche di stelle massive il contributo di queste risonanze è trascurabile ma risulta di grande rilevanza alle temperature tipiche delle stelle appartenenti al ramo asintotico delle giganti (AGB).

Studio della funzione di risoluzione dell'esperimento n_TOF e conversione del tempo di volo in energia

La tesi ha come scopo principale quello di studiare la funzione di risoluzione e le distribuzioni della distanza equivalente attraverso i risultati ottenuti dal lavoro del gruppo n_TOF al CERN di Ginevra. n_TOF utilizza un fascio di protoni accelerato dal ProtoSincrotrone (PS) del CERN per crearne due di neutroni (uno verticale e uno orizzontale) tramite spallazione. Dopo aver spiegato la tecnica del tempo di volo (TOF) e descritto il set up sperimentale presente al CERN, si esporranno le simulazioni Monte Carlo utilizzate per simulare la produzione dei fasci di neutroni, analizzando nel dettaglio quello diretto verso la prima sala sperimentale. Nella parte finale del lavoro verranno riportati i risultati ottenuti dalle simulazioni; verrà prestata particolare attenzione al confronto tra le conclusioni ottenute da tre gruppi di lavoro differenti nonchè ad una trattazione statistica delle misure effettuate. Si mostrerà inoltre in che modo lo studio effettuato sia importante nella determinazione delle sezioni d'urto nelle reazioni indotte da neutroni.