Relazione del secondo anno di Carlo Cazzaniga Dottorato, ciclo 27

Relazione del secondo anno di Carlo Cazzaniga
Dottorato, ciclo 27
tutor: prof. Claudia Riccardi
Titolo provvisorio della tesi: “Misure di neutroni e raggi gamma per esperimenti di fusione e sorgenti
a spallazione”
Attività di ricerca
L’attività di ricerca del secondo anno di dottorato si è focalizzata principalmente su due tipi di rivelatori
per neutroni veloci, il Single crystal Diamond Detector (SDD) e il Proton Recoil Telescope (PRT), che,
con metodi differenti, possono essere applicati sia per la diagnostica di plasmi termonucleari, sia per
misure presso sorgenti a spallazione.
I diamanti monocristallini, cresciuti artificialmente mediante tecniche di Chemical Vapor Deposition,
hanno avuto grande diffusione negli ultimi anni come rivelatori di radiazioni ionizzanti. Proprietà
interessanti del SDD sono le sue dimensioni compatte, insensibilità ai campi magnetici, capacità di
lavorare ad alti tassi di conteggio e resistenza alla radiazione. La spettroscopia neutronica è resa
possibile con questi cristalli dall'interazione del neutrone coi nuclei di carbonio.
Per utilizzare l'SDD per la misura di neutroni da fusione è importante distinguere il caso dei neutroni da
2.5 MeV, prodotti da reazioni Deuterio-Deutero (DD), dal caso dei neutroni da 14 MeV, emessi invece
da reazioni Deuterio-Trizio (DT). Per i primi il segnale è dato dallo scattering elastico sui nuclei di
carbonio, mentre per i secondi, avendo questi un’energia superiore al Q valore di 6 MeV, la
spettroscopia neutronica è possibile grazie alla reazione (n,alpha).
Un SDD è stato installato nell’Aprile 2013 presso il tokamak JET (UK) su una linea di vista collimata,
condivisa con altre diagnostiche di neutroni, lo spettrometro MPRu e lo scintillatore NE213. Durante il
mio periodo di stage a JET nell’estate 2013 il rivelatore ha iniziato a misurare in coincidenza con la
campagna sperimentale C31. Il rivelatore è equipaggiato di elettronica veloce, che permette alti tassi di
conteggio, necessari per la diagnostica di un plasma termonucleare. In particolare un preamplificatore
di carica veloce, con segnali larghi meno di 20 ns a metà altezza, e un digitalizzatore con 1
Gsample/sec di campionamento e 10 bit di risoluzione. E' stato dimostrato, con misure di calibrazione
ottenute con una sorgente alpha-tripla, che con questo setup si ottiene una risoluzione del 2.2%
(FWHM/E) a 5.2 MeV. Questo è un ottimo risultato considerando che è stato ottenuto con una catena
capace di sostenere il MHz di tasso di conteggio, e sufficiente per la spettroscopia su plasmi da fusione,
tenuto presente che l'allargamento doppler dovuto alla temperatura ionica finita in plasmi DT si attende
superiore al 5%.
Promettenti risultati sono stati ottenuti con questo rivelatore, misurando sia neutroni da reazioni DD
che DT. In particolare si tratta della prima misura con buona risoluzione dello spettro di energia
depositata degli ioni carbonio di rinculo su un tokamak con operazioni in deuterio. Un'indagine
dettagliata della forma dello spettro con simulazioni Monte Carlo ha permesso l'interpretazione delle
misure, caratterizzando le varie componenti che formano lo spettro: prevalentemente neutroni diretti
dal plasma, ma anche neutroni scatterati con energia degradata e raggi gamma.
I neutroni provenienti da razioni DT sono presenti a JET anche in plasmi di deuterio, grazie al trizio
presente in traccia che, formato come prodotto da razioni DD, è confinato all'interno del tokamak e può
interagire a sua volta con un'alta sezione d'urto con altri nuclei di deuterio. Durante gli esperimenti la
componente di emissione DT è stata misurata con successo dall'SDD.
Una parte consistente della mia attività sperimentale dell'anno trascorso è stata dedicata allo studio di
spettrometri di neutroni che utilizzano la tecnica della spettroscopia di protoni di rinculo. La stessa
tecnica può essere applicata con soluzioni diverse sia per la diagnostica di plasmi da fusione che allo
studio della componente veloce dello spettro di sorgenti a spallazione. Per quanto riguarda la fusione,
due prototipi di spettrometro di protoni, ottimizzati per alto rateo e basati su cristalli scintillatori (YAP e
LaBr3), sono stati caratterizzati in laboratorio e testati con protoni di energia 2 MeV < E < 8 MeV
presso l'acceleratore tandem dell'università di Uppsala (Svezia). Gli esperimenti hanno permesso di
caratterizzare i due spettrometri con particolare riferimento alla risoluzione energetica. Una risoluzione
del 1.8% è stata misurata a 8 MeV per il cristallo YAP sottile, che si dimostra un buon candidato per
questo tipo di misure.
Un prototipo per sorgenti a spallazione è stato sviluppato in laboratorio e testato nell'ottobre 2012
presso la sorgente a spallazione di ISIS, sulla linea di fascio VESUVIO. La misura ha impiegato due
scintillatori, un lithium glass sottile per coincidenza in trasmissione dedicata alla riduzione del fondo, e
uno scintillatore YAP da 1 pollice di spessore, come spettrometro di protoni. La misura è stata possibile
per energie comprese tra 30 MeV e 80 MeV, rappresentando una prova di principio del metodo, che
verrà utilizzato per spettroscopia di neutroni veloci sulla nuova linea di fascio ChipIr, dedicata ad ISIS
allo studio di effetti indotti dalla radiazione, e in particolare neutroni veloci, sulla micro-elettronica.
Corsi di fisica seguiti
1. Radioattività; esame sostenuto il 13/9/2012
2. Particelle I; esame non ancora sostenuto: da sostenersi entro la fine del 2013.
Altri corsi
1. Corso di inglese organizzato dalla scuola di dottorato di scienze
Partecipazione a scuole internazionali
1. La scuola internazionale “MCNP5/MCNPX training course”, organizzata della “OECD NEA
data bank” presso la Nuclear Energy Agency, Issy-les-Moulineaux, France (22-26 October
2012). Seminario sulla scuola tenuto nel dicembre 2012.
2. Sokendai Asian Winter School "New direction of plasma physics and fusion science for future
energy", Toki (Giappone), dal 14 al 17 Febbraio 2012. Seminario sulla scuola tenuto il 16
maggio 2012
3. Kudowa Summer School "Towards Fusion Energy", Kudowa Zdrój, Poland, dall' 11 al 15
giugno 2012. Ho presentato un lavoro dal titolo “The LaBr 3 gamma ray spectrometer for ITER
diagnostics”, vincendo il premio per la miglior presentazione orale tra gli studenti. Seminario
sulla scuola tenuto il 18 Settembre 2012
Partecipazione a conferenze internazionali
1. “Fusion Reactor diagnostics”, Varenna (September 2013)
2.
“VCI 2013”, Vienna (Febbraio 2013)
3. “Fusion for Neutrons and Subcritical Nuclear Fission”, Varenna, Settembre 2011
Elenco delle pubblicazioni
Pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali peer-reviewed
C. Cazzaniga, F. Binda, G. Croci, G. Ericsson, L. Giacomelli, G. Gorini, E. Griesmayer, G. Grosso, G.
Kaveney, M. Nocente, E. Perelli Cippo, M. Rebai, B. Syme, M. Tardocchi, and JET-EFDA Contributors, “Single
crystal Diamond Detector measurements of DD and DT neutrons in JET fusion plasmas”, to be submitted
C. Cazzaniga, M. Nocente, M. Tardocchi, G. Croci, L. Giacomelli, S. Villari, L. Petrizzi and G. Gorini
“Response of LaBr3 scintillators to 2.5 MeV fusion neutrons ”, to be submitted
C. Cazzaniga, M. Tardocchi, G. Croci, C. Frost, L. Giacomelli, G. Grosso, A. Hjalmarsson, M. Rebai, N.J.
Rhodes, E.M. Schooneveld and G. Gorini, ” First measurement of the VESUVIO neutron spectrum in the 30-80
MeV energy range using a Proton Recoil Telescope technique”, submitted to JINST
Croci, G., G. Claps, R. Caniello, C. Cazzaniga, G. Grosso, F. Murtas, M. Tardocchi et al. "GEM-Based thermal
neutron beam monitors for spallation sources." Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:
Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (2013).
C. Cazzaniga, G. Croci, L. Giacomelli, G. Grosso, M. Nocente, M. Tardocchi, G. Gorini, A. Weller, ASDEX
Upgrade Team, “LaBr3 scintillator response to admixed neutron and γ-ray fluxes”, Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment
(2013).
G Croci, C Cazzaniga, M Tardocchi, R Borghi, G Claps, G Grosso, F Murtas and G Gorini, “Measurements of
γ-ray sensitivity of a GEM based detector using a coincidence technique”, 2013 JINST 8 P04006
M. Nocente, M. Garcia-Munoz, G. Gorini, M. Tardocchi, A. Weller, S. Akaslompolo, R. Bilato, V. Bobkov, C.
Cazzaniga, B. Geiger, G. Grosso, A. Herrmann, V.G. Kiptily, M. Maraschek, R. McDermott, J.M. Noterdaeme,
Y. Podoba, G.Tardini and the ASDEX Upgrade Team, "Gamma-ray spectroscopy measurements of fast ions on
ASDEX Upgrade", Nucl. Fusion 52 (2012) 094021
Conference proceedings
C. Cazzaniga, F. Binda, G. Croci, G. Ericsson, L. Giacomelli, G. Gorini, G. Grosso, G. Kaveney, M. Nocente,
E. Perelli Cippo, M. Rebai, B. Syme, M. Tardocchi, and JET-EFDA Contributors, “Measurements of DD and
DT fusion neutrons using a single-crystal diamond detector at JET” proceedings of the International
Conference on “Fusion Reactor diagnostics”, Varenna (2013)
C. Cazzaniga, M. Nocente, M. Tardocchi, L. Giacomelli, G. Croci, C. Riccardi and G. Gorini, “The LaBr3
Gamma Ray Spectrometer for ITER diagnostics”, proceedings of the 11th Kudowa Summer School, “Towards
Fusion Energy”, June 11-15, 2012
Nocente, M. Angelone, C. Cazzaniga, I. Chugunov, R.C. Pereira, G. Croci, D. Gin, G. Grosso, A. Neto, A.
Olariu, S. Olariu, M. Pillon, A. Shevelev, J. Sousa, M. Tardocchi and G. Gorini,“Gamma-ray measurements and
neutron sensitivity in a fusion environment”, Proceedings of the 1st International Conference on “Fusion for
Neutrons and Subcritical Nuclear Fission”, Varenna, 2011