Titolo della tesi di Carlo Cazzaniga tradotto in italiano: “Misure di

Titolo della tesi di Carlo Cazzaniga tradotto in italiano: “Misure di neutroni veloci per applicazioni
ad esperimenti di fusione e sorgenti a spallazione”
Riassunto tradotto in italiano
Questa è una tesi sperimentale riguardante misure di neutroni veloci di interesse per la fusione
termonucleare e le sorgenti a spallazione. Alcune tecniche specifiche di spettroscopia ad alti tassi di
conteggio ed alta risoluzione sono state studiate e sviluppate per queste applicazioni. In particolare
rivelatori al cristallo singolo di diamante (SDD), Telescopi di Protoni di Rinculo (TPR) e scintillatori
LaBr3 sono stati studiati con esperimenti presso il tokamak JET (UK), la sorgente a spallazione ISIS
(UK) ed altri acceleratori.
E' debito fare una distinzione tra gli obiettivi della spettroscopia neutronica per le due applicazioni. Per
la diagnostica di un plasma da fusione, è necessario misurare con alta risoluzione i dettagli di uno
spettro quasi mono-energetico, che presenta un picco di emissione a 14 MeV per plasmi DeuterioTrizio (DT) e 2.5 MeV per plasmi di solo deuterio.
Nel futuro reattore a fusione l'energia sarà rilasciata dalla reazione d + t → n + α, che in un tokamak
avviene tra deuterio e trizio in un plasma ad alta temperatura. La spettrscopia di neutroni e raggi-γ
giocherà un ruolo fondamentale per la comprensione della fisica di un plasma auto-riscaldato. Si
richiede alta risoluzione (<5% FWHM) perchè l'informazione (la temperatura o la distribuzione
energetica di una popolazione sovratermica) è contenuta nella forma spettrale della linea di emissione
neutronica; allo stesso tempo si richiede che le misure siano effettuate ad alto tasso di conteggio (> 1
MHz), perchè questo è cruciale per fornire una misura risolta temporalmente sulla scala del
millisecondo, la stessa su cui avvengono fenomeni di fisica del plasma come ad esempio le instabilità
magneto-idrodinamiche.
Dall'altro lato lo spettro di neutroni di una sorgente a spallazione si estende per vari ordini di grandezza
dalle energie termiche fino all'energia dei protoni dell'acceleratore (800 MeV ad ISIS). Granparte delle
linee sperimentali sono dedicate alla diffusione di neutroni freddi (<1meV), termici (25meV) o
epitermici (>1eV). Le linee sperimentali che sfruttano la componente veloce (>10 MeV) per studi di
irraggiamento di micro-elettronica presentano uno spettro il più simile possibile a quello dei neutroni
atmosferici. Lo spettro e i flussi di neutroni sono calcolati sulla base di simulazioni Monte Carlo che
tentano di riprodurre nella loro complessità le reazioni nucleari e intra-nucleari fino a 800 MeV. La
misura diretta di questi parametri è necessaria per la validazione delle simulazioni e per una migliore
comprensione della fisica di questo genere di esperimenti. C'è bisogno in particolare di sviluppare
strumentazione e tecniche di misura dedicate alla linea di fascio CHIPIR, la nuova linea sperimentale di
ISIS dedicata al test di micro-electronica. Queste misure devono fare i conti con alti tassi di conteggio
istantanei (> 1 MHz) causati dalla natura impulsata della sorgente stessa.
In questa tesi si presenta un nuovo spettrometro basato su rivelatori al diamante, che è stato progettato
per misure su plasmi da fusione DT. Il rivelatore è equipaggiato con una catena elettronica che combina
potenzialità di alti tassi di conteggio (>1 MHz) e buona risoluzione (< 3% a 14 MeV di energia del
neutrone). Fino ad ora le catene elettroniche erano ottimizzate o per spettroscopia o per alti tassi di
conteggio, separatamente.
La funzione di risposta di un prototipo di diamante a neutroni da 14 MeV è stata misurata al Frascati
Neutron Generator, ed è stato osservato il picco di energia depositata a 8.3 MeV, dovuto alla reazione
2
C(n,α)9Be. La risoluzione energetica misurata (2.5% FWHM) è più che sufficiente per le richieste
della spettroscopia neutronica su plasmi DT.
Nel corso di questa tesi è stato cominciato un progetto esplorativo in cui si è installato un diamante a
cristallo singolo presso il tokamak JET. Con questo si sono potute portare a termine le prime misure
simultanee di neutroni DD e neutroni DT emessi da un plasma di deuterio. Lo spettro di energia
depositata da neutroni DD è stato riprodotto con successo con simulazioni Monte Carlo delle funzioni
di risposta del rivelatore e simulazione dell'emissione neutronica dal plasma, includendo cotributi di
fondo (neutroni scatterati, gamma).
I risultati qui riportati sono rilevanti per lo sviluppo di spettrometri di neutroni compatti per sistemi di
imaging in esperimenti di fusione ad alta potenza, presenti e futuri.
Con lo stesso rivelatore al diamante si sono effettuate misure di caratterizzazione della componente
veloce dello spettro di linee sperimentali presso sorgenti a spallazione, basandosi sull'esperienza
maturata negli anni passati dal gruppo di spettroscopia neutronica di Milano. In questa tesi si
presentano le prime misure esplorative su CHIPIR, che ha iniziato il suo commissionamento nel 2014. I
risultati qui riportati sono un punto di partenza per una caratterizzazione dettagliata da portarsi a
termine nel 2015 e per lo sviluppo della tecnologia dei rivelatori al diamante per questa applicazione.
In questa tesi si sono effettuate le prime misure di spettroscopia neutronica sulla linea sperimentale
VESUVIO ad ISIS usando uno spettrometro TPR. Dall'altro lato, misure all'acceleratore di protoni tra 4
e 8 MeV di Uppsala hanno investigato la possibilità di utilizzare cristalli inorganici YAP e LaBr3 per
un TPR ottimizzato per la fusione, trovando una risoluzione inferiore al 2% per protoni da 8 MeV. Il
vantaggio di questi cristalli risiede nelle loro proprietà di scintillazione veloce (<30ns) e con alta resa di
luce, che si riflette in una buona risoluzione energetica.
Su VESUVIO, i protoni di rinculo, convertiti usando un bersaglio di plastica immerso nel fascio di
neutroni, sono misurati da uno spettrometro di protoni. Questo è composto da un rivelatore YAP
(spesso un pollice), che ferma i protoni misurandone l'enegia, e da un rivelatore al silicio di 500 μm, da
utilizzarsi per la misura in coincidenza della deposizione parziale di energia in trasmissione del
protone.
I risultati di VESUVIO, dove lo spettro è stato misurato fino a 120 MeV, sono in buon accordo con
simulazioni Monte Carlo della linea di fascio.
La spettroscopia di raggi-gamma per la diagnostica di plasmi nucleari fornisce informazioni
complementari alla spettroscopia neutronica. In particolare è di interesse per la misura delle particelle
alpha energetiche in un plasma DT auto-riscaldato ad alte prestazioni. Come la spettroscopia
neutronica, anche la strumentazione per spettroscopia gamma necessita di alta risoluzione ed alti tassi
di conteggio.
Gli scintillatori LaBr3(Ce) sono buoni candidati grazie al veloce tempo di scintillazione, alta resa di
luce e resilienza al danneggiamento dovuto a neutroni.
In questa tesi è stata misurata la funzione di risposta di scintillatori LaBr 3(Ce) a neutroni da 14 MeV e
2.5 MeV. Le misure sono state effettuate al Frascati Neutron Generator e ai tokamak AUG e JET.
I risultati sono stati interpretati con successo grazie a un modello MCNP sviluppato per la necessità.
Diverse reazioni sono state individuate come responsabili di questa risposta. Tra tutte, di maggior
importanza la diffusione inelastica sui nuclei 79Br, 81Br e 139La, e le reazioni (n,2n). La risposta di un
rivelatore al germanio (ora in uso a JET) è stata studiata per confronto.
I risultati presentati in questa tesi sono di interesse per la progettazione della strumentazione per
spettroscopia gamma del reattore sperimentale di prossima generazione (ITER) e in generale
esperimenti di fusione ad alta potenza, dove si deve operare in un intenso flusso di neutroni da 14 MeV.