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Rilevatore di Neutroni DIY

Introduzione

Con i neutroni si entra nel “vivo” della fisica nucleare. Come noto si tratta di particelle sub-atomiche contenute nel nucleo, sono caratterizzate da un massa leggermente superiore a quella del protone e da carica neutra. Al di fuori del nucleo i neutroni sono instabili e hanno un’emivita di circa 15 minuti. Decadono in un protone emettendo un elettrone e un antineutrino in una reazione nota come decadimento beta.

Le particelle cariche (come i protoni, gli elettroni e le particelle alfa) perdono energia nell’attraversare la materia, principalmente a causa delle forze elettromagnetiche che ionizzano gli atomi con cui tali particelle interagiscono. Il neutrone risente debolmente di queste forze in quanto ha carica elettrica nulla. Tuttavia il neutrone è soggetto all’azione della forza nucleare forte, caratterizzata da un corto raggio d’azione, efficace soltanto nelle vicinanze di un nucleo. Per cui il neutrone si comporta in modo simile ad una sfera solida (probabilmente quanto di più lontano esista dal neutrone sotto moltissimi altri aspetti) che impatta altri corpi solidi (i nuclei del mezzo). Un neutrone libero prosegue il suo tragitto indisturbato fino a quando non urta “frontalmente” con un nucleo.

A causa della ridotta sezione trasversale dei nuclei rispetto allo spazio che li separa gli uni dagli altri, queste collisioni avvengono molto raramente e i neutroni percorrono grandi distanze prima di collidere. Distanze ancora maggiori vengono percorse prima di essere assorbiti da un nucleo, tanto maggiori quanto maggiore è la velocità del neutrone: la dose assorbita da un materiale irraggiato con neutroni è tanto maggiore e tanto più concentrata in superficie quanto più bassa è la loro velocità:

  • i neutroni veloci da fissione (10 keV-10 MeV) depositano energia principalmente attraverso l’urto elastico con più nuclei leggeri in successione, con cammini liberi medi di trasporto che vanno dal centimetro alla decina di centimetri in acqua e tessuti biologici. La dose assorbita è dovuta alle ionizzazioni causate dal rinculo di nuclei leggeri secondari.
  • i neutroni di risonanza (1 keV-1 MeV) depositano energia principalmente per assorbimento quando la loro energia corrisponde ad una frequenza di risonanza di un nucleo vicino.
  • i neutroni lenti (energia < 0,5 eV) hanno bassa lunghezza di trasporto, da qualche frazione di millimetro al centimetro, e grande sezione d’urto di assorbimento: anche in questo caso l’assorbimento è il principale tipo di interazione.

Proprio a causa della loro bassa probabilità di interazione, la rilevazione dei neutroni è più difficile della rilevazione di altre particelle o radiazioni ionizzanti. La rilevazione è basata principalmente sull’assorbimento da parte di nuclei di elementi leggeri e la successiva disintegrazione di questi nuclei i quali producono particelle che possono essere rilevate con metodi “tradizionali” : in pratica i neutroni vengono rilevati per via “indiretta”.

A livello amatoriale i rilevatori di neutroni non sono molto diffusi, sia perchè sono costosi e sia perchè non è sempre facile farli funzionare. Bob Higgins ha colmato questo gap ed ha fatto un gran lavoro rendendo disponibile il progetto di un rilevatore di neutroni DIY basato su He-3 : SlowNeutronCoronaCounterTubes_1v10 . Abbiamo preso ispirazione da questo lavoro ed abbiamo realizzato, anche noi di PhysicsOpenLab, un rilevatore di neutroni basato su tubi corona borati.

Rilevatore di Neutroni (Boron-Coated Corona Tubes)

I rivelatori di neutroni che vogliamo utilizzare sono i modelli sovietici SI19N ed SNM11, facilmente reperibili online ad esempio su eBay. Questi rivelatori sono dei tubi corona nei quali sulla faccia interna del tubo è stato depositato un sottile strato di materiale ricco di boro, in particolare dell’isotopo 1oB del boro. Le immagini seguenti mostrano rispettivamente il tubo SI19N ed il tubo SNM11.

SI19N

SNM11

La sensibilità ai neutroni di questi tubi è dovuta alla reazione nucleare che avviene quando un neutrone viene assorbito da un nucleo di boro. Il nucleo di boro, instabile, si disintegra e produce un nucleo di litio ed una particella alfa. La sezione d’urto di questa reazione è molto elevata e quindi la sensibilità di questi rivelatori è relativamente elevata. La figura a lato e lo schema seguente mostrano i dettagli della reazione, si vede che l’energia liberata è dell’ordine di 2 – 3 MeV.
E’ importante poi sottolineare che l’elevata sezione d’urto del boro vale solo per i neutroni lenti (o termici), con energia dell’ordine di KT = 0,025 eV; per i neutroni veloci la sezione d’urto è molto più bassa così come lo è la sensibilità del rivelatore.

Il nucleo di litio e la particella alfa prodotti dalla disintegrazione del nucleo di boro, quando vengono emessi verso l’interno del tubo, producono una intensa ionizzazione che fa partire la scarica all’interno del tubo, esattamente come avviene all’interno di un tubo geiger. Infatti, come i tubi geiger, anche questi tubi funzionano nella zona di scarica, al di sopra di una certa soglia, come indicato nello schema seguente.

Al fine di “spegnere” la scarica corona è necessario inserire in serie al tubo una resistenza di valore molto elevato che ha la funzione di limitare la corrente di scarica e di abbassare al di sotto della soglia la tensione tra anodo e catodo. Rispetto ai normali contatori Geiger per i quali una resistenza da 10 MΩ è sufficiente, nel caso di questi tubi per neutroni è opportuno utilizzare valori più elevati, ad esempio da 100 MΩ.

I particolari costruttivi di questi tubi fanno sì che sia ottimizzata la loro sensibilità ai neutroni mentre si cerca di ridurre al minimo la sensibilità ad altri tipi di radiazioni : gamma e beta.

Costruzione del Rivelatore di Neutroni

Il rivelatore di neutroni con tubo corona ha uno schema di funzionamente del tutto analogo a quello di un normale tubo Geiger, dato che entrambi funzionano nella regione di scarica. Vi sarà un generatore HV, una resistenza di polarizzazione ed un condensatore di accoppiamento per l’estrazione dell’impulso. L’impulso successivamente può essere letto su di una resistenza di carico oppure può essere inviato ad una catena di amplificazione e comparazione con lo scopo di migliorare il rapporto S/N e rendere possibile l’acquisizione da parte di un sistema digitale di conteggio. Per le caratteristiche del tubo corona è opportuno utilizzare resistenze di polarizzazione di valore elevato, ad esempio 100 MΩ.
La figura mostrata, tratta dal lavoro di Bob Higgins, illustra lo schema di principio.

Come è stato descritto nel paragrafo precedente, il tubo corona è sensibile, a causa dello strato borato posto al suo interno, ai neutroni lenti o termici (0,025 eV). I neutroni che vengono però prodotti da reazioni nucleari o gli stessi neutroni cosmici hanno energie dell’ordine dei MeV, per i quali la sezione d’urto dello strato attivo del tubo è molto bassa. Per questo motivo è necessario rallentare i neutroni in modo che giungano al rivelatore con l’energia giusta, cioè “termalizzati”. Per ottenere questo scopo si utilizza il moderatore che è un materiale ricco di nuclei di idrogeno (HDPE, acqua, paraffina) nel quale i neutroni vengono diffusi e quindi rallentati. Lo spessore del moderatore varia da 5 cm a 10 cm, se è troppo spesso i neutroni vengono assorbiti internamente e non giungono al rivelatore, se è troppo sottile i neutroni escono con energia troppo elevata per essere rilevati. L’immagine presentata sotto, tratta dal lavoro di Bob Higgins, illustra questo concetto.

Nelle immagini seguenti viene mostrato il rivelatore, composto dal tubo (inserito in un supporto di legno e sormontato dalle lastre di HDPE), dal generatore HV della EMCO e dal circuito di alimentazione ed estrazione dell’impulso.
Il circuito è semplicemente composto da un piccolo filtro RC per ridurre il ripple sulla linea HV, da una resistenza di 100 MΩ posta in serie al tubo e dal condensatore di accoppiamento per l’estrazione del segnale impulsivo.
Il generatore di HV è un F30CT della EMCO, in grado di fornire fino a 3000 V, nella nostra installazione lo alimentiamo a 7,5 V, in corrispondenza dei quali fornisce circa 2400 V che è la tensione di lavoro normale per il tubo SI19N.

Nella immagine seguente viene mostrato il rivelatore collegato all’amplificatore – shaper – comparatore per la elaborazione dell’impulso prodotto dal tubo corona. Gli impulsi prodotti dal comparatore vengono inviati ad un Theremino Master che effettua il conteggio. L’apparecchio amplificatore – shaper – comparatore è stato descritto nel seguente post : PMT Pulse Processing (ITA) ed è descritto nel seguente pdf : PMT Pulse Processing

Impulsi

Nelle immagini seguenti vengono riportati gli impulsi registrati dal rivelatore di neutroni. Il primo impulso è stato acquisito su di una resistenza di carico di 1 KΩ, direttamente a valle del condensatore di accoppiamento. Si nota come l’ampiezza del segnale sia piuttosto esigua : circa 50 mV, con una durata di circa 500 nsec. Si tratta quindi di un impulso molto breve e di ampiezza limitata, ben distinguibile comunque rispetto alla ondulazione della linea di base.

Il secondo impulso riportato sotto è stato acquisito all’uscita della catena amplificatore + shaper. Per ottimizzare la rilevazione degli impulsi abbiamo infatti utilizzato il medesimo apparato utilizzato per l’elaborazione degli impulsi prodotti dal PMT. Il risultato è un impulso amplificato di circa 1 V con durata di 80 μsec. L’utilizzo dell’amplificatore permette di migliorare nettamente il rapporto S/N rendendo più sicuro il riconoscimento degli impulsi rispetto al rumore. La aumentata durata dell’impulso facilita l’acquisizione digitale.

Nella immagine seguente vengono rappresentati sia l’impulso amplificato che l’impulso ottenuto dal comparatore a soglia. La soglia del comparatore è stata fissata a 0,8 V in modo da escludere impulsi spuri di ampiezza minore.

Conteggi di neutroni con Tubo SI19N

Gli impulsi squadrati prodotti dal comparatore a soglia possono essere conteggiati facilmente. Noi abbiamo utilizzato un Theremino Master unitamente alla applicazione Theremino Geiger. I conteggi sono stati fatti in tre situazioni distinte :

  • Senza moderatore
  • Con moderatore da 8 cm di HDPE
  • Con stack composto da moderatore da 4 cm di HDPE – 2 cm di piombo – 4 cm di HDPE

Le immagini riportate sotto mostrano i tre conteggi, la durata della misurazione è stata, in tutti e tre i casi di circa 1 h.

Conteggio Senza Moderatore

Conteggio con Moderatore 8 cm HDPE

Conteggio con Moderatore 8 cm HDPE e 2 cm Piombo

I risultati sono i seguenti:

Senza Moderatore 8 cm HDPE 8 cm HDPE + 2 cm lead
1,56 CPM 2,04 CPM 2,09 CPM

Dalle specifiche del tubo SI19N sappiamo che il livello di background è dichiarato essere inferiore a 5 CPM. La nostra misura senza HDPE fornisce come valore 1,56 CPM che possiamo assumere essere il livello di background del tubo SI19N. Questo valore dovrebbe comprendere impulsi spuri e radiazione ambientale. Posizionando il moderatore al di sopra del tubo si ottiene invece un valore leggermente superiore : 2,04 CPM, questo valore dovrebbe comprendere oltre al livello di background anche il contributo dei neutroni cosmici rallentati dal moderatore. Per questa componente otteniamo un valore di 0,5 CPM.
La terza misura è stata fatta inserendo uno strato di circa 2 cm di piombo tra due strati di HDPE. L’idea è che il piombo reagendo con i muoni cosmici dovrebbe produrre a sua volta dei neutroni, andando quindi ad incrementare il conteggio del rivelatore. Il risultato che si ottiene è però praticamente uguale a quello che si ottenuto senza il piombo.

Per valutare correttamente il funzionamento e la sensibilità del rivelatore sarebbe ovviamente necessario disporre di una adeguata sorgente di neutroni … prossimo progetto !

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