spe-rimentale, EAR1
Dopo essere stati prodotti (ed eventualmente moderati) i neutroni lasciano il target di spallazione ed entrano nelle linee di fascio.
Quella relativa alla prima sala sperimentale è inclinata di 10° rispetto alla dire-zione di incidenza del fascio di protoni e si estende per circa 200 m fino al beam dump, in direzione orizzontale. I neutroni che emergono dal target di spallazione si propagano attraverso dei tubi in vuoto di diametro variabile, montati all’interno di un tunnel preesistente.
Lungo la base di volo, così come mostrato in Figura 2.11, sono posti diversi elementi (pareti di cemento e ferro, magneti, collimatori, etc...) al fine di modellare il profilo spaziale del fascio di neutroni, ridurre il background di particelle cariche e di fotoni presenti nel fascio e quello causato dai neutroni al di fuori di esso.
Figura 2.11: Schematizzazione del tunnel di n_TOF dal target di spallazione fino al beam dump (200 m).
Il primo settore della linea di trasporto di neutroni, lungo 70 m, ha un diametro di 80 cm ed è realizzato in alluminio, contrariamente ai rimanenti tubi della linea di fascio che sono realizzati in acciaio; al termine di questo settore è presente un blocco di ferro, spesso 2 m, con l’obiettivo di ridurre il diametro del fascio fino a 60 cm. Il primo collimatore, spesso 2 m e installato a 137 m dal target, è composto da un blocco di ferro e uno di cemento ed è utilizzato per ridurre la divergenza del fascio all’entrata dell’area sperimentale. Maggiori dettagli su questo collimatore sono riportati nella Tabella 2.1. Questo settore del tubo presenta anche un ampio magnete e una “stazione di filtro”, la quale è dotata di otto slot dove possono essere inserite lastre di materiali che assorbono neutroni (in genere sono utilizzati isotopi con risonanze neutroniche molto pronunciate).
Il compito della “stazione di filtro” è quello di assorbire tutti i neutroni del fascio a determinate energie per poter così studiare il contributo del background a quelle energie. Il magnete è un dipolo magnetico (Figura 2.12) ed ha invece lo scopo di deviare le particelle cariche secondarie al di fuori del fascio, verso le pareti del tunnel o verso un muro di ferro spesso 3.2 m posto immediatamente a valle (viene utilizzato il ferro perché particolarmente adatto ad attenuare il background dei muoni).
Figura 2.12: Lo "sweeping magnet"
Dopo il passaggio attraverso il magnete, i neutroni raggiungono il terzo settore in cui è posto l’ultimo assemblaggio per la collimazione.
Contrariamente al primo collimatore, il secondo serve a modificare il profilo del fascio. Infatti grazie ad una struttura più complessa che prevede diversi strati di polietilene borato e ferro (Figura 2.13) è possibile modellare il profilo spaziale del fascio senza produrre background che inciderebbe pesantemente sulle misurazioni data la vicinanza del collimatore all’area sperimentale [25].
Ad n_TOF sono state costruite e utilizzate due versioni del secondo collimatore. Esse differiscono solo per l’apertura e quindi per la dimensione del fascio di neutroni emergente.
Per misure di cattura, che richiedono un fascio di neutroni piccolo e ben definito, viene utilizzata la versione con un’apertura di 1.8 cm di diametro, mentre per le misure di fissione, in cui i campioni sono solitamente sottili per evitare auto assorbi-mento dei frammenti di fissione, il flusso sul campione è massimizzato da un’apertura di 8 cm.
Figura 2.13: Assemblaggio del secondo collimatore.
Collimatore Materiale Raggio Lunghezza
degli strati Interno/Esterno (cm) (m)
1st 1-Ferro 5.5-25.0 1 2-Cemento 5.5-25.0 1 2nd C.M. 1-Polietilene Borato 0.9-20.0 0.5 2-Ferro 0.9-20.0 1.25 3-Polietilene Borato 0.9-20.0 0.55 2nd F.M. 1-Polietilene Borato 4.0-20.0 0.5 2-Ferro 4.0-20.0 1.25 3-Polietilene Borato 4.0-20.0 0.55
Tabella 2.1: Caratteristiche dei collimatori C.M. (Modalità Cattura) e F.M. (Modalità Fissione)
Facendo riferimento alla Figura 2.11, EAR1 è definita da due muri di cemen-to, il primo a circa 182 m dal target di spallazione ed il secondo 7 m dopo, che agiscono anche come schermature. Nell’area sperimentale sono contenuti il cam-pione da misurare, i rivelatori e tutte le apparecchiature ausiliarie necessarie per le misurazioni.
L’area sperimentale è classificata come "Laboratorio di Classe A" (o più pro-priamente come "Work Sector Type A"): dotata di numerosi sistemi di sicurezza (antincendio, sovrapressione, ventilazione forzata, etc...), ed è pertanto idonea ad ospitare sorgenti radioattive non sigillate, come i campioni radioattivi utilizzati in molte misure.
All’uscita dell’area sperimentale, al di là del muro di cemento di spessore di 1.6 m, c’è la quarta sezione chiamata "escape line", lì dove termina la linea del fascio (Figura 2.14).
Questa zona è predisposta per avere tutta l’elettronica e il sistema di acquisizione dati, DAQ, che poi vengono inviati alla sala di controllo dell’esperimento, situata in superficie. Dalla sala di controllo è possibile monitorare in tempo reale tutti i rivelatori e i vari parametri (pressioni, temperature, livelli di esposizione etc...) relativi alla sala sperimentale, al tunnel e all’area contenente il target.
Figura 2.14: Sala in cui è situata la Neutron Escape Lane, il beam dump e il sistema di acquisizione dati.
Il tubo a vuoto del fascio termina su un blocco di polietilene di lato 50 cm, solitamente indicato col nome di “beam dump”. In realtà i neutroni non sono com-pletamente assorbiti da questo blocco, ma vengono in parte termalizzati e catturati dal pavimento e dai muri stessi del tunnel.
Come già detto precedentemente, EAR1 è un “Work Sector Type A” e questo permette di utilizzare campioni di isotopi radioattivi non incapsulati, ma non senza adottare alcune particolari procedure di radioprotezione. A tal fine EAR1 è stata dotata di un’area di decontaminazione mostrata in Figura 2.15.
Figura 2.15: Foto dell’entrata dell’area sperimentale. A partire dal lato sinistro in al-to ed in senso orario: l’entrata alla beam line, l’entrata all’area di decontaminazione, l’interno dell’area di decontaminazione e la zona del beam dump.