I silicon monitors presenti ad n_TOF, chiamati appunto SiMon e SiMon2 per la rispettiva collocazione in EAR1 e in EAR2, sono monitor di flusso opportunamente progettati per ridurre la quantità di materiale inserita nel fascio [16]. Essi consistono in un bersaglio sottile di convertitore di neutroni, posto nel fascio, circondato da quattro rivelatori al Silicio che si trovano fuori dal fascio, come mostrato nella Figura 3.3 (SiMon2 nell’immagine specifica).
Figura 3.3: Foto dei 4 rivelatori a Silicio.
Entrambi i rivelatori sono alloggiati in camere di scattering e operano in un vuoto dell’ordine di 10−2 mbar. Come mostrato in Figura 3.4, le camere in cui SiMon e
SiMon2 sono montati sono rispettivamente in fibra di carbonio e alluminio.
Figura 3.4: Camera in fibra di carbonio per SiMon (a destra) e camera in alluminio per SiMon2 (a sinistra).
Il monitoraggio e la misura del flusso sono basati sulla rivelazione dei prodotti della interazione dei neutroni con il 6Li, utilizzato come convertitore. La reazione è la seguente:
n+6Li → α+ t + Q (3.5)
con il Q valore della reazione positivo e pari a 4.78 MeV.
Assumendo che il neutrone che dà origine alla reazione sia termico e che dunque i prodotti siano emessi in direzioni opposte, la cinematica della reazione si scrive come:
Et+ Eα = 4.78MeV (3.6)
Risolvendo le equazioni e sostituendo alla velocità la sua espressione in funzione dell’energia, si ottiene un valore per l’energia cinetica del tritone pari a 2.73 MeV e per la particella α pari a 2.05 MeV. La reazione n+6Li dunque è particolarmente conveniente, sia perchè caratterizzata da una sezione d’urto notevole (da 1000 barn a qualche barn nel range di interesse) e nota con un’accuratezza intorno allo 0.5%, sia perchè i prodotti della reazione sono carichi e possiedono un’energia, in linea di principio, facilmente discriminabile dal fondo.
Nonostante SiMon e SiMon2 siano utilizzati in due aree diverse, il principio di fun-zionamento è il medesimo: le particelle cariche generate dall’interazione del neutrone con il convertitore giungono sui Silici (secondo l’accettanza geometrica del rivelato-re) e vengono qui fermate depositando tutta la loro energia. Le uniche differenze tra SiMon e SiMon2 risiedono:
• nel bersaglio, o meglio nella sua composizione chimica e nel suo spessore; • nella superficie sensibile e nella distanza relativa dei Silici utilizzati, quindi
nelle rispettive efficienze geometriche.
La scelta dello spessore del bersaglio rappresenta un compromesso tra la necessità di avere un tasso di conteggi elevato e quella di riuscire a ben identificare i tritoni e le particelle α, identificazione che viene peggiorata dalla perdita di energia delle particelle all’interno del convertitore stesso. Per ottenere lo spessore ottimale, sono state effettuate simulazioni Monte Carlo tramite la piattaforma GEANT-4, come riportato in Ref. [16], studiando la differenza tra gli spettri ottenuti a seconda che il deposito fosse di 6Li puro oppure di un suo composto, il LiF (Figura 3.5). Infatti, poiché il 6Li è un metallo altamente reattivo e si ossida quando esposto all’aria, l’utilizzo di un suo composto rappresenta una conveniente alternativa.
Per i depositi molto sottili, la particella alfa e i tritoni sono nettamente separati; tuttavia, lo yield corrispondente alla rivelazione delle particelle cariche è basso e può non essere sufficiente per la precisa misurazione del flusso in regioni energetiche particolari, ad esempio dove la sezione d’urto di reazione è piccola.
Figura 3.5: Simulazioni dello spettro di energie nei rivelatori al silicio per spessori differenti del deposito di 6Li (sinistra) e LiF (destra) [16].
Il picco centrato a 2.5-2.6 MeV corrisponde ai tritoni che perdono solo una minima frazione della loro energia all’interno del deposito. Al contrario, a causa della loro maggiore perdita di energia, le particelle alfa mostrano uno spettro più piatto che riflette la distribuzione uniforme della loro produzione all’interno del deposito di Litio. Quindi quando lo spessore dello strato aumenta, cresce il numero di reazioni nel convertitore, ma la risoluzione energetica peggiora a causa della perdita di energia dei prodotti di reazione nel convertitore stesso. Inoltre, per strati molto spessi, alcune particelle possono essere completamente assorbite all’interno del deposito, portando a saturazione il numero di eventi rivelati.
Rivelando solamente i tritoni si trova come spessore ottimale circa 200 µg/cm2
per 6Li e circa 500 µg/cm2 per LiF.
I risultati delle simulazioni in Figura 3.5 indicano che un deposito di6Li puro può essere più conveniente in termini di separazione alfa/tritoni ed efficienza, a condizione che una protezione opportuna sia usata per evitare che il deposito di Litio puro si degradi, essendo questo altamente igroscopico. D’altro canto, se non è richiesto un count-rate elevato, un bersaglio di LiF è più indicato considerata la maggiore facilità di realizzazione e manegevolezza.
Per quanto riguarda il bersaglio, nel caso di SiMon esso è costituito da un sottile foglio di Mylar di spessore 2 µm e diametro 6 cm su cui è depositato uno strato di6Li puro di spessore 300 µg/cm2 sul quale, a sua volta, è depositato un sottilissimo strato di Carbonio per passivarlo. Nel caso di SiMon2 invece il bersaglio è un deposito di LiF di spessore 420 µg/cm2; al contrario del 6Li puro, il LiF non è reattivo con l’aria ma rispetto al 6Li puro presenta lo svantaggio di avere un minor numero di centri scatteratori a parità di massa totale di deposito. Nel caso di SiMon2, in ogni caso, questa non è una limitazione in quanto il flusso 25 volte superiore in EAR2 assicura uno yield e quindi una statistica assolutamente soddisfacenti.
Per quanto riguarda la superficie dei rivelatori utilizzati, in SiMon questi sono di forma rettangolare, con area pari a 6×4 cm2 e spessore 300 µm, mentre in Simon2 sono quadrati con area pari a 3×3 cm2 e spessore 300µm. Come conseguenza di ciò, come sarà mostrato nel successivo paragrafo, l’efficienza geometrica dei due rivelatori è diversa e deve essere presa in considerazione nell’analisi dati per l’estrazione del flusso.
I rivelatori sono accoppiati ad una elettronica dedicata, capace in particolare di gestire il count-rate ed evitare o minimizzare problemi come il pile-up e il dead-time. La carica prodotta nei Silici, in entrambi i sistemi di rivelazione è raccolta ed amplificata da preamplificatori di carica e, a seguire, da amplificatori veloci: Timing Filter Amplifier (ORTEC TFA 474), con tempi di formazione di 100 ns. I segnali così ottenuti sono registrati dal sistema di acquisizione di n_TOF che si basa sull’utilizzo di F lash Analogue to Digital Converter (FADC), in cui vengono digitalizzati. I FADC utilizzati hanno una memoria di 8 MB e un sampling rate regolabile da 2 GHz fino a 100 MHz. L’utilizzo di FADC con siffatte caratteristiche permette di campionare e registrare l’intera forma d’onda per tutti i segnali prodotti nel rivelatore ad ogni bunch di neutroni per tempi di volo associati ad energie che vanno dal termico fino al GeV.
La Figura 3.6 mostra, nel caso di SiMon2, la forma d’onda registrata nei FADC ad ogni bunch di neutroni, per tempi di volo che vanno da qualche microsecondo fino a circa 11 ms, corrispondenti in EAR2 ad energie che vanno da qualche MeV fino a 15 meV.
Figura 3.6: Forma d’onda registrata nei FADC per un bunch di neutroni nel caso di SiMon2. Il grande picco che si osserva sulla sinistra è dovuto al γ flash.