Un Self Powered Neutron Detector (SPND) come monitor di
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Un Self Powered Neutron Detector (SPND) come monitor di
Un Self Powered Neutron Detector (SPND) come monitor di fluenza nella colonna termica del reattore Triga Mark II di Pavia 2 Indice Introduzione 5 1 Rivelatori per neutroni termici 1.1 Neutroni termici e rapporto di cadmio . . . . . . 1.2 Rivelatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Categorie di detector . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Metodi di conversione per neutroni termici . . . . . . . . 2 Monitor di flusso di neutroni termici 2.1 Monitoraggio per attivazione . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Contatori proporzionali . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Camera a fissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 SPND (Self Powered Neutron Detector) . . . . . . . . 2.5 Altri tipi di monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Monitor del progetto TAOrMINA . . . . . . . 2.5.2 MPFD (Micro-Pocket Fission Detector) . . . . 2.5.3 SOF detector (Scintillator with Optical Fiber) 2.5.4 NMS (Neutron Monitoring System) . . . . . . 3 Installazione del SPND presso il L.E.N.A. 3.1 Tipo di SPND utilizzato . . . . . . . . . . 3.1.1 Caratteristiche tecniche . . . . . . . 3.1.2 Sensibilità . . . . . . . . . . . . . . 3.2 L’SPND e la misura del boro . . . . . . . . 3.2.1 Catena elettronica senza SPND . . 3.2.2 Catena elettronica con SPND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 12 12 15 . . . . . . . . . 19 20 25 29 32 36 36 39 41 44 . . . . . . 47 48 48 52 54 54 56 INDICE 3.3 Software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati 3.3.1 Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Comunication . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Flux measurement . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Fluence control . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5 Stop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.6 Mean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Taratura e risultati sperimentali 4.1 Linearità dello strumento . . . . . . . . 4.2 Sensibilitá del SPND . . . . . . . . . . 4.2.1 Misura del rapporto di cadmio . 4.3 Calcolo della sensibilità Smb . . . . . . 4.4 Corrente SPND e potenza del reattore Conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 61 62 63 63 64 65 . . . . . 69 69 72 80 83 86 89 A BNCT 91 A.1 Il pricipio di base della BNCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 A.2 La misura del boro in tessuti biologici a Pavia . . . . . . . . . 92 B Programma FLUENCECONTROL 95 C Programma PROGMEAN 109 Bibliografia 119 Ringraziamenti 123 4 Introduzione La BNCT è una particolare tipologia di cura contro i tumori, che sfrutta la reazione di cattura neutronica 10 B(n, α)7 Li. Con questa reazione si producono infatti due particelle altamente ionizzanti, poco penetranti, che sono quindi capaci di cedere, in brevissimi percorsi nella materia (qualche micron), tutta la loro energia. Se si riesce perciò a introdurre selettivamente il boro nelle cellule tumorali, esponendo il tumore a un flusso di neutroni si possono, grazie a questa reazione di cattura, provocare danni letali alla cellula interessata, minimizzando i danni alle cellule sane vicine. Per ottenere tale selettività, il boro viene trasportato da opportuni carriers molecolari; i principali sono la BPA (Borofenilalanina) e il BSH (Sodio-Dodecaborano). Per utilizzare questa tecnica appare quindi fondamentale conoscere con esattezza la concentrazione di 10 B che si trova nelle cellule tumorali e quella che invece è contenuta nelle cellule sane. A Pavia si è sviluppata un’innovativa tecnica che permette di condurre tali misure, sfruttando la spettroscopia alfa. I campioni vengono irraggiati nella colonna termica del reattore dell’Università di Pavia, e dallo studio dello spettro delle particelle alfa prodotte dalla reazione 10 B(n, α)7 Li si ricava la quantità di boro contenuta nei diversi tessuti. Questo tipo di misure richiede la conoscenza della fluenza neutronica a cui è esposto ogni campione; per maggiore garanzia di precisione si preferisce misurare direttamente questa grandezza, piuttosto che valutarla attraverso il prodotto del flusso per il tempo di esposizione. In questo modo la fluenza non risulta affetta dalle fluttuazioni del flusso (legate a quelle della potenza del reattore) durante l’intervallo di tempo della misura. Il presente lavoro ha riguardato lo sviluppo di un sistema per il monitoraggio in tempo reale della fluenza che interessa i campioni irraggiati in Introduzione colonna termica. Per realizzarlo si è utilizzato un rivelatore di neutroni di tipo SPND. Questi rivelatori generano una corrente che risulta essere proporzionale al flusso di neutroni incidente; hanno il vantaggio di avere dimensioni molto ridotte e di non richiedere un’alimentazione per funzionare. In particolare nel Capitolo 1 si fornirà una panoramica dei diversi metodi che stanno alla base della rivelazione dei neutroni termici. Nel Capitolo 2 saranno presentati in dettaglio caratteristiche e vantaggi di alcuni rivelatori di neutroni termici, mostrando particolare attenzione a quei detector sviluppati per essere utilizzati in ambito terapeutico. Nel Capitolo 3 verranno descritte le caratteristiche del SPND da noi utilizzato, le soluzioni tecniche adottate per integrare il detector nella catena elettronica di misura del boro e il software sviluppato per realizzare il sistema di monitoraggio della fluenza. Nel Capitolo 4 saranno descritte le modalità con cui sono stati condotti gli esperimenti per la caratterizzazione del SPND e del flusso della colonna termica. Nelle conclusioni si riassumeranno i risultati e si farà cenno alle prospettive future di studio del detector. Nell’Appendice A si troveranno invece maggiori informazioni riguardanti i principi della BNCT e una descrizione qualitativa della tecnica di misura del boro con spettroscopia alfa, sviluppata a Pavia. Nelle Appendici B e C saranno riportati i codici dei programmi sviluppati per questo lavoro, rispettivamente il codice di Fluencecontrol per poter integrare il monitoraggio della fluenza nelle misure di concentrazione di boro, e il codice di Progmean per l’analisi dei dati raccolti. 6 Capitolo 1 Rivelatori per neutroni termici 1.1 Neutroni termici e rapporto di cadmio La distribuzione energetica dei fasci neutronici estratti da un reattore nucleare può essere approssimata dalla somma di tre componenti: termica, epitermica e veloce. In un fissato punto, a seconda della sua posizione rispetto al nocciolo e del tipo di materiali circostanti, si può avere la prevalenza di una delle componenti rispetto alle altre. La posizione del reattore in cui verranno effettuate le misure che riguardano questa tesi è la colonna termica del reattore; in questo caso la componente termica prevale nettamente sulle altre due. Se quindi ci limitiamo a considerare solo il flusso termico φt (~r) [1], che per definizione è costituito solo da quei neutroni con energie inferiori a 5kT , e che quindi possiamo scrivere come φt (~r) = Z 5kT φ(~r, E) dE , 0 possiamo approssimare la sua distribuzione in energia allo spettro Maxwelliano φM (~r, E) , che risulta φM (~r, E) = 2πn(~r) (πkT )3/2 2 m 1/2 E e−E/kT , dove n(~r) è la densità di neutroni intorno al punto indicato dal vettore ~r, k 1. Rivelatori per neutroni termici è la costante di Boltzmann, T è la teperatura del mezzo espressa in ◦ K e m è la massa del neutrone. Ora, dal momento che la distribuzione Maxwelliana decresce molto rapidamente per energie superiori a 5kT, possiamo anche estendere l’integrale fino ad energie infinite, che l’errore che introduciamo risulterà molto piccolo. Il flusso termico possiamo perciò scriverlo come φt (~r) = Z ∞ φM (~r, E) dE = 0 2 = √ n(~r) π 2kT m 1/2 2πn(~r) 3/2 (πkT ) 2 m 1/2 Z ∞ E e−E/kT dE 0 . (1.1) Questa approssimazione è tanto valida quanto più la concentrazione di assorbitori è bassa e quanto più è piccolo il fenomeno delle fughe dal sistema dovuto al fatto che il mezzo in cui si muovono i neutroni in realtà è finito. Inoltre, poichè l’energia del neutrone la possiamo scrivere come 1 ET = kT = mvT 2 2 con vT la velocità (espressa in cm/s) che il neutrone ha quando la temperatura è T , l’Eq.(1.1) possiamo anche riscriverla in termini di velocità e non di energia, come 2 φt (~r) = √ n(~r)vT . π Il flusso termico φt è quindi dipendente soltanto dalla temperatura T . Nelle misure di flusso termico che utilizzano l’attivazione neutronica è fondamentale conoscere il rate di assorbimento Fa dei neutroni. Assumendo che i nuclei bersaglio siano liberi, l’interazione con il neutrone incidente può essere descritta utilizzando la sezione d’urto microscopica. Tenendo conto che sia i neutroni che i nuclei del mezzo si muovono per agitazione termica, indichiamo con n(~v ) d~v il numero di neutroni/cm3 che in un certo punto del mezzo si muovono con una velocità di laboratorio compresa ~ ) dV ~ il numero di nuclei/cm3 che si muovono con una tra ~v e ~v +d~v e con N(V ~ e V~ + dV ~ . I neutroni si avvicinano velocità di laboratorio compresa tra V ~ , il cui modulo vale vr . Se quindi ai nuclei con velocità relativa v~r = ~v − V 8 1.1. Neutroni termici e rapporto di cadmio l’intensità differenziale del fascio di neutroni è dI = n(~v ) vr d~v, allora il loro rate di interazione con i nuclei per cm3 /s vale ~ ) σ(vr ) vr d~v dV ~ . dF = n(~v ) N(V Per conoscere quindi il rate totale di assorbimento, bisogna integrare nelle ~ sei componenti di ~v e V Z Z ~ ) σa (vr ) vr d~v dV ~ . Fa = n(~v ) N(V Tale integrale è molto complicato, ma in genere i materiali utilizzati per le misure di flusso hanno sezioni d’urto di assorbimento che hanno per le energie termiche un andamento come 1/v. Possiamo quindi scrivere σa (vr ) = σa (vr0 ) vr0 , vr dove vr0 è una velocità relativa arbitraria e σa (vr0 ) la corrispondente sezione d’urto di assorbimento. Se inseriamo questa equazione nell’integrale, il rate di assorbimento diventa Z Z ~ ) d~v dV ~ = N σa (vr0 ) n vr0 = Σa (E0 ) n v0 , Fa = σa (vr0 ) vr0 n(~v ) N(V dove N è la densità atomica e n quella dei neutroni. Questo è un risultato importante, che mostra come il rate di assorbimento per neutroni in un assorbitore 1/v sia costante, indipendente dalla distribuzione di velocità dei neutroni o dei nuclei. In genere la velocità che si prende solitamente come riferimento è v0 = 2200 m/s, che corrisponde a un’energia del neutrone pari a E0 = 0.0253 eV, che è l’energia più probabile per un flusso Maxwelliano a temperatura 20.46◦ C. Ponendo φ0 = nv0 , il rate di assorbimento diventa semplicemente Fa = Σa (E0 ) φ0 . 9 (1.2) 1. Rivelatori per neutroni termici Poichè vale la relazione vt = v0 T T0 1/2 , l’equazione che permette di passare dal φ0 al φt è 2 φt = √ π T T0 1/2 φ0 . (1.3) A questo punto se definiamo una nuova grandezza, la sezione d’urto di assorbimento media sullo spettro termico, come √ π Σ̄a = 2 T0 T 1/2 Σa (E0 ) , (1.4) il rate di assorbimento lo possiamo scrivere come Fa = Σ̄a (E0 ) φt . Se rappresentiamo in grafico lo spettro di un flusso di neutroni termalizzati in un mezzo finito e reale (Figura 1.1), notiamo che la loro distribuzione si può approssimare a una distribuzione Maxwelliana traslata a temperature superiori rispetto a quella di un mezzo infinito e ad assorbimento nullo (in questo caso la temperatura della Maxwelliana corrisponde a quella del mezzo), a cui si aggiunge una “coda” con andamento 1/E. Se, come abbiamo già detto, possiamo descrivere il flusso termico φt con la distribuzione Maxwelliana, la parte proporzionale a 1/E descrive neutroni con energie più elevate, e che costiuiscono il flusso chiamato epitermico φe . L’energia in cui le due curve si incontrano è E = µkT , dove µ è un indice di termalizzazione che dipende dal moderatore (per la grafite della colonna termica vale 4.86). Al di sotto di tale energia la componente epitermica risulta trascurabile. Se il flusso termalizzato lo possiamo quindi scrivere come φtot = φt + φe , è possibile ricavare una relazione tra le due componenti, a partire da una grandezza, misurabile sperimentalmente, che si chiama rapporto di cadmio. Per misurare il rapporto di cadmio [2] si irraggiano due targhette identiche, una nuda e l’altra posta in un contenitore di cadmio dello spessore 10 1.1. Neutroni termici e rapporto di cadmio Figura 1.1: φ(E) è lo spettro energetico di un flusso di neutroni termalizzati in acqua, φM (E) distribuzione Maxwelliana. Immagine tratta da [1]. dell’ordine del mm. Il cadmio (12.22% 113 Cd) ha un particolare andamento della sezione d’urto di assorbimento, come si può vedere Figura 1.2: per basse energie è proporzionale a 1/v, presenta un’ampia risonanza intorno a 0.5 eV e poi, dai valori che ha avuto superiori ai 10000 barns, subisce un drastica e rapida diminuzione con l’aumentare dell’energia dei neutroni. L’energia alla quale si riscontra la risonanza è detta energia di taglio ECd e dipende dallo spessore dello schermo e dal tipo di flusso neutronico, se isotropo o collimato. Caratteristiche tali della sezione d’urto fanno sı̀ che il cadmio assorba tutti i neutroni con energie inferiori a ECd ; la targhetta schermata da questo materiale sarà quindi attivata soltanto da quei neutroni con energia superiore, cioè soltanto da quelli costituenti il flusso epitermico φe . Il rivelatore nudo invece, sarà attivato da tutto lo spettro neutronico φtot . Definiamo perciò rapporto di cadmio il rapporto RCd = A∞ (f oglio nudo) . A∞ (f oglio sotto Cd) Noto il rapporto di cadmio si possono calcolare le componenti termica ed epitermica del fascio. In particolare, per nuclei che hanno sezioni d’urto con andamento 1/v nella zona termica e che presentano risonanze solo per E > ECd , come oro, argento, rame, manganese, vale la relazione 11 1. Rivelatori per neutroni termici Figura 1.2: Sezione d’urto del 113 Cd in funzione dell’energia del neutrone incidente. Immagine tratta da [3]. √ r µπ φe =√ , φt µπ − 4r (1.5) dove r è un indice di termalizzazione del fascio, che si ricava dalla misura di rapporto di cadmio come g r= RCd √4 π q µT ECd , +s −s (1.6) con g e s parametri propri del materiale costituente la targhetta. Rispettivamente sono indici dell’andamento 1/v della sezione d’urto nella zona termica, e del contributo delle risonanze rispetto questo andamento nella zona epitermica. 1.2 1.2.1 Rivelatori Categorie di detector Lo sviluppo di nuovi rivelatori di neutroni è un campo di ricerca ancora molto attuale. Tali dispositivi posso essere usati per esempio [4]: • nel campo della fissione: per la mappatura dei flussi neutronici all’interno o nell’intorno del core dei reattori; 12 1.2. Rivelatori • nel campo della fusione: per avere informazioni sull’attività, sulla distribuzione e sulla temperatura dei plasmi attraverso la misura dei neutroni; • nel trattamento materiali speciali : per ottenere importanti informazioni riguardanti rifiuti radioattivi o armi, in modo da trattare questi materiali nel modo più opportuno; • nella ricerca di base: per misure di sezioni d’urto, studio di nuclei esotici, investigazioni sulla materia oscura e dello spazio in generale; • nella dosimetria: sia per la radioprotezione, sia per la caratterizzazione e l’esecuzione di piani di trattamento radioterapeutico; • nella scienza dei materiali : per ottenere informazioni sui materiali attraverso scattering e diffrazione di fasci neutronici, o attraverso radiografie e tomografie neutroniche. Il primo step della rivelazione dei neutroni richiede la produzione di particelle che sono più facilmente rivelabili come fotoni o particelle dotate di carica elettrica. Per questo si sfruttano reazioni nucleari come l’assorbimento, la fissione e lo scattering elastico delle quali bisogna conoscere la sezione d’urto. Questa è però una funzione dell’energia dei neutroni incidenti (oltre che della temperatura del bersaglio), quindi reazioni opportune andranno scelte a seconda del range energetico al quale si è interessati. I detector di neutroni in genere si possono suddividere in due grandi classi di dispositivi: • PASSIVI : essenzialmente sono dispositivi che, sottoposti a un flusso di neutroni, subiscono delle trasformazioni; lo studio di queste trasformazioni viene condotto in un secondo momento e permette di avere informazioni sul flusso. In questa classe di detector troviamo: – attivazione di fogli : i materiali utilizzati sono generalmente oro, rame, manganese, cobalto, ecc.; i foglietti si attivano per cattura neutronica in maniera proporzionale al flusso a cui sono sottoposti; è una tecnica che richiede una catena spettrometrica gamma ben 13 1. Rivelatori per neutroni termici calibrata e l’uso di software per la deconvoluzione dello spettro neutronico a partire dalle attivazioni indotte; – rivelatori a traccia: sono materiali solidi i cui legami cristallini vengono rotti dal passaggio di particelle cariche; i danni vengono poi accentuati da uno sviluppo in bagno alcalino e rivelati con un microscopio. Poichè la perdita di energia da parte di elettroni è in genere insufficiente a creare tracce, questi rivelatori permettono di discriminare i contributi dei neutroni da quelli dei raggi gamma solitamente presenti nello stesso campo. • ATTIVI : l’interazione dei neutroni con il dispositivo crea un impulso o una corrente proporzionale al flusso delle particelle. Questi strumenti, che permettono misure in real-time, sono: – detector ad attivazione: il segnale è costituito dai prodotti di decadimento del materiale attivato; – camere a bolle: variando pressione e temperatura permettono di discriminare facilmente vari range energetici dei neutroni; – strumenti basati su protoni di rinculo: misurando l’energia e l’angolo di deflessione dei protoni si risale all’energia dei neutroni incidenti; sono dei veri e propri spettrometri per neutroni; – strumenti basati sul tempo di volo: anche questi sono degli spettrometri; l’energia dei neutroni viene ricavata dalla misura dell’intervallo di tempo impiegato dal neutrone a percorrere una fissata distanza; – contatori a gas: come tubi a 3 He o camere a fissione, in cui il segnale viene prodotto dalla ionizzazione indotta dalle particelle cariche liberate nella reazione di cattura, fissione o rinculo; – detector a semiconduttore: sono dispositivi a stato solido costituiti da cristalli di silicio, germanio o diamante, in cui si misura l’energia persa dalla particella carica incidente; – scintillatori : solidi o liquidi, di materiale organico o inorganico, il cui funzionamento è basato sulla luce sviluppata dalla diseccitazione degli atomi in seguito al passaggio di una particella carica, 14 1.2. Rivelatori che può poi essere convertita in un segnale elettrico attraverso un CCD1 o un fotomoltiplicatore. 1.2.2 Metodi di conversione per neutroni termici Per convertire con alta efficienza i neutroni termici in particelle più facilmente rivelabili [5], mantenendo piccole le dimensioni dello strumento in modo da non perdere in risoluzione spaziale, è essenziale avere la più grande sezione d’urto possibile; il nuclide bersaglio, inoltre deve avere un’alta abbondanza isotopica nell’elemento naturale, oppure devono essere facili ed economiche le tecniche di arricchimento. Spesso poi se la misura è affetta dalla presenza di altri segnali non voluti, è utile disporre di reazioni con alto Q−valore2 , in modo da poter discriminare con facilità quei segnali relativi alla sola reazione di nostro interesse. La reazione sul Boro Una delle reazioni più utilizzate per convertire un neutrone termico in una particella direttamente rivelabile è la reazione 10 B(n, α)7 Li, che per neutroni di 0.025 eV presenta i seguenti branching ratios: Reagenti 10 5 B +n Prodotti B.R. 7 0.06 3 Li + α 7 ∗ 0.94 3 Li + α Q−value 2.792 MeV 2.310 MeV Essendo una reazione a due corpi, i prodotti vengono emessi in direzioni opposte con energie date dalle leggi di conservazione del momento e dell’energia. Prendendo in considerazione il caso più probabile che vede il nucleo del litio trovarsi allo stato eccitato, le energie dei prodotti sono ELi =0.84 MeV e Eα =1.47 MeV a cui segue il γ di diseccitazione a 478 keV. 1 Charge Coupled Device, circuito integrato di elementi semiconduttori, in grado di accumulare una carica elettrica proporzionale all’intensità della radiazione elettromagnetica che lo colpisce. 2 Energia liberata durante una reazione. 15 1. Rivelatori per neutroni termici Si possono cosı̀ sviluppare strumenti che per discriminare i segnali dovuti a questa particolare reazione da altri dovuti al rumore, lavorino o in coincidenza (rivelando contemporaneamente le due particelle emesse nella reazione) o sulle energie dei prodotti. Come elemento il 10 B è molto vantaggioso. Ha una sezione d’urto per neutroni termici particolarmente alta, 3840 barns, che diminuisce con l’inverso della velocità del neutrone. L’abbondanza isotopica del 10 B nell’elemento naturale è del 19.8%. La reazione sul Litio Un’altra reazione particolarmente usata è la reazione 6 Li(n, α)3 H, che presenta le seguenti caratteristiche: Reagenti 6 3 Li + n Prodotti B.R. 3 1 1H + α Q−value 4.78 MeV Anche in questo tipo di reazione, essendo una reazione a due corpi, si può lavorare in coincidenza; le energie dei prodotti di reazioni con i neutroni termici sono: E3 H =2.73 MeV e Eα =2.05 MeV . La sezione d’urto per questa reazione è di 940 barns e il 6 Li ha un’abbondanza isotopica del 7.40%. La reazione sull’Elio Spesso si usa questo gas come mezzo per la rivelazione dei neutroni, secondo la reazione: Reagenti 3 2 He + n Prodotti 3 1H + p B.R. Q−value 1 0.764 MeV Le particelle prodotte avranno direzioni opposte ed energie per neutroni termici: 16 1.2. Rivelatori Ep =0.573 MeV e E3 H =0.191 MeV . La sezione d’urto per questo tipo di reazione per i neutroni termici è molto alta, 5330 barns, e sebbene ad alto costo, il gas 3 He si trova a livello commerciale. La reazione sul Gadolinio Il 157 Gd è il materiale che presenta la più alta sezione d’urto per i neutroni termici. Questa risulta essere 2.55 · 105 barns. Alla cattura seguono l’emissione di prompt gamma (raggi gamma di diseccitazione del nucleo) e di elettroni. Poichè in un campo di neutroni sono sempre presenti delle radiazioni gamma, in questo caso è necessario a maggior ragione sviluppare tecniche per discriminare il fondo gamma. L’abbondanza isotopica del 157 Gd nel gadolinio naturale è del 15.7%. La reazioni di fissione Gli elementi 233 U, 235 U e 239 P u presentano una sezione d’urto di fissione piuttosto elevata per neutroni ad energie termiche e un Q−valore estremamente alto (intorno ai 200 MeV). Quest’ultima caratteristica permette di discriminare facilmente i contributi dati dalla fissione da quelli dovuti al fondo. La sezione d’urto di fissione per 233 U vale 531 barns, per 235 U 584, mentre per 239 P u risulta 747 barns [6]. 17 1. Rivelatori per neutroni termici ı̈≫¿ 18 Capitolo 2 Monitor di flusso di neutroni termici Per flusso di un campo di radiazione nell’intorno di un punto dello spazio si intende il valore di aspettazione del numero di particelle che attraversano una superficie sferica (centrata intorno al punto) diviso per l’area del cerchio massimo e per l’intervallo di tempo di osservazione; per fluenza si intende invece lo stesso valore di aspettazione suddetto integrato sul tempo di osservazione e diviso per l’area del cerchio massimo. Per le terapie che sfruttano le radiazioni o per gli studi di radioprotezione la fluenza è quindi una grandezza più utile rispetto al flusso, poichè direttamente collegabile alla dose assorbita in un certo intervallo di tempo. È chiaro però che conoscendo il flusso di particelle e il tempo di irraggiamento, la fluenza non è altro che il prodotto tra queste due grandezze. Quindi in mancanza di un dispositivo che misuri direttamente la fluenza, è possibile utilizzarne uno di flusso, mediarne la misura e assumere che durante il tempo di irraggiamento il flusso rimanga costante. Qui di seguito tratteremo alcuni dispositivi, con particolare attenzione a quelli che hanno applicazioni in ambito terapeutico. 2. Monitor di flusso di neutroni termici 2.1 Monitoraggio per attivazione Questa tecnica permette di compiere misure di flusso in maniera indiretta, mediante lo studio della radioattività indotta dall’irragiamento di un materiale. Esponendo un campione al flusso di neutroni [5] per un certo tempo, una volta rimosso e studiata la sua attività, è possibile dedurre informazioni sull’intensità e la distribuzione energetica del campo radioattivo. Poichè le sezioni d’urto di cattura neutronica sono più alte per le basse energie (andamento 1/v), questa tecnica è particolarmente adatta alla misura di flussi di neutroni termici. Infatti se sottoponiamo un campione di volume V ad un flusso φt di neutroni che presenti Σ̄att come sezione d’urto di attivazione media sullo spettro termico, definita dall’Eq.(1.4), il rate di attivazione, cioè il numero di nuclei radioattivi prodotti ogni secondo, è R = φt Σ̄att V e di conseguenza il rate di attivazione per unità di massa è direttamente proporzionale all’intensità del flusso. L’attività del campione sarà perciò λN, dove λ è la costante di decadimento propria del nuclide instabile creato, e N è il numero di questi nuclei creati. La velocità con cui il numero dei nuclei instabili varia nel tempo è data da dN =R−λ N dt che con la condizione che a t = 0 vale N = 0, e considerando R costante, cioè che il flusso di neutroni non vari durante l’esposizione e sia trascurabile l’effetto di burn-up che fa diminuire il numero di nuclei che si possono attivare nella targhetta, ha come soluzione N(t) = R (1 − e−λt ) . λ L’attività del campione è perciò A(t) = λ N = R (1 − e−λt ) e avrà, come si può vedere dalla Figura 2.1, un andamento crescente asinto20 2.1. Monitoraggio per attivazione ticamente nel tempo, che prevede per t = ∞ il valore limite A∞ = R = φt Σ̄att V . (2.1) Se l’irraggiamento è stato protratto per un tempo t0 , il campione avrà come attività A0 = A∞ (1 − e−λt0 ) (2.2) che diminuirà esponenzialmente al passare del tempo. Infatti se i conteggi di attività vengono fatti nell’intervallo di tempo compreso tra t1 e t2 , questi saranno Z t2 C = ε A0 e−λ(t−t0 ) dt + B t1 = ε A0 λt0 −λt1 e (e − e−λt2 ) + B λ (2.3) dove ε è l’efficienza del rivelatore e B sono i conteggi di background tra t1 e t2 . Dalla combinazione delle Eq. (2.2) e (2.3), si ottiene l’attività di saturazione Figura 2.1: Andamento in funzione del tempo dell’attività di un campione irraggiato per un tempo t0 . Immagine tratta da [5]. A∞ = ε (1 − λ (C − B) eλt0 (e−λt1 − e−λt2 ) e−λt0 ) 21 (2.4) 2. Monitor di flusso di neutroni termici che inserita nella Eq. (2.1) permette di calcolare il flusso di neutroni φt . Questa tecnica è una tecnica integrale che quindi non può dire nulla sulla variazione del flusso durante l’irraggiamento. I campioni irraggiati devono essere piccoli, in modo da non perturbare il campo di neutroni e garantire un’attivazione il più possibile omogenea, in modo da poter trascurare gli effetti di autoschermaggio che riducono il flusso di neutroni nel centro del campione rispetto alle sue superfici. A questo scopo si prestano molto bene fogli sottili o cavetti di piccolo diametro, che possono essere tagliati nelle dimensioni più opportune, solitamente comunque inferiori a 5 mm. Non richiedendo alcun accorgimento particolare e non necessitando di alcuna connessione elettrica, il monitoraggio per attivazione è particolarmente usato nell’opera di mappatura della distribuzione spaziale del flusso di neutroni. Nella scelta dei materiali da utilizzare è fondamentale considerare tutte le seguenti caratteristiche: • sezione d’urto: possibilmente alta, ma comunque tale da non introdurre perturbazioni al campo; per i neutroni termici in genere si sfruttano reazioni di cattura o reazioni (n, γ), mentre per quelli veloci sono preferibili reazioni che richiedano almeno una soglia di energia minima, come possono essere le reazioni (n, p), (n, α) e (n, 2n); • costante di decadimento dell’elemento creato: meglio che non sia nè troppo grande, nel qual caso significa che la vita media è breve e questo potrebbe significare eccessivi tempi morti, nè troppo piccola, altrimenti si rischia che diventino troppo lunghi i tempi di irraggiamento per raggiungere l’attività di saturazione; una vita media di poche ore potrebbe andare bene per la maggior parte delle misure; • purezza del materiale: significa prevenire quei fenomeni di radioattività non voluta che costituiscono rumore; se questi hanno vita media breve, allora il problema si risolve semplicemente aspettando un tempo sufficiente prima di compiere la misura, se hanno vita media lunga invece occorre tenere bassi i tempi di irraggiamento; • tipo di decadimento: spesso si preferisce il decadimento γ in modo da ridurre l’autoassorbimento della radiazione nel campione stesso; 22 2.1. Monitoraggio per attivazione • proprietà fisiche: poichè gas e liquidi sono difficili da utilizzare dato che richiedono dei contenitori che necessariamente interagiscono con le radiazioni, sono preferibili fogli o cavetti di metallo che sopportano per altro bene le estreme condizioni che si raggiungono nei reattori. Tenendo conto di queste richieste, i materiali più comunemente usati per questo tipo di monitoraggio sono quelli di Tabella 2.1, che hanno le seguenti caratteristiche [7]: Manganese : la sua sezione d’urto è proporzionale a 1/v; può essere utilizzato o come metallo puro, o come lega Mn-Ni. Cobalto : per la sua lunga vita media può essere utilizzato solo nei casi in cui il tempo di irradiazione è particolarmente lungo o il flusso da misurare è molto alto. Rame : questo materiale come il manganese ha un andamento della sezione d’urto per cattura neutronica che è proporzionale a 1/v, ma è meno sensibile perché ha sezione d’urto inferiore e vita media più lunga. Ha però buone proprietà meccaniche ed è facile preparare fogli o cavetti di questo materiale. Viene spesso impiegato per la mappatura del flusso nel core di reattori di bassa potenza. Indio : con questo materiale si possono produrre detector fino a 10 µm di spessore. Il principale difetto è dato dalla presenza nella sezione d’urto di risonanze per neutroni epitermici. Disprosio : utilizzato nelle tre forme: disprosio metallico, lega di disprosio e alluminio, ossido di disprosio Dy2 O3 depositato su un supporto, come per esempio l’alluminio. Nonostante la sua sezione d’urto presenti risonanze per neutroni epitermici, l’attivazione dovuta a questi neutroni è bassa paragonata a quella data dai neutroni termici. Questo lo rende un materiale particolarmente adatto per le misure di basso flusso in quelle situazioni in cui è impossibile utilizzare schermi di cadmio. Oro : è il materiale più indicato per misure particolarmente precise come possono essere quelle di calibrazione assoluta. Il suo tipo di decadi23 2. Monitor di flusso di neutroni termici mento è tale da permettere misure di attività sfruttando la coincidenza β − γ. Tabella 2.1: Materiali utilizzati nei detectors ad attivazione per neutroni termici. I dati riguardanti i decadimenti sono tratti da [8]. Elementi Distribuzione isotopica (%) Manganese Cobalto 55 Rame 63 Mn (100) Co (100) 59 Cu (69.2) Cu (30.8) 107 Ag (51.35) 109 Ag (48.65) 113 In (4.23) 65 Argento Indio 115 Disprosio Oro 164 In (95.77) Dy (28.18) 197 Au (100) Sez. d’urto Elemento (10−28 m2 ) indotto 13.2 ± 0.1 16.9 ± 1.5 20.2 ± 1.9 4.41 ± 0.20 1.8 ± 0.4 45 ± 4 93.5 ± 1.5 56 ± 12 2.0 ± 0.6 160 ± 2 42 ± 1 2000 ± 200 800 ± 100 98.5 ± 0.4 56 Mn Co 60 Co 64 Cu 66 Cu 108 Ag 110m Ag 114m In 114 In 116m In 116 In 165m Dy 165 Dy 198 Au 60m T1/2 Decay mode 2.578 h 10.47 min 5.27 y 12.70 h 5.12 min 2.37 min 249.79 d 49.51 d 71.9 s 54.29 min 14.10 s 1.257 min 2.334 h 2.695 d β− IT, β − β− EC, β − β− β − , EC β − , IT IT, EC β − , EC β− β − , EC IT, β − β− β− Qualora il campo di neutroni sia un campo misto di neutroni lenti e veloci, la tecnica dell’attivazione neutronica è sempre utilizzabile; per separare le due componenti è necessario un doppio irraggiamento nelle medesime condizioni, ponendo in un caso il foglio da attivare in uno schermo di cadmio (spessore 0.5 mm). Dal campione irraggiato senza lo schermo si acquisiscono i conteggi dovuti all’attivazione indotta da entrambe le componenti, dall’altro invece quelli dovuti alla sola componente veloce. In questo caso può essere utilizzato il metodo di Westcott per separare le componenti termica ed epitermica. Il monitoraggio per attivazione è una tecnica potente e relativamente semplice ma che richiede l’uso di un opportuno rivelatore al germanio per la spettrometria gamma. 24 2.2. Contatori proporzionali 2.2 Contatori proporzionali I contatori proporzionali fanno parte di quella categoria di rivelatori che per rivelare le radiazioni sfruttano le ionizzazioni che queste creano in un gas, direttamente o indirettamente. Appartengono a questa classe di rivelatori a gas diversi strumenti, che fatta eccezione per i differenti parametri operativi che li caratterizzano, hanno tutti il medesimo schema di funzionamento [9]. Hanno un contenitore di gas dotato di due elettrodi a cui è applicata una differenza di potenziale. Se una radiazione attraversa il gas, con una certa probabilità questa creerà delle coppie ione-elettrone, il cui numero medio risulterà proporzionale all’energia depositata nella camera. Sotto l’azione del campo elettrico, gli elettroni migreranno verso l’anodo, mentre gli ioni positivi verso il catodo. La corrente che si crea avrà un’intensità che dipenderà dalla differenza di potenziale applicata agli elettrodi. Se la tensione è nulla, non avremo alcuna corrente. Se la tensione applicata invece non è sufficiente a vincere completamente le forze di ricombinazione che si instaurano tra gli stessi elementi della coppia creata, allora soltanto alcuni degli elementi creati raggiungeranno gli elettrodi e tale numero aumenta con la tensione. Se continuiamo ad aumentare la tensione noteremo che da un certo valore in poi la corrente rimane costante; ciò significa che tutte le coppie create raggiungono gli elettrodi. Gli strumenti che lavorano in quest’area sono chiamati camere a ionizzazione. Aumentando la tensione applicata, si nota che ad un certo punto la corrente tra gli elettrodi tornerà ad aumentare con l’aumento della tensione. Ciò significa che il campo elettrico è cosı̀ intenso da accelerare le particelle cariche create a energie tali da creare loro stesse delle ionizzazioni (ionizzazione a cascata o a valanga). Come effetto si ottengono correnti ancora proporzionali al numero di coppie create dalla prima ionizzazione, ma più intense, anche di 6 ordini di grandezza. I dispositivi che lavorano in questa regione sono chiamati contatori proporzionali. Se incrementiamo ulteriormente la tensione, l’energia delle particelle delle coppie create diventa tale da creare una scarica tra gli elettrodi. I detector che lavorano in questa regione sono detti contatori Geiger-Müller. Se aumentiamo ancora la differenza di potenziale, da un certo valore in poi otterremo 25 2. Monitor di flusso di neutroni termici Figura 2.2: Ionizzazioni prodotte in funzione della tensione utilizzata e relativi dispositivi che utilizzano tali impostazioni. 26 2.2. Contatori proporzionali continue scariche indipendentemente dal passaggio o meno di radiazioni. La scelta del gas da utilizzare è fondamentale per questi tipi di rivelatori. I fattori che hanno maggiormente peso nella decisione sono: bassa tensione di lavoro, ampi segnali in uscita, buona proporzionalità e alta sezione d’urto di interazione. In genere con le miscele di gas si possono ottenere più facilmente tutte queste caratteristiche piuttosto che con un gas costituito da un solo elemento. I gas nobili si adattano perfettamente per mantenere le tensioni basse, dal momento che sono sufficienti campi elettrici deboli per creare le ionizzzioni a valanga. Per i bassi costi e l’alta ionizzazione specifica è ampiamente utilizzato l’argon. Una caratteristica di tutti gli spettri ricavati dai contatori a gas è la presenza dell’effetto wall. Questo è dovuto al fatto che le dimensioni del rivelatore sono finite. Solo infatti in un rivelatore infinito tutta l’energia delle particelle direttamente ionizzanti viene ceduta all’interno del gas e solo in questo caso ideale lo spettro risulterebbe avere picchi ben visibili in corrispondenza delle loro energie. In realtà invece capita che per le dimensioni limitate del rivelatore non tutta l’energia delle particelle viene ceduta all’interno del gas e questo fa sı̀ che si abbia un continuo di conteggi a sinistra dei picchi. Nel caso dei tubi BF3 [5], poichè la reazione di cattura sul boro crea due particelle ionizzanti, il picco è dato dalla somma delle energie di entrambe, ma nello spettro vediamo anche due spalle, in corrispondenza delle energie delle singole particelle, dovute all’effetto wall. Questo tipo di rivelatore possiede una buona capacità di discriminare i contributi dei raggi gamma. Queste radiazioni infatti interagiscono principalmente con le pareti del contatore e creano elettroni secondari che ionizzando il gas intervengono nei conteggi. Fortunatamente però gli elettroni hanno uno stopping power1 inferiore rispetto alle particelle α e i nuclei di litio, perciò nel gas rilasciano poca della loro energia. Ciò si traduce in impulsi deboli, perciò il contributo dei raggi γ ai conteggi interesseranno soltanto i canali corrispondenti a basse energie e quindi sono facilmente eliminabili. Una variante dei tubi a BF3 , in cui il boro è diffuso sotto forma di gas (trifluoruro di boro) direttamente nella camera a ionizzazione, sono quei tubi 1 Capacità di perdere energia per unità di percorso dE/dx. 27 2. Monitor di flusso di neutroni termici Figura 2.3: Tipico spettro che si ottiene da un tubo BF3 . Il picco maggiore è dato dalla reazione che lascia il nucleo di litio allo stato eccitato (B.R. 94%), mentre quello alla sua destra è dato dalla reazione che lascia il litio allo stato fondamentale. L’effetto wall crea due continui alla sinistra del picco maggiore, che presentano una spalla in corrispondenza della massima energia che le due particelle possono cedere singolarmente. A basse energie si registrano i conteggi dovuti agli elettroni liberati dal fondo dei raggi γ. 28 2.3. Camera a fissione in cui il boro riveste le pareti della camera. Qui, poichè la reazione di cattura 10 B(n, α)7 Li avviene direttamente sulla parete, le due particelle prodotte, avendo direzioni opposte, ionizzeranno il gas separatamente. Inoltre partendo già dalla parete, si riduce di molto l’effetto wall. Poichè la profondità a cui avviene la reazione cambia, gli spettri delle particelle avranno energie uniformemente distribuite tra 0 e Emax . Questo darà un andamento decrescente a gradini ai conteggi, con il risultato che non sarà più facile questa volta discriminare il contributo dei raggi gamma. Figura 2.4: Spettro ideale che si otterrebbe utilizzando un contatore proporzionale in cui il 10 B non è disperso nel gas ma ricopre le pareti della camera. Le energie delle particelle sono uniformemente distribuite tra 0 e la rispettiva Emax . Il primo gradino è dato dalla somma dei conteggi del litio e delle alfa, mentre il secondo è dovuto alle sole alfa. Oltre ai tubi BF3 sono stati sviluppati tubi che hanno come gas interagente 3 He. Qui per rivelare i neutroni termici viene sfruttata la reazione 3 He(n, p)3 H, che ha una sezione d’urto più alta rispetto a quella del boro. In questo caso però l’effetto wall sarà ancora più accentuato dato che le particelle prodotte hanno una capacità di ionizzazione minore rispetto alle precedenti due. 2.3 Camera a fissione Rivelatori abbastanza simili ai contatori proporzionali sono le camere a fissione [5]. Sono dotate di una camera in cui è inserito un gas, che al passaggio di 29 2. Monitor di flusso di neutroni termici una radiazione si ionizza; se è applicata una tensione ai capi di due elettrodi, si registrerà una corrente proporzionale al numero di ionizzazioni prodotte nel gas. La differenza è che per rivelare i neutroni termici qui si utilizzano degli atomi di uranio o plutonio che rivestono le pareti della camera. Il gas generalmente utilizzato è argon a pressioni atmosferiche, mentre le tensioni sono generalmente comprese tra 50 e 300 V. Un esempio di camera a fissione è schematizzato in Figura 2.5. Il principale problema di questi detector è il consumo degli elementi fissili (burn-up), che nel caso del 235 U riduce la sensibilità del 50% dopo una fluenza di neutroni di 1.7 · 1021 n/cm2 . Un modo per ridurre questo problema è rivestire le pareti di una miscela composta sia di elementi fissili che di elementi fertili. Una camera rigenerativa in questo modo converte gradualmente il materiale fertile in fissile, in modo da compensare i nuclei fissili originari che sottoposti a un flusso di neutroni si sono persi. Utilizzando miscele di 238 U e 239 P u o di 234 U e 235 U si riesce a non far variare la sensibilità più del 5% anche a fluenze superiori i 1021 n/cm2 . Un secondo aspetto che caratterizza le misure delle camere a fissione è che dopo un lungo periodo di utilizzo sotto intensi flussi neutronici è inevitabile la comparsa di correnti residue che innalzano i conteggi. I prodotti di fissione infatti decadono emettendo β e raggi γ che partecipano anch’essi alla ionizzazione del gas all’interno della camera, seppur in maniera molto meno intensa rispetto ai pesanti prodotti di fissione. Come esempio di un possibile utilizzo delle camere a fissione miniaturizzate, in India i ricercatori del TAPS2 e BARC3 hanno sviluppato il sistema di monitoraggio LPRM, Local Power Range Monitoring [10]. Tale sistema permette di monitorare la distribuzione dei flussi di neutroni all’interno del core del reattore ad acqua bollente da 235 MW che è in funzione a Tarapur, e in caso di distribuzione anomala della potenza, che è direttamente correlata al flusso, aziona un allarme. Le camere a fissione utilizzate hanno una lunghezza sensibile di 25 mm, un anodo di diametro 3.7 mm, un catodo con diametro interno di 4.2 mm ed esterno di 5.4 mm, mentre il volume è riempito da argon a pressione 2 3 Tarapur Atomic Power Station. Bhabha Atomic Research Centre. 30 2.3. Camera a fissione atmosferica. La scelta di questo gas è dovuta al fatto che rimane inerte anche se sottoposto a intensi campi radianti, ha buona conducibilità termica tale da eliminare il calore sviluppato dalla generazione del segnale elettrico, e presenta inoltre una bassa sezione d’urto per i neutroni. Come elemento fissile viene utilizzato 235 U arricchito al 90%. Figura 2.5: Diagramma della camera a fissione. Immagine tratta da [10] I ricercatori hanno messo a confronto due modalità di utilizzo delle camere, la modalità DC mode e la modalità sviluppata da Campbell MSV (mean-square voltage) mode. Come si può notare dalla Tabella 2.2, l’utilizzo della camere a fissione è meglio ottimizzato nel MSV mode. Tabella 2.2: Caratteristiche delle camere a fissione del sistema di monitoraggio LPRM, in funzione della modalità di utilizzo. I dati si riferiscono per flussi di neutroni di 6.6 · 1013 nv e di gamma di 8 · 108 R/h. Si assume di utilizzare il rivelatore fino a che il segnale dovuto ai n sia maggiore di 5 volte quello dovuto ai γ. Mode DC MSV Sensibilità ai neutroni Sensibilità ai gamma Rapporto segnali n/γ Vita detector 1 · 10−17 A/nv 4 · 10−31 A2 /Hz/nv 2 · 10−14 A/R/h 1.5 · 10−30 A2 /Hz/R/h 41.25 2.2 · 104 1.74 y 6.74 y 31 2. Monitor di flusso di neutroni termici 2.4 SPND (Self Powered Neutron Detector) L’SPND [5] è un tipo di detector per neutroni termici il cui studio è iniziato intorno agli anni ’60. Nel nome che la sigla vuole indicare, Self Powered Neutron Detector, è contenuta una delle principali qualità di questi strumenti, cioè quella di essere autoalimentati, di conseguenza non hanno bisogno che venga loro applicata della tensione dall’esterno. In letteratura questi tipi di dispositivi possono essere indicati anche con nomi diversi, quali: Hilborn detectors, beta emission detector, collectrons, electron emission detectors, PENA (primary emission neutron activation) detectors. Il principio che sta alla base degli SPND è quello di creare attraverso il decadimento di nuclidi attivati per cattura neutronica, una corrente proporzionale al flusso di neutroni. Infatti supponiamo per semplicità che il rivelatore sia costituito da soli due conduttori, uno sensibile ai neutroni, che sottoposto a un flusso di neutroni si attiva, e l’altro no. Se gli elementi attivati decadono emettendo particelle cariche e queste raggiungono l’altro conduttore, allora significa che su questi due elementi si accumulano cariche di segno opposto che possono produrre una corrente. L’intensità di questa corrente sarà proporzionale al numero di particelle che raggiungono il secondo conduttore al momento della misura, che sono a loro volta proporzionali al flusso di neutroni che incide sulla parte sensibile del detector. In particolare: I(t) ∝ q σ N φ (1 − e−λt ) (2.5) dove I(t) è la corrente dopo un tempo t di irraggiamento, q è la carica della particella emessa, σ è la sezione d’urto del materiale sensibile che ha densità di nuclei N, φ è il flusso di neutroni, λ è la costante di decadimento dei prodotti di attivazione. Quando il tempo di esposizione t del detector al flusso di neutroni φ è lungo rispetto alla vita media dei prodotti di attivazione, l’intensità di corrente I raggiunge il valore di saturazione rappresentato in Figura 2.6, che risulta essere ISat ∝ q σ N φ . (2.6) Dalla misura della corrente di saturazione ISat e dalle caratteristiche del 32 2.4. SPND (Self Powered Neutron Detector) Figura 2.6: Corrente in uscita dall’SPND in funzione del tempo di irraggiamento. materiale sensibile che costituisce il rivelatore, è quindi possibile ricavare il flusso neutronico φ incognito. Per fare tutto questo non bastano i soli due elementi descritti precedentemente; gli SPND infatti, come si può vedere dalla rappresentazione di Figura 2.7, sono costituiti da tre elementi fondamentali: • emettitore: è la parte più interna della struttura, costituita da un materiale conduttore sensibile ai neutroni termici, cioè che presenta una sezione d’urto di cattura sufficientemente elevata e che una volta attivato decade in tempi sufficientemente brevi; • collettore: è la parte più esterna, realizzato con materiale conduttore ha lo scopo di assorbire le particelle cariche provenienti dall’emettitore; • isolante: materiale frapposto tra i due conduttori, con lo scopo di separarli elettricamente, senza però costituire uno schermo per le particelle cariche che dall’emettitore devono essere in grado di raggiungere il collettore. Per liberare una particella carica è sufficiente che il nuclide attivato decada o emettendo un β − con energie di qualche MeV, sufficienti cioè a superare l’emettitore e l’isolante, oppure emettendo un γ che per effetto Compton o fotoelettrico è in grado di liberare un elettrone e fargli raggiungere il collettore. A seconda del tipo di funzionamento abbiamo infatti rispettivamente i 33 2. Monitor di flusso di neutroni termici Figura 2.7: Sezione del SPND. detector basati su decadimento beta e quelli basati sugli elettroni secondari dovuti a decadimento gamma. La scelta dell’elemento da utilizzare come emettitore, che sarà essenziale per le caratteristiche del detector realizzato, si baserà essenzialmente sul tipo di decadimento che ha l’elemento dopo essere stato attivato, il suo tempo di dimezzamento, la sua sezione d’urto per neutroni termici e infine sulla sua abbondanza isotopica rispetto all’elemento naturale. In particolare i tempi di dimezzamento devono essere i più piccoli possibili in modo da non avere ritardi nella misura del flusso ed evitare la presenza di prodotti con lunghe vite medie, che finirebbero per alterare le misure creando un background di attività non correlata al flusso presente in quell’istante di tempo. La sezione d’urto invece è preferibile che presenti valori intermedi. Questo per evitare che i nuclei dell’emettitore si consumino troppo velocemente. Infatti il loro numero dipende dal tempo t’ di irraggiamento complessivo che ha avuto l’SPND nella sua vita [7]: ′ N(t′ ) = N(0) e−σφt . Se non è possibile considerarlo costante, rientra nell’Eq.(2.6) cambiando la costante di proporzionalità ottenuta durante la calibrazione. Tenendo conto di queste richieste, la scelta del materiale da utilizzare per l’emettitore solitamente è ristretta agli elementi della Tabella 2.3, che presentano le seguenti carateristiche [11] [12]: • rodio: ha un ritardo di pochi minuti, genera correnti piuttosto alte ma si consuma abbastanza velocemente; 34 2.4. SPND (Self Powered Neutron Detector) Tabella 2.3: Caratteristiche dei principali materiali utilizzati come emettitore. Emett. Composizione isotopica (%) Sez. d’urto [barns] T1/2 isotopo creato Corrente (IRh ) Burn-up [2 · 1013 nv] Rh 103 (100) ∼5%/a 50 (0.24) 51 (99.76) 59 (100) 192 (0.78) 194 (32.90) 195 (33.80) 196 (25.30) 198 (7.22) 42.3 s 4.34 m stabile 3.75 m 5.27 a 4.3 a 4.1 a stabile 1.3 h 30.8 m 1 V 134 11 100 4.9 37 14 2 24 1 4 1/10 0.3%/a 1/60 1/10 2.3%/a 0.2%/a Co Pt • vanadio: il suo consumo è lento ma la corrente generata è bassa e caratterizzata da un ritardo piuttosto grande; • cobalto: praticamente non ha ritardo e presenta un consumo molto basso, ma la corrente generata è estremamente bassa e inoltre risulta affetta dal background dei prodotti di attivazione a vita lunga; • platino: permette misure istantanee e quasi non presenta consumo, però ha una bassa corrente in uscita che tiene conto sia del flusso di neutroni che di gamma. I primi due materiali sono beta emettitori, mentre gli altri decadono gamma. A parte l’eccezione del platino, la corrente generata dall’interazione dei γ provenienti dal reattore con i materiali dello strumento è in genere trascurabile, dato che rappresenta spesso solo pochi centesimi della corrente generata dall’interazione con i neutroni. Per quanto riguarda collettore e isolante, questi devono essere costituiti da materiali che presentano una bassa sezione d’urto per i neutroni termici, di modo che l’attività sia dovuta ai soli nuclei attivati nell’emettitore. 35 2. Monitor di flusso di neutroni termici Inoltre devono necessariamente essere materiali che sottoposti a radiazioni non si deteriorino e tali da resistere agli stress termici tipici di un reattore. Per l’isolante si utilizzano Al2 O3 o MgO [7], mentre per il collettore spesso vengono scelte leghe di nichel (inconel) o di zirconio (zircaloy-4). Le dimensioni di un SPND sono molto ridotte [13]. I diametri esterni misurano pochi mm, questo per evitare l’autoassorbimento delle particelle cariche all’interno dell’emettitore stesso. Le lunghezze sono invece dell’ordine del cm, abbastanza piccole da garantire una buona risoluzione spaziale del flusso neutronico ma allo stesso tempo sufficientemente grandi da generare correnti misurabili. Questa caratteristica, insieme al fatto che per funzionare non richiedano un’alimentazione esterna, rende gli SPND strumenti molto versatili, soprattutto negli studi inerenti alle terapie basate sulla cattura neutronica [14]. In vivo, possono essere messi a contatto con la zona interessata dall’irradiazione, senza alcun pericolo di scariche per il paziente, e dare ottimi risultati nelle misure dei flussi che interessano i tessuti superficiali. Quando invece si ha a che fare con fantocci o organi espiantati, le dimensioni e la forma del detector permettono anche misure dei flussi all’interno degli stessi. Altri pregi di questo tipo di strumenti sono i bassi costi che li caratterizzano e il fatto di richiedere per funzionare un’elettronica relativamente semplice. Per contro abbiamo invece correnti in uscita estremamente piccole, dell’ordine del pA, e risposte affette dal ritardo necessario a raggiungere il valore di saturazione per la corrente. 2.5 2.5.1 Altri tipi di monitor Monitor del progetto TAOrMINA Durante il progetto TAOrMINA che vedeva l’Università di Pavia impegnata pionieristicamente negli studi riguardanti la BNCT4 , si è utilizzato un monitor di fluenza basato sulla reazione 6 Li(n, α)3 H. Di tale monitor ci sono due versioni [15]. 4 Per approfondimenti vedere Appendice A. 36 2.5. Altri tipi di monitor La prima, già progettata nel 1977, era in grado di misurare le energie dei tritoni e delle alfa, che servivano poi per ricavare l’energia En del neutrone incidente mediante l’equazione: En = Tα + TH − Q dove Tα e TH sono le energie cinetiche dei prodotti di reazione e Q è il Q−valore della reazione, che risulta 4.787 MeV. Il rivelatore è quindi costituito da una targhetta di Al con evaporato in superficie uno strato di 6 LiF posta tra due rivelatori a semiconduttore montati coassialmente. Per assicurare che le misure riguardino solo le particelle della reazione cercata, i due rivelatori lavorano in coincidenza cioè vengono registrati solo quegli eventi che compaiono contemporaneamente su entrambi i rivelatori (le particelle alfa e tritone infatti vengono emesse back-to-back). Tale strumento era in grado di analizzare spettri di neutroni che vanno da energie termiche fino a 15 - 20 MeV a seconda dello spessore dei rivelatori utilizzati. La seconda versione del monitor, la cui catena elettronica è schematizzata in Figura 2.8, invece non è più uno spettrometro di neutroni ma solo un contatore. Tale modifica avvicina lo strumento a quelle che sono le necessità incontrate nel progetto TAOrMINA che richiedeva una misura accurata di dose, che è possibile ricavare da una misura di fluenza. Assumendo che i neutroni nella colonna termica siano infatti solo neutroni termici, possiamo, senza bisogno di considerazioni energetiche, contare le reazioni 6 Li(n, α)3 H che risultano proporzionali alla fluenza. Per fare questo si è scelto di contare solo i tritoni. Il nuovo rivelatore è perciò costituito da una targhetta di Mylar (C10 H8 O4 ) spessa 13 µm, su cui è stato depositato per evaporazione uno strato di 6 LiF di spessore 0.65 µm. Per renderla simmetrica, la targhetta è chiusa da un altro strato di Mylar dello stesso spessore del primo. A questo punto, poichè le particelle alfa hanno un’energia di 2 MeV e nel Mylar il loro range è di soli 8 µm, dalla terghetta escono solo i tritoni. L’energia di questi ultimi è di 2.7 MeV e attraversando il Mylar perdono 1.1 MeV. Due rivelatori al silicio posti ai lati della targhetta rivelano l’energia dei 3 H. Il segnale viene por37 2. Monitor di flusso di neutroni termici tato fuori dalla colonna termica attraverso un cavo non più lungo di 30 cm, qui viene preamplificato e successivamente portato ad un amplificatore. Per eliminare il fondo del reattore dovuto ai γ, si usa una soglia inferiore pari a 1 V. Tutti i segnali superiori vengono quindi contati. Per garantire alti livelli di sicurezza i due rivelatori hanno catene elettroniche indipendenti e su uno di essi oltre ai conteggi totali si registrano anche i conteggi al minuto. In questo modo in caso di guasti, dalla misura di fluenza al minuto era comunque possibile ricavare per quanto tempo ancora l’organo doveva essere irraggiato in modo da ricevere la dose terapeutica voluta. Figura 2.8: Schema della catena elettrica del monitor del progetto TAOrMINA. Per tarare il monitor, dopo aver verificato che la risposta fosse lineare con la potenza del reattore, si è utilizzata la tecnica di attivazione di fogli di rame. 38 2.5. Altri tipi di monitor 2.5.2 MPFD (Micro-Pocket Fission Detector) Nel 2005 presso il reattore di ricerca TRIGA Mark-II dell’Università Statale del Kansas è stato fabbricato e testato il nuovo monitor per flusso di neutroni MPFD [16], Micro-Pocket Fission Detector, capace di funzionare nelle difficilissime condizioni presenti nel core del reattore. Il dispositivo è stato sviluppato come una camera a fissione miniaturizzata, capace di monitorare il livello di potenza del reattore e il suo andamento. Permettendo misure in tempo reale, è possibile inoltre realizzare un profilo 3D del flusso di neutroni termici e veloci. La struttura del monitor, come si può notare in Figura 2.9, è composta da tre piastrine inespandibili di ceramica sovrapposte, con quella centrale separata dalle altre da un film di materiale reattivo ai neutroni e successivamente da un film di materiale conduttore. Il materiale che reagisce con i neutroni è in genere 235 U, ma si possono usare film contenenti anche altri elementi, come 232 T h, 10 B e 6 Li. La piastrina centrale è spessa 0.5 mm e presenta un foro il cui diametro va da 1 a 3 mm, in cui è confinato del gas. Figura 2.9: Struttura del Micro-Pocket Fission Detector. da [16]. Immagine tratta Quando il dispositivo si trova in un campo di neutroni, questi interagiscono con l’235 U che si fissiona in due frammenti aventi energie comprese 39 2. Monitor di flusso di neutroni termici tra i 60 e 110 MeV. Quando questi frammenti passano attraverso il gas della piastrina centrale, cedono parte della loro energia creando coppie di ioni elettrone-ione residuo. Se ai lati della micro-camera a ionizzazione viene applicata una tensione, allora le coppie di ioni migreranno verso i poli di carica opposta, inducendo una corrente che può essere misurata all’esterno da strumenti sensibili. Il risultato dell’interazione dei neutroni sarà quindi un impulso misurabile. L’efficienza con cui il MPFD rivela i neutroni può essere modificata a secondo dello specifico uso in due modi: variando la pressione del gas si può modificare la densità di ionizzazioni indotte, cioè la risposta in uscita del rivelatore, oppure si agisce sullo spessore del film di materiale reattivo, andando cosı̀ a variare la probailità di interazione dei neutroni con il dispositivo. Il materiale utilizzato come ceramica deve, oltre che essere resistente alle tipiche temperature che si raggiungono nel core di un reattore, avere alta capacità di resistenza alle radiazioni, essere isolante e non presentare elementi in grado di assorbire i neutroni. A questo scopo vengono utilizzati ossido di alluminio, diossido di silicio, ossido di magnesio. Particolare cura bisogna poi riservare alle connessioni dei cavi e all’isolamento della micro-camera a ionizzazione. Le dimensioni molto compatte del rivelatore sono alla base di importanti vantaggi. Prima di tutto, un monitor cosı̀ piccolo introduce delle perturbazioni nei flussi di neutroni trascurabili, in secondo luogo grandezze ridotte significano risposte molto rapide, tali da permettere di considerare non apprezzabili distorsioni o problemi legati al tempo morto. Terza caratteristica legata alle dimensioni compatte della camera a ionizzazione è che solo particelle molto energetiche sono in grado di creare sufficienti coppie di ioni in cosı̀ poco volume. Questo rende il MPFD un ottimo discriminante tra flussi di neutroni e i raggi gamma. Se la probabilità di interazione dei γ nel gas della micro-camera è praticamente nulla, non si può dire altrettanto con le piastrine di ceramica. Infatti il basso numero atomico degli elementi che le costituiscono rendono probabile l’interazione Compton e la conseguente espulsione di elettroni di modesta energia. La grande differenza di stopping power tra questi elettroni e gli energetici frammenti di fissione però fa sı̀ che le ionizzazioni nel gas della camera siano dovute essenzialmente ad opera di 40 2.5. Altri tipi di monitor questi ultimi. Per camere larghe 0.5 mm si è calcolato che i frammenti di fissione riescano a depositare almeno 3 MeV di energia. L’ottimo potere discriminante che il rivelatore possiede nel separare il contributo dovuto ai soli neutroni da quello dei gamma che solitamente sono sempre presenti, è stato dimostrato ponendo davanti al MPFD uno schermo di Cd spesso 2 mm. Questa barriera non solo elimina i neutroni termici, lasciando cosı̀ che il segnale sia dovuto ai raggi gamma, ma incrementa anche il flusso di questi, dato che la reazione 113 Cd(n, γ)114 Cd prevede una emissione di prompt−γ. Nonostante questo, utilizzando questa configurazione, non si sono misurati segnali. 2.5.3 SOF detector (Scintillator with Optical Fiber) Un nuovo monitor di neutroni termici è stato realizzato in Giappone alla fine del 2002. Il suo nome è SOF detector [17], che significa Scintillator with Optical Fiber. In pratica è un rivelatore di neutroni costituito da uno scintillatore plastico arricchito di boro, in cui la luce prodotta per diseccitazione dagli atomi del cristallo in seguito alla cattura e decadimento del 10 B, viene portata a un fotomoltiplicatore per mezzo di una fibra ottica. Spesso i contatori proporzionali o comunque gli altri detector hanno segnali in uscita caratterizzati da valori estremamente bassi, che per non andare persi nel cavo necessitano, appena prodotti, di una preamplificazione. Oltre al fatto che i transistor di un preamplificatore hanno la possibilità di essere danneggiati dalle radiazioni del reattore, un altro problema in questi casi è che il segnale, seppur preamplificato è sempre soggetto a disturbi elettromagnetici o a rumori dovuti al movimento del cavo. Il SOF, è invece in grado di ovviare a questi problemi. Grazie alla sua originale idea di utilizzare una fibra ottica, la luce generata nello scintillatore può essere trasportata anche a lunga distanza fin dove, al riparo dalle radiazioni, può essere convertita in un segnale elettrico e infine analizzata. Inoltre il materiale plastico di cui è fatto lo scintillatore e la fibra ottica risulta stabile alle radiazioni di neutroni e gamma del reattore, e questo mette il detector al riparo da eventuali danni da radiazioni. Quando si utilizza un materiale plastico come scintillatore, oltre alle par41 2. Monitor di flusso di neutroni termici ticelle α e ai nuclei di 7 Li potremmo vedere raggi γ e, se nel campo ci sono anche neutroni veloci, anche protoni e nuclei di carbonio di rinculo. In questo caso occorre ricorrere alla coincidenza per garantire che il segnale sia formato solo dalla luce dei prodotti della reazione 10 B(n, α)7 Li e non dalle altre particelle. L’apparato strumentale rappresentato in Figura 2.10 è quindi costituito dallo scintillatore plastico (Bicron BC454) arricchito allo 0.2% di 10 B, di dimensioni 1mm di diametro e 1mm di altezza, una fibra ottica plastica, un fotomoltiplicatore con preamplificatore, un discriminatore e uno scaler (strumento che converte il segnale di corrente in conteggi per secondo). Figura 2.10: Schema della catena elettrica del SOF detector. Immagine tratta da [17]. Poichè lo scintillatore del SOF è sensibile non solo ai neutroni ma anche ai gamma provenienti dal reattore che interagiscono attraverso effetto fotoelettrico e scattering Compton, per rivelare solo i neutroni occorre utilizzare una coppia di SOF. Il primo ha lo scintillatore drogato con il boro, che rivela quindi sia i n che i γ, mentre il secondo è dotato di uno scintillatore senza boro (Bicron BC408) che rivelerà soltanto i γ. Per ovviare al problema che gli scintillatori potrebbero non avere le stesse esatte dimensioni e di conseguenza non avere la medesima efficienza, si calcola il fattore di correzione 42 2.5. Altri tipi di monitor utilizzando una sorgente di soli γ (60 Co). In questo caso i conteggi saranno: ′ Cborato = Rγ borato · Fγ′ , ′ Csenzaboro = Rγ senzaboro · Fγ′ , dove C sono i conteggi, R è l’efficienza e F il flusso, entrambe relative a un certo tipo di particella. In un campo di radiazioni proveniente da un reattore invece avremo: Cborato = Rn borato · Fn + Rγ borato · Fγ , Csenzaboro = Rγ senzaboro · Fγ . Il flusso di neutroni sarà perciò dato dall’equazione: Cborato − (Rγ borato /Rγ senzaboro ) · Csenzaboro Rn borato ′ ′ Cborato − (Cborato /Csenzaboro ) · Csenzaboro = . Rn borato Fn = Il rivelatore costituito dalla coppia di SOF risulta avere un comportamento lineare in un range di flusso neutronico di 106 - 2 · 109 (n cm−2 s−1 ) . Lo studio di questo tipo di detector è rivolto soprattutto a fornire misure di flusso nell’ambito della BNCT. Il materiale plastico che costituisce lo scintillatore ha infatti una densità molto simile a quella di un tessuto organico e le piccole dimensioni e forme lo rendono adatto ad essere inserito in phantom o organi espiantati. Se le misure di flusso sono superficiali, l’ottima correlazione con le misure di flusso date da fogli d’oro, dimostra che è sufficiente usare un solo SOF. Se invece la profondità nel tessuto aumenta ( > 50mm) il contributo dei raggi γ non può più essere trascurato e per conoscere il flusso corretto dei neutroni occorre utilizzare la coppia di SOF. In una versione migliorata i due rivelatori anzichè essere fissati uno a fianco all’altro, sono fissati faccia a faccia, uniti chiaramente nella zona sensibile per garantire la misura di flusso nel medesimo punto (vedere Figura 2.11). Questa nuova facility, chiamata sonda a loop type, offre una maggiore facilità di fissaggio alla pelle del paziente, per le misure di flusso superficiale. 43 2. Monitor di flusso di neutroni termici Figura 2.11: Evoluzione sonda della coppia SOF. Immagine tratta da [18]. 2.5.4 NMS (Neutron Monitoring System) Dal 2002 presso il reattore di ricerca THOR5 in funziona a Taiwan, i ricercatori impegnati nelle sperimentazioni di BNCT hanno sviluppato un sistema di monitoraggio della fluenza di neutroni che hanno chiamato NMS [19], Neutron Monitoring System. L’apparato da loro sviluppato usa come rivelatori tre camere a fissione e una camera a ionizzazione. Le camere a fissione sono del tipo FC4A, prodotte dalla Centronic Ltd., le cui dimensioni sono molto ridotte, il diametro misura 6.2 mm e la lunghezza della parte sensibile è pari a 25 mm. Il materiale sensibile di questi rivelatori è costituito da 235 U3 O8 che riveste le pareti delle camere con una densità superficiale di 235 U di 100 µg/cm2, permettendo una sensibilità di 3 · 10−4 cps/nv. La camera a ionizzazione è invece la Shonka A-150 TE. Si è scelto di usare le camere a fissione per le loro eccellenti doti discriminatorie tra flussi di neutroni e quelli dei gamma. Il loro numero è di tre in modo da permettere anche di avere informazioni sulla distribuzione spaziale del fascio. La camera a ionizzazione è invece usata come monitor dei raggi gamma, allo scopo di valutare anche il contributo dovuto a questo tipo di radiazione alla dose totale, durante un piano di trattamento su un paziente. I rivelatori, attraverso le loro catene elettroniche, sono infine collegati a un personal computer per mezzo di cavi seriali e porte RS-232. Qui un software sviluppato con linguaggio LabVIEW e dotato di una chiara interfaccia grafica, come riportato in Figura 2.12, mostra in tempo reale in tre canali i conteggi al secondo delle tre camere a fissione, in un altro canale quelli provenienti dalla camera a ionizzazione, e in altri due canali i conteggi totali 5 Tsing Hua Open-pool Reactor. 44 2.5. Altri tipi di monitor delle due diverse radiazioni, n e γ . I ricercatori taiwanesi hanno inoltre sviluppato il programma in modo tale che al raggiungimento del valore preimpostato di conteggi fissato dal piano di trattamento, un segnale venga mandato dal NMS all’operatore del reattore per garantire un rapido scram. Figura 2.12: Interfaccia grafica del programma sviluppato per NMS. Immagine tratta da [19]. Per come è costituito l’NMS, è chiaro che un qualsiasi cambiamento delle posizioni dei rivelatori o dei settaggi causa una differenza nella sensibilità totale e una conseguente discrepanza con i valori originari. Per questo motivo il sistema è sottoposto a una periodica calibrazione con i foglietti d’oro. I foglietti vengono attivati per cattura neutronica e successivamente la loro attività viene misurata per mezzo di un rivelatore N-type al germanio ad alta purezza (HPGe). L’NMS dovrebbe avere un rate di conteggi proporzionale al reale flusso di neutroni incidenti, cioè alla potenza del reattore. Nel caso però che il flusso sia molto elevato è necessario introdurre una correzione dovuta al tempo morto utilizzando un’altra camera a bassa sensibilità. Il sistema cosı̀ messo a punto, testato sotto differenti condizioni, ha dimostrato di avere una risposta attendibile e lineare con l’intensità del fascio neutronico. 45 2. Monitor di flusso di neutroni termici 46 Capitolo 3 Installazione del SPND presso il L.E.N.A. Da parecchi anni presso il Dipartimemto di Fisica Nucleare e Teorica è attiva un’intensa attività di ricerca nel campo della Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)1 . Nell’ambito di quest’attività è stato messo a punto un metodo per la misura della concentrazione del boro in campioni biologici sfruttando la reazione di cattura 10 B(n, α)7 Li. Per ogni campione la misura richiede circa 10 minuti e dipende direttamente dal flusso neutronico nella posizione del campione. Naturalmente il flusso dipende dalla potenza del reattore ed è soggetto alle sue fluttuazioni. Allo scopo di migliorare le misure svincolandosi dall’assunzione che il flusso di neutroni rimanga costante durante i diversi intervalli di acquisizione, si è deciso di installare presso la colonna termica del reattore un monitor di neutroni che funzioni in real-time. In questo modo ogni misura non sarà più condotta a parità di tempi di acquisizione ∆t, ma a parità di fluenza neutronica Φ sul campione. Il monitor scelto è l’SPND. 1 Per approfondimenti vedere Appendice A. 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. 3.1 Tipo di SPND utilizzato Grazie alla collaborazione esistente tra il gruppo di ricerca di Pavia riguardante la BNCT e il gruppo di ricerca di Buenos Aires del CNEA2 , si è potuto disporre di un SPND per le misure di flusso di neutroni termici. 3.1.1 Caratteristiche tecniche Dal momento che i ricercatori argentini stavano sviluppando un sistema per le misure di flusso in tempo reale da utilizzare durante i trattamenti di NCT, nella scelta dei materiali si è cercato di prediligere quelli che meglio si adattavano a costituire un detector impiantabile in organi espiantati [20]. Proprio la caratteristica di poter funzionare senza richiedere un’alimentazione esterna, quindi più adatto agli scopi medici, orientarono le ricerche verso un rivelatore di tipo self-powered. Le richieste principali da soddisfare erano quelle di avere dimensioni molto contenute e di essere costituito da materiali biocompatibili [13]. Inoltre sono state condotte simulazioni mediante modelli MCNP3 per meglio individuare quei materiali che rendessero la perturbazione del flusso dovuto al detector più simile a quella data dall’acqua (materiale tessuto-equivalente). Sulla base di questi studi si sono costruiti gli SPND impiantabili. Il detector in nostro possesso è invece una variante non impiantabile, il cui schema di costruzione è rappresentato in Figura 3.1, e le caratteristiche sono riportate qui di seguito. Emettitore Come emettitore il modello a nostra disposizione utilizza una barra di rodio 103 Rh, materiale che è risultato il più adatto per misure di flusso neutronico in colonne termiche. Le dimensioni dell’emettitore sono di 1 mm di diametro esterno e 15 mm di lunghezza. Il 103 Rh ha una concentrazione isotopica del 100% nel rodio naturale e presenta una sezione d’urto per la cattura di neutroni termici, il cui andamento è riportato in Figura 3.2, che risulta essere 2 National Atomic Energy Commision. Monte Carlo N-Particles, software di simulazione per il trasporto di particelle, sviluppato dal Los Alamos National Laboratory. 3 48 3.1. Tipo di SPND utilizzato (a) (b) Figura 3.1: Parti costituenti il detector: (a) schema di assemblaggio del SPND, in cui cavo e parte sensibile sono tenuti insieme da un materiale termocontraibile; (b) foto di come si presenta il rivelatore. 49 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. pari a 134 e 11 barns per formare rispettivamente gli isotopi 104 Rh e 104m Rh. Questi elementi radioattivi decadono nei modi riportati in Figura 3.3, con tempi di dimezzamento di 42.3 s e 4.34 min rispettivamente. Figura 3.2: Andamenti delle diverse sezioni d’urto per il 103 Rh. Immagine tratta da [21]. Figura 3.3: Modi di decadimento degli isotopi creati dalla cattura neutronica del 103 Rh, che costituisce l’emettitore del SPND. 50 3.1. Tipo di SPND utilizzato Isolante Come isolante è stato utilizzato del materiale plastico, la lucite 4 , che mostra buona resistenza alle radiazioni sia gamma che neutroniche e eccelenti capacità di isolamento elettrico. L’isolante deve contenere l’emettitore e deve essere tale da garantire in poco spessore l’isolamento elettrico senza essere però uno schermo per gli elettroni emessi dal decadimento del rodio. Le sue dimensioni sono quindi un diametro interno di 1 mm e uno esterno di 1.5 mm. La lunghezza è pari a 20 mm. La resistività che si raggiunge con queste dimensioni è 1012 Ω. La lucite è inoltre un materiale tessuto equivalente per i neutroni e per questo è spesso utilizzato per scopi radiologici. Collettore Il requisito base per il materiale da usare come collettore è la conducibilità; esso inoltre deve avere una sezione d‘urto di interazione con i neutroni più bassa possibile, in modo da minimizzare la perturbazione del campo e l‘attivazione indotta. Oltre ad avere questi requisiti, esso deve essere fatto con un materiale non tossico, che poteva essere sterilizzato prima dell’uso. Si è cosı̀ scelto di utilizzare un collettore costituito da zircaloy-4, un materiale che ha come base lo zirconio, ma che ha subito un processo di purificazione con il quale si sono eliminati quegli elementi che, presenti nel metallo come impurezze, hanno un’alta sezione d’urto di cattura. Inoltre lo zircaloy-4 è un metallo biocompatibile, utilizzato spesso per protesi biologiche, che quindi si presta benissimo al tipo di utilizzo che si intende fare del detector. Cavo di trasmissione del segnale Alla parte sensibile composta da emettitore, isolante e colettore, è connesso un cavo per la trasmissione della corrente creata dal decadimento del rodio. Come cavo è stato utilizzato un cavo coassiale Belden RG-174/U low noise Type 50 Ω. Questo modello oltre ad essere un esempio di cavo a basso 4 Polimetilmetacrilato (PMMA) 51 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. rumore, ha un diametro esterno di soli 2.5 mm, compatibile con le dimensioni del detector. Per minimizzare la formazione di correnti dovute ai movimenti del filo, tra la maglia e il conduttore centrale, oltre all’isolante è presente anche una guaina di PVC contenente della grafite. La Figura 3.4 riporta la struttura del cavo con i suoi componenti. Figura 3.4: Componenti del cavo coassiale per la trasmissione del segnale proveniente dal SPND: guaina isolante esterna di PVC (a), maglia di metallo (b), guaina di PVC con grafite (c), isolante di polietilene PE (d), conduttore centrale (e). Immagine tratta da [20]. Nel cavo, lungo 14 m, un’estremità è connessa alla parte sensibile del SPND, mentre l’altra è dotata di un terminale BNC5 con il quale è possibile connettere il rivelatore a un elettrometro per la misura della corrente. 3.1.2 Sensibilità In un fascio neutronico proveniente da reattori, è sempre presente una componente di radiazione gamma. La risposta del SPND non dipende soltanto dai neutroni incidenti, ma anche dai fotoni. Questi infatti interagiscono con le varie componenti del rivelatore e, tramite effetto fotoelettrico, Compton e produzione di coppie, liberano elettroni sia dal collettore che dall’emettitore, che superando l’isolante creano una corrente. Inoltre è sempre presente una corrente di fuga che dipende dall’elettronica di amplificazione e dalla temperatura ambiente. 5 Bayonet Neill Concelman, tipo di connettore a baionetta per cavi coassiali. 52 3.1. Tipo di SPND utilizzato Per caratterizzare il detector, presso il reattore di ricerca RA-3 in Argentina sono state condotte delle misure, utilizzando un SPND con stesse caratteristiche e dimensioni simili a quello in nostro possesso. Per separare i diversi contributi della corrente, il rivelatore è stato sottoposto prima al flusso termico del reattore a massima potenza (10 MW) e dopo a quello proveniente da una sorgente gamma di 60 Co [13]. In questo studio, nel quale il valore del flusso termico ricavato con l’attivazione di fogli d’oro misurava (1.6 ± 0.2) · 108 n cm−2 s−1 , mentre l’intensità di dose gamma fornita dalla sorgente di cobalto valeva 1.5 mGy s−1 , si sono ottenuti i seguenti risultati Radiazione γ n Corrente Corrente di fuga (fA) netta (fA) Sensibilità −12 ± 1 17 ± 1 (2.0 ± 0.1) · 10−14 A/(mGy s−1 ) −3 ± 1 513 ± 9 (3.2 ± 0.4) · 10−21 A/(n cm−2 s−1 ) Usando come valori per i flussi quelli che si hanno tipicamente in un trattamento di cattura neutronica, che per i neutroni sono 109 n cm−2 s−1 e per i gamma 1 mGy s−1 , risulta che sia la corrente di fuga che la corrente dovuta ai γ non superano l’1% di quella prodotta dai neutroni. Si possono cosı̀ in definitiva trascurare entrambe e assumere che la corrente prodotta nel SPND sia dovuta essenzialmente ai soli neutroni. Attraverso il cavo scorre sempre una corrente, anche quando il detector non è sottoposto a un flusso di neutroni. Questa corrente è la corrente di fondo Ibgr . Durante l’esposizione ai neutroni la corrente totale è quindi data da I = Id + Ibgr , dove Id è la componente legata al flusso di neutroni termici φ(t), incidente sul SPND; la sensibilità Sd del rivelatore è definita tramite la relazione Id (t) = Sd · φ(t) . (3.1) L’unità di misura della sensibilità è A · (cm2 s) . In genere la calibrazione del detector viene fatta per confronto con un altro detector costruito con gli stessi materiali e di dimensioni simili, calibrato precedentemente misurando il flusso neutronico con foglietti d’oro. Se la sensibilità del detector di riferimento è Sref e si irraggia contemporaneamente il detector nuovo con quello di riferimento, allora la sensibilità incognita del 53 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. nuovo detector è data dalla relazione Sd = Id Sref Iref dove Id è la corrente nel nuovo SPND, mentre Iref quella del SPND di riferimento. Per avere la certezza che il flusso di neutroni sia lo stesso per entrambi i detectors, gli SPND vengono posizionati molto vicini tra loro, facendo attenzione che si trovino sullo stesso piano e in direzione perpendicolare al flusso. Quest’ultimo accorgimento è finalizzato a fare in modo che il rivelatore non sia sottoposto a un gradiente di flusso, garantendo un irraggiamento il più possibile uniforme su tutta la lunghezza dell’emettitore ( ∼ 1.5 cm). 3.2 L’SPND e la misura del boro L’inserimento dell’SPND in colonna termica ha lo scopo di ridurre l’incertezza nella misura della concentrazione di boro, dovuta alle fluttuazioni del flusso neutronico durante la misura. La tecnica di misura del boro è descritta nell’Appendice A.2 . Qui richiamiamo solo alcune informazioni essenziali. 3.2.1 Catena elettronica senza SPND La misura si basa sull’acquisizione dello spettro delle particelle cariche emesse nella reazione 10 B(n, α)7 Li. In Figura 3.5 è mostrata l’apparecchiatura necessaria alla misura col metodo che non fa uso del SPND. I campioni di misura sono posti in un contenitore sotto vuoto di fronte ad un rivelatore al Si a una distanza di 8.5 mm. Il rivelatore, fornito dalla EG&G ORTEC, ha uno spessore di 18 µm e un raggio 3.9 mm e permette di misurare l’energia di particelle α fino a 4 MeV. Per evitare di dover spegnere il reattore alla fine della misura di ciascun campione è stato progettato e realizzato un portacampione rotante. Si tratta di un disco di teflon avente 12 posizioni, in 10 delle quali vengono depositate le fettine di organo da irraggiare. L’avanzamento delle posizioni avviene tramite un motore azionato da un comando remoto collocato nella sala conteggi. Il 54 3.2. L’SPND e la misura del boro Figura 3.5: Catena elettronica utilizzata per le misure di concentrazione di boro presso il LENA. 55 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. numero del campione a cui si riferiscono i conteggi è mostrato su un display che avanza da 1 a 12. Una posizione rimane occupata da un dischetto di Mylar (usato come supporto dei campioni) per la misura del fondo, mentre la prima posizione è occupata da uno standard. Questo campione di taratura, acquistato dal NIST e registrato come Standard Reference Material 2137, è una targhetta di silicio dove sono stati impiantati ioni di 10 B con una concentrazione superficiale di 1.018 · 1015 atomi/cm2 . Immediatamente vicino al rivelatore è posizionato un preamplificatore EG&G Ortec 142B, dal quale il segnale viene poi mandato all’amplificatore EG&G Ortec 672 posto fuori dalla colonna termica, e da questo passa poi al Multi Channel Analizer EG&G Ortec 926. L’acquisizione avviene tramite il software Maestro fornito insieme al MCA e installato su un personal computer della sala conteggi. Il programma viene impostato per acquisire soltanto durante un fissato intervallo di tempo; scaduto il tempo fissato la misura viene fermata automaticamente. Alla potenza di 250 kW il flusso neutronico nella posizione del campione può subire delle variazioni legate all’evoluzione temporale naturale della potenza del reattore. Tali fluttuazioni possono essere dell’ordine di del 1% in caso di funzionamento con servo-comando, oppure dell’ordine del 5% in caso di funzionamento manuale. Per eliminare l’influenza di queste oscillazioni sulla misura, abbiamo pensato di effettuare le singole misure non per fissati intervalli di tempo ma per fissate fluenze neutroniche; di qui la necessità di introdurre l’SPND come monitor di fluenza neutronica nelle vicinanze del campione da misurare. 3.2.2 Catena elettronica con SPND Un diagramma rappresentativo dei vari elementi utilizzati e delle loro connessioni, che permettono di condurre misure di concentrazione di boro con questa nuova modalità, è riportato nella Figura 3.6. Per leggere la corrente prodotta dal SPND, abbiamo cosı̀ utilizzato l’elettrometro Keithley modello 6571A. Tale dispositivo permette di leggere correnti con una risoluzione di 0.1 fA, nel range di correnti inferiori a 20 pA [22]. L’elettrometro prende come segnale in entrata da misurare quello che 56 3.2. L’SPND e la misura del boro Figura 3.6: Catena elettronica utilizzata per le misure di concentrazione di boro presso il LENA, che utilizza come monitor di fluenza un SPND. 57 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. arriva sull’ingresso TRIAX, di Figura 3.7. Poichè il cavo proveniente dall’SPND ha come terminale un attacco BNC, per poter risolvere il problema di compatibilità delle porte, abbiamo utilizzato il connettore Keithley modello 7078-TRX-BNC 3 slot, riportato in Figura 3.8. Figura 3.7: Ingresso TRIAX dell’elettrometro Keithley. Immagine tratta da [22]. Figura 3.8: Fotografia del connettore per passare da BNC a TRX. Immagine tratta da [23]. Il dispositivo è stato settato per compiere misure di corrente in un range automatico, utilizzando il numero massimo di cifre, che è pari a cinque. Una volta effettuata la misura di corrente, i dati vengono inviati a un personal computer. Per mettere in comunicazione i due strumenti abbiamo deciso di utilizzare le porte seriali RS-232 presenti su entrambi i sistemi. Come si può notare dalla Figura 3.9, queste porte sono dotate di nove pins, ma per la comunicazione è sufficiente utilizzarne anche solo tre, in particolare il pin 2 per inviare informazioni, il pin 3 per riceverle e il pin 5 come segnale di terra. Per la costruzione del cavo seriale è stato utilizzato un cavo elettrico dotato al suo interno di altri 9 cavetti più piccoli e due terminali RS-232, uno maschio per l’elettrometro e uno femmina per il computer. 58 3.2. L’SPND e la misura del boro Figura 3.9: Porta seriale RS-232, presente sia sul pannello dell’elettrometro Keihley, che su quello del pc. Sono presenti nove pins, ma solo tre sono fondamentali per la comunicazione seriale. Immagine tratta da [22]. Sul personal computer è residente un software da noi sviluppato in grado di rielaborare i dati e salvarli su files per essere eventualmente disponibili per ulteriori elaborazioni successive. La comunicazione tra pc ed elettrometro è gestita tramite messaggi contenenti istruzioni secondo la sintassi standard SCPI6 . Per poter fermare l’acquisizione di Maestro dopo che il campione davanti al rivelatore ha ricevuto una certa fluenza, poichè tale software è di tipo proprietario e non è possibile modificarne il codice, abbiamo deciso di sfruttare il gate del MCA [24]. L’Ortec 926 ha infatti sul pannello frontale un ingresso gate BNC, tale che se Maestro è impostato per funzionare in modalità Coincidence, l’acquisizione dello spettro avviene solo se sul gate è applicata una tensione superiore a 2.5 V. Per fornire la tensione richiesta non è stato necessario introdurre un nuovo dispositivo, abbiamo infatti sfruttato la possibilità di usare l’elettrometro Keithley come un generatore di tensione. L’uscita della tensione è rappresentata da due jack a banana, perciò è stato necessario realizzare un cavo che aveva da un lato un terminale BNC e dall’altro due jack a banana. Il cavo è un cavo coassiale modificato soltanto a un estremo. La tensione applicata è gestita per mezzo del personal computer e dal software da noi realizzato. Prima di iniziare l’acquisizione con Maestro, si applica con il nostro software la tensione richiesta; questa verrà sospesa automaticamente appena si sia raggiunta la fluenza voluta, bloccando cosı̀ l’acquisizione. 6 Standard Commands for Programmable Instrumentation. 59 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. 3.3 Software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati Per sviluppare il programma che è in grado di gestire il Keithley e rielaborare i dati, abbiamo scelto di utilizzare come linguaggio di programmazione Matlab. Questa scelta è stata dettata dal fatto che è un linguaggio molto simile a C, estremamente potente per quanto riguarda la gestione di apparecchiature esterne e per la possibilità che Matlab offre di poter creare un file eseguibile .exe , in grado di funzionare su un computer senza bisogno di dover installare l’intero programma Matlab. Il programma sviluppato è stato chiamato Fluencecontrol. Per essere di facile utilizzo, presenta un’interfaccia grafica intuitiva, come si può osservare dalla Figura 3.10. In caso di errori compaiono finestre di warning contenenti la spiegazione del problema riscontrato. Figura 3.10: Pannello del programma Fluencecontrol che si presenta all’avvio all’utilizzatore. Per illustrare il programma nel modo più chiaro possibile, facendo riferimento alla Figura 3.11 che mostra un semplice diagramma di flusso del software, descriveremo qui di seguito i vari blocchi. 60 3.3. Software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati Figura 3.11: Sintetico diagramma di flusso del programma sviluppato durante questo lavoro. 3.3.1 Configuration In questo blocco, l’utilizzatore deve decidere il percorso e il nome del file. txt in cui salvare i dati. Questo avviene selezionando il tasto Save as, che farà comparire la finestra riportata in Figura 3.12, con la quale tale operazione è estremamente facile e intuitiva. Figura 3.12: Finestra per decidere il percorso e il nome del file su cui salvare i dati. Inoltre in questo blocco l’utente selezionando il tasto Settings aprirà la finestra di Figura 3.13 con la quale è possibile cambiare i valori impostati di default, fondamentali per la misura di flusso e per fermare l’acquisizione di Maestro. Tali valori riguardano le grandezze: • ∆t: intervallo di tempo che intercorre tra una misura di corrente e quella successiva; • Φset : fluenza alla quale vogliamo che si fermi l’acquisizione di Maestro; 61 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. • Ibgr : corrente di fondo, da sottrarre alla misura di corrente per avere la corrente netta; • Smb : sensibilità del detector per la misura del boro, fattore con il quale è possibile relazionare la corrente netta prodotta dall’SPND in una certa posizione fissa, al flusso incidente all’interno del portacampioni, utilizzando l’Eq.(3.1) di pag. 53 . Figura 3.13: Finestra per cambiare i valori di default di alcune grandezze fondamentali per il programma. 3.3.2 Comunication Come già detto, la comunicazione tra personal computer ed elettrometro Keithley avviene utilizzando la sintassi SCPI. Questa è una sintassi standard, riconosciuta praticamente da tutti i dispositivi elettronici che utilizzano per comunicare porte RS-232 o IEEE 488. Per prima cosa si deve definire il nome della porta da utilizzare nella comunicazione, in questo caso una porta RS-232. Una volta aperta si imposta l’elettrometro in modalità remote mode, in modo da disattivare il pannello frontale del Keithley escludendo in tal modo la possibilità di effettuare eventuali modifiche accidentali attraverso questo pannello. Successivamente si imposta il dispositivo in modo da funzionare come un generatore di tensione. Per fare ciò si passano le istruzioni che settano un range di tensione tra 0 e 100 V, si abilita la possibilità di impostare un limite superiore alla tensione, inferiore ai 100 V; in questo caso abbiamo impostato +5 V, dopodichè si imposta che la tensione in uscita deve essere +3 V. Questo perché il gate 62 3.3. Software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati del MCA Ortec, in modalità coincident, si attiva solo se riceve una tensione maggiore a 2.5 V. La tensione di 3 V però non viene applicata subito, ma solo quando si vuole acquisire lo spettro col rivelatore al silicio posto nella colonna termica. A questo punto, una volta che il Keithley è pronto ad applicare la tensione in uscita da noi settata, si imposta il dispositivo per le misure di corrente. Il range di misura viene impostato per essere automatico e si passa l’istruzione di utilizzare sette cifre per il risultato, il massimo possibile per lo strumento. Si definisce poi che il parametro che ci interessa, tra tutti quelli che l’elettrometro è in grado di misurare, è soltanto la corrente. 3.3.3 Flux measurement Per le misure di flusso è necessario utilizzare una funzione di acquisizione, che viene richiamata ed eseguita ad ogni intervallo di tempo ∆t, impostato precedentemente. La funzione richiede al Keithley di eseguire una misura di corrente, legge il risultato, e mediante i valori Ibgr e Sd converte la corrente in flusso. Si calcola il tempo intercorso tra la misura e quella precedente (che potrebbe essere maggiore di ∆t) e si aggiorna il tempo totale trascorso da quando l’utilizzatore ha avviato le misure di flusso. In un grafico viene riportato l’andamento del flusso in funzione del tempo totale, come si può notare dalla Figura 3.15, e contemporaneamente vengono inseriti nel file.txt, precedentemente scelto, i valori del flusso e del tempo totale . Questo file, rimanendo nella memoria del computer, può essere ripreso in qualunque momento e i dati possono essere successivamente processati. 3.3.4 Fluence control Se l’utilizzatore ha selezionato il tasto Fluence, allora il programma imposta in uscita la tensione di +3 V precedentemente settata. In questo modo il Gate del MCA Ortec viene aperto e Maestro acquisisce lo spettro proveniente dal rivelatore. A questo punto per calcolare la fluenza non bisogna fare altro che sommare alla fluenza raggiunta al tempo precedente, il prodotto tra l’ultima acquisizione di flusso e il tempo intercorso. In un grafico viene cosı̀ riportato 63 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. l’andamento crescente della fluenza in funzione del tempo totale, come si può vedere dalla Figura 3.15, mentre in un file di nome file fluence N. txt si inseriscono i valori del flusso, della fluenza, del tempo totale e anche gg/mm/aa hh:mm:ss di quel momento. In questo blocco viene anche verificato che il valore della fluenza non abbia superato il valore preimpostato Φset . Qualora questo succeda, allora comparirà una finestra di warning per avvisare il raggiungimento della fluenza voluta. Si passa poi al Keithley l’istruzione di togliere la tensione applicata, in modo da bloccare l’acquisizione da parte di Maestro, si chiude il file fluence N.txt e si incrementa il valore N. In questo modo N dovrebbe corrispondere alla posizione del campione irraggiato nella colonna termica. Un problema supplementare da affrontare è quello rappresentato dalla correzione per il tempo morto associato alla catena di conteggio. Il software Maestro prevede un’opzione che misura il tempo morto per ciascun campione e allunga di conseguenza il tempo di conteggio. Nella nuova configurazione non è più possibile utilizzare direttamente questa funzionalità perché indipendentemente dal fatto che il gate del MCA Ortec sia aperto o chiuso, Maestro, appena avviato, fa partire sia il live time che il real time. L’acquisizione dei conteggi invece avviene solo nell’intervallo di tempo per cui è applicata la tensione sul gate. A questo scopo abbiamo inserito un indicatore in Fluencecontrol che indica il tempo reale. Per avere il tempo live con cui i conteggi sono stati acquisiti, fondamentale per la misura di boro, abbiamo perci‘o introdotto il tasto Live time che apre la finestra di Figura 3.14. L’utilizzatore deve inserire i tempi live e real dati da Maestro e il programma con una proporzione ricava il tempo live di Fluencecontrol. 3.3.5 Stop Raggiunto il valore preimpostato per la fluenza Φset , il programma non si interrompe, ma continua l’acquisizione del flusso. In questo modo si può riprendere la misura della fluenza, che ripartirà da zero, senza dover cambiare il nome del file.txt . L’uscita dal programma si ha soltanto quando l’utilizzatore selezionerà il tasto Stop. 64 3.3. Software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati Figura 3.14: Finestra che compare premendo il tasto Live Time. Consente di convertire, partendo dai tempi di Maestro, il tempo reale del nostro programma in tempo live da utilizzare nella misura di concentrazione di boro. 3.3.6 Mean Per analizzare velocemente i dati, l’utilizzatore può selezionare il tasto Mean, che lancerà il programma progmean, da noi sviluppato. Tale programma è in grado di aprire un qualsiasi file in cui i dati sono stati salvati in colonne, mostrare i valori della colonna di interesse e, dopo aver selezionato l’intervallo voluto, calcolarne la media e la deviazione standard. L’immagine di come appare il pannello di controllo del programma progmean è riportata in Figura 3.16 . 65 66 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. Figura 3.15: A sinistra, pannello del programma Fluencecontrol che si presenta quando è in corso l’acquisizione di flusso e fluenza. Da notare che per una maggiore sicurezza vengono riportati tutti i valori impostati nel blocco Settings, nonchè i valori aggiornati di flusso e fluenza con i rispettivi andamenti in funzione del tempo. Viene anche riportato lo stato del Gate del MCA Ortec (aperto in caso di applicazione della tensione). A destra, come invece si presenta la finestra del programma Maestro, con cui viene acquisito lo spettro delle particelle che incidono sul rivelatore al silicio. 3.3. Software per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati Figura 3.16: Pannello del programma progmean utilizzabile per l’analisi dei dati. 67 3. Installazione del SPND presso il L.E.N.A. 68 Capitolo 4 Taratura e risultati sperimentali In questo capitolo vengono riportate le misure sperimentali effettuate con la nuova catena elettronica realizzata con l’introduzione dell’SPND. Dopo aver determinato le caratteristiche della catena è stata misurata la sensibilità del rivelatore e sono state effettuate le prime misure di concentrazione del boro in campioni biologici usando la catena completa. 4.1 Linearità dello strumento Per prima cosa è stato necessario verificare che il detector SPND avesse una risposta lineare in funzione del flusso neutronico. Per accertarcene abbiamo condotto misure di corrente a varie potenze del reattore; ogni misura ha avuto una durata sufficiente a garantire il raggiungimento delle correnti di saturazione da parte del detector. Dalle Eq. (2.5) e (2.6) di pag. 32 si ricava che l’incremento della corrente avviene secondo una legge esponenziale del tipo I(t) = ISat (1 − e−λt ) dove λ è la costante di decadimento del rodio attivato. Poichè gli isotopi 104 Rh e 104m Rh hanno rispettivamente tempi di dimezzamento di 42.3 s e 4. Taratura e risultati sperimentali 4.34 min, utilizzando la formula λ= ln 2 T1/2 (4.1) si ricava che le costanti di decadimento siano rispettivamente λ′ = 0.016386458 s−1 e λm = 0.002661856 s−1 . Pesando con la sezione d’urto per cattura neutronica relativa i due diversi contributi dati alla corrente dai differenti elementi radioattivi (vedere Figura 3.3), si ricava che l’intensità della corrente risulta in prima approssimazione σ′ σm ′ I(t) = ISat [ (1 − e−λ t ) + (1 − e−λm t )] σT ot σT ot dove σ ′ = 134 barns e σm = 11 barns. Il rapporto tra le correnti I/ISat in funzione del tempo è riportato in Figura 4.1 . Dal grafico si ricavano i tempi di attesa necessari ad assicurare il minimo rapporto desiderato tra le due correnti. Alcuni valori sono riportati in Tabella 4.1 . RAPPORTO TRA CORRENTE PRODOTTA DAL SPND E QUELLA DI SATURAZIONE 1 0.8 I/I(sat) 0.6 0.4 0.2 0 0 500 1000 Tempo [sec] 1500 2000 Figura 4.1: Andamento temporale del rapporto tra la corrente prodotta dal detector di neutroni e la sua corrente di saturazione. Per calcolare la corrente media alle varie potenze del reattore, abbiamo deciso di aspettare un tempo non inferiore a 14 minuti che garantisce una corrente superiore al 99% di quella di saturazione. I valori cosı̀ ottenuti, che 70 4.1. Linearità dello strumento Tabella 4.1: Alcuni valori tratti dalla Figura 4.1 . Rapporto I/ISat Tempo di attesa [min] 0.9000 0.9500 0.9800 0.9900 0.9925 0.9950 0.9975 2.92 4.39 8.42 12.69 14.49 17.03 21.39 sono funzione della posizione e della distanza rispetto al core, sono riassunti nella Tabella 4.2 , mentre l’andamento della corrente a varie potenze del reattore è riportato in Figura 4.2 . Tabella 4.2: Analisi della corrente prodotta dal SPND a varie potenze del reattore. Potenza reattore [kW] Corrente [·10−12 A] Dev. std. [%] 5 10 50 100 250 0.12565 0.24656 1.18361 2.31584 5.58158 2.61 1.61 0.35 0.23 0.17 Effettuando un fit lineare dei dati sperimentali, come si può vedere dalla Figura 4.3 , si trova che i punti si dispongono sulla retta Y = a x + b, con un R−quadro che vale 0.9998 . Limitatamente alla posizione del SPND durante questo irraggiamento, abbiamo a = 2.216 · 10−14 e b = 5.265 · 10−14 . I punti 71 4. Taratura e risultati sperimentali sperimentali si dispongono quindi molto bene su una retta e tale risultato conferma pienamente l’ipotesi di risposta lineare del SPND. CORRENTE A VARIE POTENZE 6e-12 250kW 5e-12 Corrente [A] 4e-12 3e-12 100kW 2e-12 50kW 1e-12 5kW 10kW 0 0 2000 4000 6000 Tempo [sec] 8000 10000 Figura 4.2: Andamento della corrente del SPND in funzione del tempo, a diverse potenze del reattore. 4.2 Sensibilitá del SPND La misura della sensibilità del detector consiste nel trovare la corrente prodotta da un flusso neutronico unitario. La misura è stata effettuata in colonna termica irraggiando l’SPND insieme a dei foglietti di attivazione utilizzati per la misura del flusso. Apparato strumentale La colonna termica del reattore Triga Mark II è un cubo di grafite di lato pari a 110 cm; all’interno di esso per l’esperimento TAOrMINA era stato ricavato un canale di irraggiamento dalle dimensioni 103x40x20 cm. Per garantire che 72 4.2. Sensibilitá del SPND FIT LINEARE POTENZA/CORRENTE 6e-12 5e-12 Corrente [A] 4e-12 3e-12 2e-12 1e-12 0 0 50 100 150 Potenza [kW] 200 250 Figura 4.3: Fit lineare dei dati della Tabella 4.2 . Le barre d’errore non sono chiaramente visibili perché sono inferiori alle dimensioni dei simboli. foglietti e detector fossero sottoposti ad uno stesso flusso di neutroni, abbiamo realizzato il supporto di Figura 4.4 in modo da avere posizioni fisse, tutte alla stessa distanza dal core. Mappature di flusso condotte precedentemente avevano dimostrato una distribuzione spaziale uniforme lungo l’asse trasverso del canale [25]. In questo modo è lecito supporre che SPND e foglietti ricevano lo stesso flusso neutronico. Figura 4.4: Foto del supporto (listello centrale) realizzato per la calibrazione dell’SPND. Il supporto ha una base composta da 3 listelli di grafite, di lati 15x10 cm, 73 4. Taratura e risultati sperimentali alti 1 cm, sistemati in modo da occupare interamente la larghezza della colonna termica. Sul listello centrale è stato montato un supporto sempre di grafite che sostiene una lastra di teflon1 , su cui sono state fatte delle incisioni per poter ospitare SPND e foglietti. In questo modo, se inseriamo il supporto sul margine della colonna garantiamo il corretto posizionamento dei detectors, oltre alla possibilità di rendere ripetibile la misura. I materiali utilizzati sono stati scelti in modo da non perturbare troppo il flusso neutronico. La grafite infatti è l’elemento che costituisce la colonna termica, il cui scopo è quello di termalizzare i neutroni provenienti dal reattore, creando un campo diffuso che decresce man mano che ci si allontana dal core. Il teflon essendo costituito da carbonio e fluoro ha una sezione d’urto di cattura neutronica trascurabile (< 10 mbarns). Le posizioni e i tipi di incisioni sul teflon sono state eseguite in modo da avere gli assi dei diversi detectors tutti alla stessa altezza dalla base del canale, sia che siano nudi, che posizionati all’interno di contenitori. Questa altezza è di 10 cm, cosı̀ verranno a trovarsi in una posizione centrale del canale. Inoltre l’incisione del SPND è stata effettuata in modo che il rivelatore sia posizionato ortogonalmente all’asse longitudinale della colonna termica, in modo da avere un’attivazione il più possibile uniforme. La distanza tra SPND e foglietti è stata scelta in base a considerazioni sulla perturbazione del flusso dovuta alla presenza dei diversi detectors, come si può vedere in Figura 4.5 . Questi infatti assorbendo neutroni, introducono come inevitabile effetto una diminuzione del flusso nelle loro immediate vicinanze. Tenendo conto delle dimensioni del supporto di teflon e sapendo che uno schermo di cadmio di 7 mm di diametro e 4 mm di spessore a una distanza minima di 5.8 cm perturba il flusso soltanto dello 0.5% [7], abbiamo deciso di porre i foglietti a una distanza di 5 cm dal centro del SPND. In questo modo abbiamo un giusto compromesso tra la necessità di porre i rivelatori abbastanza vicini tra loro per garantire che il flusso sia lo stesso, ma non cosı̀ vicini da introdurre perturbazioni rilevanti nel campo neutronico. Come materiale per i foglietti abbiamo deciso di utilizzare il rame. Questa scelta è stata dettata dal fatto che esso presenta una sezione d’urto di attivazione con andamento 1/v e privo di risonanze nella zona termica; la 1 Politetrafluoroetilene (PTFE), un polimero costituito da atomi di fluoro e carbonio. 74 4.2. Sensibilitá del SPND Figura 4.5: Andamenti del flusso neutronico: ϕ0 è il flusso imperturbato, ϕs è il flusso neutronico che ha subito assorbimento per la presenza del detector, ϕ̄ è il flusso misurato. Immagine tratta da [7]. prima risonanza rilevante la troviamo infatti a 590 eV, come si può notare dalla Figura 4.6. Il rame naturale è costituito per il 69.17% dall’isotopo 63 Cu e per il 30.83% dall’isotopo 65 Cu. Per il tipo di misura che facciamo, il rame che ci interessa è il 63 Cu, che ha una sezione d’urto per cattura neutronica σ0 = 4.506 barns, diventa 64 Cu radioattivo con T1/2 = 12.701 h, e decade β + , con una probabilità di emissione del gamma di annichilazione γ ± (511 keV)= 35.36% [26]. I due fili di rame preparati per la misura di flusso, hanno le seguenti caratteristiche: composizione: diametro: lunghezza: massa (1): massa (2): rame naturale 0.25 mm ∼ 6 mm 2.85 ± 0.05 mg 3.00 ± 0.05 mg Misura dell’efficienza del rivelatore al germanio Il rivelatore al germanio è del tipo Canberra XtRa, modello GX2019, che utilizza il sistema di raffreddamento 7500SL, con preamplificatore 2002CSL [27]. Si tratta di un cristallo di Ge di diametro 57 mm e altezza 36.5 mm , a cui 75 4. Taratura e risultati sperimentali Figura 4.6: Andamenti delle diverse sezioni d’urto per il da [21]. 63 Cu. Immagine tratta viene applicata una tensione di +3500 V . Lo spettro è acquisito utilizzando il software Gamma Vision. Dal momento che le misure con il rivelatore al germanio sono effettuate sia in periodi di tempo in cui il reattore era a potenza, sia quando invece non era in funzione, sono stati acquisiti gli spettri del fondo nelle due condizioni. In entrambi si sono notati picchi intorno all’energia di 511 keV di nostro interesse. Tali spettri verranno sottratti durante l’analisi dei dati, facendo attenzione a rapportarli correttamente nel tempo, nel caso di misure condotte con differenti intervalli di tempo. Per calcolare l’efficienza con cui il rivelatore al Ge conta i fotoni di energia 511 keV, abbiamo utilizzato una sorgente di 22 Na, che decade β + cosı̀ come l’isotopo del rame attivato, le cui caratteristiche sono [26]: attività: data: tipo decadimento: T1/2 : yield γ ± (511 keV): 37.4 ± 3% kBq 1 aprile 2008 EC, β + 2.6027 y 179.8% 76 4.2. Sensibilitá del SPND La sorgente è stata posizionata a una distanza di circa 10 cm (foto riportata in Figura 4.7), in modo da avere un tempo morto compreso tra 2 e 5%. Tenendo presente che per avere un basso errore statistico l’area netta del picco deve non essere inferiore a 20 mila (in questo modo l’errore percentuale √ è N/N < 0.7%), abbiamo acquisito lo spettro per un tempo live di 600 s. Figura 4.7: Foto del rivelatore al germanio con la sorgente di sodio per il calcolo dell’efficienza e il filo di rame per la misura dell’attivazione. Il rivelatore è schermato dalle radiazioni esterne mediante una schermature di piombo. Sottratto opportunamente lo spettro di fondo, l’area netta nel picco centrato a 511 keV risulta pari a 66460. Per il calcolo dell’efficienza, la formula da utilizzare è ε= Area net conteggi = . Att(ora) · yield ∆Tlive · Att(ora) · yield dove Att(ora) è l’attività della sorgente nel momento in cui si svolge la misura. Poichè l’attività decade nel tempo secondo l’equazione A(t) = A(0) e−λt esprimendo t in anni e utilizzando l’Eq.(4.1), calcoliamo l’attuale attività della sorgente di 22 Na. Svolgendo i calcoli, l’efficienza risulta essere ε = 1.96 · 10−3 ± 3% , 77 4. Taratura e risultati sperimentali dove l’errore percentuale è stato calcolato facendo la somma in quadratura degli errori percentuali sui conteggi e sull’attività. Tale grandezza contiene in sè sia l’efficienza intrinseca che il rivelatore ha nel convertire i gamma in segnale, che l’efficienza geometrica con cui la sorgente vede il rivelatore. Questa dipende dalle forme e dimensioni della sorgente/rivelatore, nonchè dalla loro distanza. La sorgente, per le sue caratteristiche, può essere considerata a tutti gli effetti puntiforme. Poichè anche i fili di rame e i fogli d’oro sono di dimensioni ridotte, mantenendo fisse le posizioni, possiamo considerere con buona approssimazione che l’efficienza del rivelatore rimanga costante. Calcolo della sensibilità del SPND La grandezza che collega la corrente prodotta dal SPND al flusso incidente sul detector è la sensibilità, che si esprime in A · (cm2 s) . Per misurare il flusso incidente sul SPND, abbiamo irraggiato per 3 ore il rivelatore insieme ai fili di rame a una potenza di 250 kW. I detectors sono stati posizionati sul supporto come viene mostrato in Figura 4.8. Figura 4.8: Foto del SPND tra i fili di rame per la calibrazione. Anche i fili sono stati sistemati in modo da avere un irraggiamento il più possibile uniforme lungo la loro lunghezza. L’analisi della corrente prodotta dal SPND a cui è stato sottratta la corrente di fondo, rivela un valore pari a 6.24 · 10−12 ± 0.24% A. Per poter calcolare il flusso partendo dall’attività indotta nel rame, utilizzando le formule del Capitolo 2.1, occorre prima di tutto acquisire i conteggi 78 4.2. Sensibilitá del SPND dei fili. Con il rivelatore al Ge calibrato precedentemente, acquisiamo lo spettro del rame con un tempo live di misura di 1800 s, sottraiamo opportunamente il fondo, e ricaviamo l’area netta del picco a 511 keV. I valori ottenuti sono riportati in Tabella 4.3. Tabella 4.3: Risultati derivanti dall’analisi dell’irraggiamento dei fili di rame, per la misura della sensibilità del SPND. filo 1 2 ∆tlive ∆treale 1800 s 1816.3 s 1800 s 1814.6 s Area netta 20923 21450 A questo punto, facendo riferimento all’Eq.(2.4), l’area netta corrisponde alla grandezza indicata come (C −B), e conoscendo il tempo di irraggiamento t0 , il tempo intercorso tra la fine dell’irraggiamento e l’inizio della misura t1 ed essendo t2 = t1 + ∆tlive , è possibile, dividento per il branching ratio del rame, calcolare l’attività di saturazione dei due fili. Scrivendo poi l’Eq. (2.1) come A∞ = R = φ0 σ0 mf ilo NA C.I.(63 Cu) , mCu dove mCu = 63.546 è la massa del rame naturale espressa in u.m.a.2 , NA = 6.022 · 1023 è il numero di Avogadro, C.I. è la concentrazione isotopica, si ricava il flusso di neutroni incidente sul rame. Questi valori sono riassunti nella Tabella 4.4, dove si è assunto per il calcolo del flusso termico una temperatura del moderatore pari a T = 70◦ C. Facendo una media tra i due flussi, in riferimento all’Eq.(3.1), la sensibilità [A/nv] del SPND vale perciò Sd (0) = Id /φ0 = 3.90 · 10−21 ± 5.8% 2 Unità di Massa Atomica. 79 4. Taratura e risultati sperimentali Tabella 4.4: Valori dell’attività di saturazione e dei flussi ricavati per i due fili di rame. filo A∞ [Bq] Err. 1 2 1.34 · 105 1.42 · 105 3% 3% φ0 φt Err. 1.60 1.95 5.8% 1.61 1.96 5.8% Sd (t) = Id /φt = 3.19 · 10−21 ± 5.8% . Questi sono i risultati di una misura preliminare; per perfezionarla occorrerebbe valutare il contributo dato dai gamma alla corrente. Infatti nella posizione scelta per questo irraggiamento, i detectors vengono a trovarsi a una distanza molto ridotta (15 cm) dalla lastra di Boral3 che chiude il canale della colonna termica. Dall’assorbimento dei neutroni da parte del boro, si hanno emissioni di γ di diseccitazione da 478 keV, in quantità tali da non poter essere trascurati (∼ 1 Gy/h [28]). L’ordine di grandezza che si è ottenuto per la sensibilità, è comunque compatibile con i valori che si trovano in letteratura ([5] [13]) per detectors di questo tipo e di simili dimensioni. 4.2.1 Misura del rapporto di cadmio Per meglio caratterizzare il campo neutronico è stata effettuata anche una misura del rapporto di cadmio. Per questa misura abbiamo scelto di usare come detector dei foglio d’oro. Questo metallo, al naturale, è composto al 100% dall’isotopo 197 Au. Risulta preferibile rispetto al rame, perché la sua sezione d’urto di attivazione è molto maggiore e possiede anch’essa un andamento proporzionale a 1/v, come si può vedere in Figura 4.9. L’isotopo 197 Au presenta una sezione d’urto per cattura neutronica σ0 = 98.66 barns, diventa 198 Au radioattivo che decade β − con T1/2 = 2.695 giorni. I fogli d’oro hanno le seguenti caratteristiche: 3 Miscela di B4 C in alluminio. 80 4.2. Sensibilitá del SPND Figura 4.9: Andamenti delle diverse sezioni d’urto per il 197 Au. Immagine tratta da [21]. diametro: massa: foglio 1 6 mm 8.51 ± 0.05 mg foglio 2 3 mm 1.57 ± 0.05 mg Il foglio 1, di massa maggiore, è stato inserito in un contenitore di cadmio avente spessore 1 mm. Questo spessore è sufficiente ad assorbire interamente i neutroni termici. Il foglio 2 è stato invece inserito in un contenitore di alluminio di spessore 0.5 mm. L’alluminio (100% 27 Al) presenta sezioni d’urto di cattura neutronica trascurabili (0.23 barns), perciò mentre il primo foglio sarà attivato solo dal flusso epitermico φe , il secondo foglio sarà attivato da tutti i neutroni dello spettro φtot . I contenitori sono stati posizionati sul nostro supporto, come riportato in Figura 4.10, e sono stati irraggiati per 3 ore in colonna termica, alla potenza di 250 kW. La corrente prodotta dal SPND risulta 6.24 · 10−12 ± 0.26% A. A fine irraggiamento, con il rivelatore al germanio, si sono registrati gli spettri gamma provenienti dall’attivazione dei due detectors. Il gamma proveniente dal 198 Au ha un’energia di 411 keV. Data la diversa attività dei due fogli, le misure sono state condotte con tempi di acquisizione differenti. Come è stato fatto per il rame, prima di leggere l’area netta del picco, è 81 4. Taratura e risultati sperimentali Figura 4.10: Foto del SPND tra i fogli d’oro, contenuti in dischetti di Cd (pos. 1) e Al (pos. 2), per la misura del rapporto di cadmio. stato opportunamente sottratto il fondo. I risultati sono stati riportati nella Tabella 4.5. Tabella 4.5: Risultati derivanti dall’analisi dell’irraggiamento dei fogli d’oro, per determinare il rapporto di cadmio. foglio 1 2 ∆tlive ∆treale 10800 s 10881.8 s 1200 s 1216.5 s Area netta 22499 56155 Mediante l’area netta cosı̀ calcolata, utilizzando l’Eq.(2.4), si è calcolata l’attività di saturazione per efficienza del rivelatore al germanio unitaria (ε = 1) e per mg di oro, ottenendo i seguenti risultati foglio 1 0.995 · 101 foglio 2 0.119 · 104 Il rapporto tra questi valori, corrisponde al rapporto di cadmio cercato, che risulta essere RCd ∗ = 120 . 82 4.3. Calcolo della sensibilità Smb Tale rapporto risulta però non essere corretto per il fattore che tiene conto dell’autoassorbimento per la targhetta d’oro, che non puó essere trascurato data la massa consistente del foglio 1. Con la correzione il rapporto diventa infatti RCd = 55.4 Nel caso di questa targhetta d’oro abbiamo i seguenti valori g = 1.00805 e s = 18.712. Per lo spessore del contenitore di cadmio, invece, ECd = 0.673, mentre per come sono termalizzati i neutroni µ = 5. Conoscendo RCd , dall’Eq.(1.6) si ricava l’indice r, che inserito nell’Eq.(1.5), permette di ricavare il rapporto tra le due componenti del flusso termalizzato φe = 0.001 . φt Questo risultato conferma come nella colonna termica del reattore di Pavia, la componente termica prevalga nettamente su quella epitermica. 4.3 Calcolo della sensibilità Smb Lo scopo di questo lavoro è avere un monitor della fluenza neutronica che interessa i campioni sottoposti a spettroscopia alfa, per la misura del boro. I campioni da misurare, come già detto, si trovano in un portacampioni rotante, in cui è stato applicato il vuoto. Data l’impossibilità di posizionare l’SPND all’interno del portacampioni, in una posizione molto vicina al rivelatore al silicio, si è deciso di misurare la fluenza incidente sui campioni tenendo il rivelatore a una certa distanza. Data la funzione che deve svolgere l’SPND è fondamentale che detector e portacampione rotante rimangano entrambi sempre nella stessa posizione all’interno della colonna termica. Chiamiamo il fattore che ci permette di convertire la corrente prodotta nel SPND in una certa posizione, nel flusso incidente sul campione, sensibilità Smb , che risulta essere quindi Smb = ISP N D φportacampioni 83 . 4. Taratura e risultati sperimentali Per misurare questa grandezza è stato fissato il rivelatore nella posizione riportata in Figura 4.11. In una posizione del portacampioni, è stato posizionato un filo di rame di massa 2.48 ± 0.05 mg. La struttura del portacampioni e rivelatore al silicio è stata quindi posizionata nelle medesime condizioni in cui si svolgono le misure di boro, e si è proceduti con un irraggiamento di 1 ora alla potenza di 250 kW. Figura 4.11: A sinistra foto del SPND fissato in questa esperienza direttamente sulla base di grafite del canale, a 14 cm di profondità e a 2 cm dalla parete destra. A destra foto del portacampioni con il filo di rame posizionato al suo interno (nell’alluminio). La corrente prodotta nel SPND al netto della corrente di fondo (Ibrg = 4.35 · 10−15 ± 200% A) vale Id = 5.54 · 10−12 ± 0.24% A. A fine irraggiamento, con la stessa procedura descritta nel Capitolo 4.2, si sono registrati gli spettri gamma provenienti dall’attivazione del filo di rame, attraverso una misura con il rivelatore al germanio della durata di ∆tlive = 3600 s. Mediante la ormai nota procedura, per il portacampione si è ricavato il seguente valore di flusso termico [nv] φt = 2.09 · 109 ± 5.0% La sensibilità Smb [A/nv] che si ricava è quindi Smb = 2.65 · 10−21 ± 5.0% Questo valore è quello da utilizzare nel programma Fluencecontrol ed è 84 4.3. Calcolo della sensibilità Smb strettamente limitato alle posizioni indicate precedentemente. La realizzazione del supporto per la misura di sensibilità del SPND e del rapporto di cadmio, ha permesso di ricreare le stesse condizioni per cui la corrente data dal rivelatore era la stessa sia nell’irraggiamento con i fili di rame che durante quello con i fogli d’oro. Vista questa positiva esperienza, si è deciso che si realizzerà un supporto analogo anche per le misure di boro. Il supporto dovrà essere in teflon e dovrà avere delle incisioni tali da ospitare l’SPND con il suo cavo, e avere anche la possibilità di ospitare eventualmente targhette di attivazione. Una rappresentazione di come saranno le condizioni nel canale della colonna termica durante le misure del boro, è data dalla Figura 4.12. Figura 4.12: Schema del futuro supporto del SPND e suo posizionamento per le misure di boro. 85 4. Taratura e risultati sperimentali 4.4 Corrente SPND e potenza del reattore Il reattore può essere mantenuto a potenza o manualmente o utilizzando un sistema di controllo automatico. Nel primo caso la potenza oscilla spontaneamente (per effetto del coefficiente di reattività di temperatura proprio dell’Idruro di Zirconio) intorno al valore prefissato. Altrimenti si può far ricorso ad un sistema automatico che provvede a misurare la potenza istantanea del reattore, confrontarla con la potenza richiesta e muovere di conseguenza una barra di controllo (Regulating) per avvicinare il reattore alla potenza stabilita. Si riporta nella Figura 4.13 l’andamento della corrente prodotta dal SPND durante un irraggiamento alla potenza di 250 kW condotto mediante il controllo automatico. In questa configurazione l’analisi della corrente, che è legata al flusso neutronico incidente sul rivelatore, presenta variazioni inferiori al 1%. A riprova della sensibilità del SPND è stato riscontrato un andamento oscillante della corrente durante il funzionamento automatico, come mostrato in Figura 4.14. Il periodo risulta compatibile con la velocità di movimento della barra di controllo. 86 4.4. Corrente SPND e potenza del reattore CORRENTE SPND a 250kW (con controllo automatico) 6e-12 5e-12 Corrente [A] 4e-12 3e-12 2e-12 1e-12 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Tempo [sec] Figura 4.13: Andamento della corrente del SPND in funzione del tempo, durante un irraggiamento alla potenza di 250 kW con il sistema di controllo automatico. 87 4. Taratura e risultati sperimentali CORRENTE SPND a 250kW (particolare) 5.57e-12 5.56e-12 Corrente [A] 5.55e-12 5.54e-12 5.53e-12 5.52e-12 5.51e-12 5.5e-12 6000 6050 6100 Tempo [sec] 6150 6200 Figura 4.14: Particolare dell’andamento della corrente del SPND. Risulta evidente una periodicità legata al moto della barra di controllo durante il funzionamento automatico del reattore. 88 Conclusioni Lo scopo di questo lavoro di tesi era quello di sviluppare un sistema per la misura in tempo reale della fluenza neutronica nella colonna termica del reattore Triga Mark II di Pavia. Un tale monitor risulta di fondamentale importanza quando si vogliano confrontare misure effettuate in tempi diversi svincolandosi dalle fluttuazioni del flusso neutronico prodotte da variazioni nella potenza nominale del reattore. Una tipica attività che ha spinto alla progettazione e alla realizzazione del monitor di fluenza, è la misura della concentrazione del boro nei campioni biologici usati in ambito BNCT. Dopo aver preso in considerazione vari tipi di detectors la scelta è caduta su un rivelatore del tipo SPND che ha il vantaggio di non richiedere nè alimentazione elettrica nè un sistema di preamplificazione ed amplificazione, ma semplicemente un cavo di connessione ad un elettrometro. Questo progetto è stato realizzato grazie ad una collaborazione internazionale con i ricercatori della CNEA di Buenos Aires che hanno anche prodotto il rivelatore. Oltre all’installazione del detector è stato sviluppato il software per la gestione del rivelatore e per l’analisi dei dati, ed è stata realizzata l’integrazione del nuovo sistema con la catena spettrometrica di misura del boro già esistente. Sono state condotte misure per testare il corretto funzionamento del SPND verificando la sua sensibilità (intensità di corrente per flusso unitario) e la linearità di risposta in funzione della potenza del reattore. Sono stati ottenuti risultati in accordo con i dati disponibili in letteratura per detectors dello stesso tipo e di dimensioni simili. Grazie a questo nuovo sistema l’errore nella misura della concentrazione del boro indotto dalle fluttuazioni nel flusso neutronico può essere ridotto da circa il 5% a meno dell’1%. Inoltre l’SPND rappresenta un ottimo riferimento Conclusioni per valutare la stabilità del flusso nella posizione di irraggiamento all’interno della colonna termica. La sensibilità di questo sistema di monitoraggio ha permesso di mettere in evidenza oscillazioni nel flusso neutronico dell’ordine dello 0.2% indotte dal moto della barra di controllo Regulating nel funzionamento automatico del reattore. In futuro si intende effettuare un’analisi più approfondita delle caratteristiche del rivelatore anche facendo ricorso a simulazioni di tipo Monte Carlo per la stima della sua sensibilità intrinseca. 90 Appendice A BNCT A.1 Il pricipio di base della BNCT La BNCT [30], Boron Neutron Captur Therapy, è una tecnica di cura contro i tumori. Il principio della terapia consiste nel portare il 10 B all’interno delle cellule tumorali e successivamente irraggiare l’organo con un fascio di neutroni termici. La reazione di cattura 10 B(n, α)7 Li produce due particelle ad alto LET1 che creano danni alle cellule tumorali. Lo ione Li e la particella α sono entrambi altamente ionizzanti, quindi se attraversano un nucleo cellulare hanno alta probabilità di causare danni irreparabili al DNA, come possono essere le doppie rotture alla sua struttura. Inoltre, un’importante caratteristica di questa terapia è che le due particelle avendo LET molto elevato, hanno di conseguenza una capacità di penetrazione molto esigua, ciò assicura che la loro energia cinetica venga completamente dissipata all’interno della cellula di partenza, con grande vantaggio delle cellule sane vicine. L’efficacia della BNCT è quindi la sua alta capacità di selezione. Se si accumulassero in una cellula tumorale 109 atomi di 10 B, sottoponendo l’organo a una fluenza di 1012 neutroni/cm2 , si otterrebbero 2 o 3 catture neutroniche, capaci di distruggere la cellula. Il maggiore sforzo della ricerca è quindi maggiormente incentrato a sintetizzare farmaci in grado di accumulare il boro in alte concentrazioni nelle 1 Linear Energy Transfer. A. BNCT cellule tumorali, escudendo il più possibile quelle sane. I composti maggiormente utilizzati sono il Sodio-Dodecaborano (BSH) e la Borofenilalanina (BPA). Il primo, utilizzato sopratutto nella cura contro i tumori al cervello grazie alla sua capacità di superare la barriera emato encefalica, permette di raggiungere un rapporto di concentrazione tra le cellule tumorali e quelle sane, di poco superiore a 2. Il secondo invece permette di raggiungere rapporti di concentrazione compresi tra 2 e 4. Conoscere con esattezza tali rapporti è fondamentale per la scelta del piano di trattamento più appropriato. Le tecniche usate sono Spettroscopia a Emissione Atomica, Spettroscopia di Massa, Analisi di Attivazione Neutronica Prompt Gamma, Spettroscopia di Massa a Ioni Secondari, e a Pavia la tecnica che sfrutta la spettroscopia delle α dovute alla reazione 10 B(n, α)7 Li. A.2 La misura del boro in tessuti biologici a Pavia I ricercatori di Pavia hanno sviluppato una tecnica che permette di misurare la concentrazione di 10 B nei tessuti tumorali e in quelli sani, utilizzando la spettroscopia α sulla reazione 10 B(n, α)7 Li [31]. La tecnica consiste nel tagliare per mezzo di un criostato sequenze di tre fettine di organo espiantato da una cavia trattata con un farmaco contenente 10 B (BPA). Una sezione di 60 µm viene depositata direttamente su un film sensibile (CR-39) per una radiografia neutronica. Una di 10 µm viene depositata su un vetrino per l’analisi istologica, mentre una terza di 60 µm viene depositata su un disco di Mylar. Il primo campione depositato sulla pellicola CR-39 viene irraggiato in colonna termica. Le particelle ionizzanti generate dalla reazione di cattura sul boro contenuto nel tessuto, rompono i legami chimici cristallini lungo la traccia che percorrono nel film. Tali tracce sono rese visibili grazie a uno sviluppo del film in una soluzione contenente soda caustica a concentrazione e temperatura opportune [32]. L’acquisizione di un’immagine del campione permette quindi di visualizzare la distribuzione di boro all’interno della sezione di organo. 92 A.2. La misura del boro in tessuti biologici a Pavia Dall’esame istologico invece si evidenzia la morfologia del tessuto, nelle sue diverse componenti tumorali, sane, necrotiche ecc. Dal confronto delle due immagini si potrà quindi stabilire qualitativamente se esiste un uptake selettivo nelle zone tumorali, mettendo a confronto le zone evidenziate dall’istologia come noduli o cellule neoplastiche con le zone più scure nella neutronigrafia. La terza sezione viene anch’essa sottoposta ad un irraggiamento in colonna termica, ma viene posizionata all’interno di un portacampioni rotante, che, comandato dall’esteno, posiziona i campioni davanti a un rivelatore al silicio. Il rivelatore raccoglie l’energia delle particelle cariche emesse nella reazione di cattura neutronica da parte degli elementi contenuti nel tessuto: particelle alfa e ioni di litio, ma anche protoni dalla reazione 14 N(n, p)14 C. Lo spettro ottenuto è uno spettro assorbito in cui sono registrati insieme α, nuclei di Li e p, che partendo da diverse profondità escono dalla sezione di organo con energie minori di quelle con cui vengono prodotte. Lo spettro è calibrato in energia utilizzando un campione NIST costituito da un’impiantazione superficiale di 10 B in silicio, prodotta e certificata dal National Institute of Standards and Technology. La zona di spettro del tessuto compresa tra 1100 keV e 1350 keV è dovuta solo al contributo delle alfa. L’integrale dello spettro entro queste energie fornisce il numero di alfa che sono arrivate al rivelatore con energia residua tra questi limiti. Utilizzando la curva di energia rilasciata in funzione dello spessore attraversato dalle alfa nel tessuto in considerazione, è possibile ricavare lo spessore entro il tessuto in cui sono state create tali particelle. Ipotizzando che il campione abbia concentrazione uniforme, essa sarà quindi proporzionale al numero di reazioni che avvengono in tale porzione di tessuto, fratto il peso della porzione stessa. Il calcolo esatto della concentrazione deve tener conto della sezione d’urto per cattura neutronica, dell’area di tessuto vista dal rivelatore, del tempo di acquisizione e del flusso neutronico al quale è stato esposto. Inoltre, dato che lo spessore del taglio è esiguo, il campione perde l’acqua e si secca poco dopo essere stato depositato sul mylar. Bisogna quindi riscalare la concentrazione ottenuta nel campione secco tenendo conto del rapporto tra la massa del tessuto fresco e quella del tessuto secco, che per ogni tipo di tessuto deve essere determinato sperimentalmente. 93 A. BNCT Questa procedura è valida nel caso di un campione sano in cui la concentrazione di boro sia uniforme. Nel caso di campioni con zone tumorali e/o necrotiche, è necessario dividere i contributi dovuti ai diversi tipi di tessuto. Per questo si utilizza la neutronigrafia della fettina che si è irraggiata e si misura il volume occupato dal tumore. In questo modo, utilizzando una misura preventiva della concentrazione del tessuto sano, è possibile pesare i diversi contributi e determinare la concentrazione di boro nel solo tessuto tumorale. Questo aspetto è una delle maggiori potenzialità del metodo, che permette di creare un piano di trattamento più preciso, a differenza di altri metodi utilizzati che danno invece una media di concentrazione di boro in campioni misti. 94 Appendice B Programma FLUENCECONTROL function varargout = Fluencecontrol(varargin) % FLUENCECONTROL M-file for Fluencecontrol.fig % FLUENCECONTROL, by itself, creates a new FLUENCECONTROL or raises the existing % singleton*. % % H = FLUENCECONTROL returns the handle to a new FLUENCECONTROL or the handle to % the existing singleton*. % % FLUENCECONTROL(’CALLBACK’,hObject,eventData,handles,...) calls the local % function named CALLBACK in FLUENCECONTROL.M with the given input arguments. % % FLUENCECONTROL(’Property’,’Value’,...) creates a new FLUENCECONTROL or raises % the existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before Fluencecontrol_OpeningFunction gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to Fluencecontrol_OpeningFcn via varargin. % % *See GUI Options on GUIDE’s Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)". B. Programma FLUENCECONTROL % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Edit the above text to modify the response to help Fluencecontrol % Last Modified by GUIDE v2.5 24-Oct-2008 12:08:11 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct(’gui_Name’, mfilename, ... ’gui_Singleton’, gui_Singleton, ... ’gui_OpeningFcn’, @Fluencecontrol_OpeningFcn, ... ’gui_OutputFcn’, @Fluencecontrol_OutputFcn, ... ’gui_LayoutFcn’, [] , ... ’gui_Callback’, []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT % --- Executes just before Fluencecontrol is made visible. function Fluencecontrol_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to Fluencecontrol (see VARARGIN) 96 global global global global global global global global global complitepath deltatime setfluence sensitivity bgrcurr control parity filenum davide %Default value complitepath=’ ’; davide.complitepath=complitepath; deltatime=1.0; handles.deltatime=deltatime; setfluence=1e+8; davide.setfluence=setfluence; sensitivity=2.74e-21; davide.sensitivity=sensitivity; bgrcurr=1.285e-14; davide.bgrcurr=bgrcurr; control=1; davide.control=control; parity=1; davide.parity=parity; filenum=0; davide.filenum=filenum; davide.fluencebutton=handles.fluencebutton; davide.FluxGraph=handles.FluxGraph; davide.FluenceGraph=handles.FluenceGraph; davide.real_value=handles.real_value; davide.live_value=handles.live_value; 97 B. Programma FLUENCECONTROL % Choose default command line output for Fluencecontrol handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes Fluencecontrol wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); % --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = Fluencecontrol_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output; % -------------------------------------------------------------------function Configuration_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Configuration (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % -------------------------------------------------------------------function Save_as_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Save_as (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) 98 global davide [filename,path]=uiputfile(’*.txt’,’Save as’); if path==0 return end davide.path=path; complitepath=fullfile(path,filename); davide.complitepath=complitepath; filecut=strtok(filename,’.’); davide.filecut=filecut; set(handles.text5,’String’,davide.complitepath); guidata(hObject, handles); % -------------------------------------------------------------------function Settings_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to Settings (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global deltatime global davide prompt = {’Sampling Time [sec]:’,’Fluence Value [n/cm^2]:’,\ ’Sensitivity SPND [A/nv]’,’Background Current [A]’}; dlg_title = ’Setting Time, Fluence, Sensitivity, Bgr_Curr’; num_lines = 1; def = {’1’,’1e+8’,’2.74e-21’,’1.285e-14’}; 99 B. Programma FLUENCECONTROL answer = inputdlg(prompt,dlg_title,num_lines,def); if isempty(answer) warndlg(’You MUST set Time & Fluence’); return end if isempty(answer{1}) warndlg(’You MUST set Time’); return end if isempty(answer{2}) warndlg(’You MUST set Fluence’); return end if isempty(answer{3}) warndlg(’You MUST set Sensitivity’); return end if isempty(answer{4}) warndlg(’You MUST set Background’’s current’); return end deltatime=str2double(answer{1}); handles.deltatime=deltatime; setfluence=str2double(answer{2}); davide.setfluence=setfluence; sensitivity=str2double(answer{3}); davide.sensitivity=sensitivity; bgrcurr=str2double(answer{4}); davide.bgrcurr=bgrcurr; guidata(hObject, handles); 100 % --- Executes on button press in startbutton. function startbutton_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to startbutton (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global davide global t global file davide.startbutton=handles.startbutton; davide.FluxValue=handles.FluxValue; davide.FluenceValue=handles.FluenceValue; if(isequal(davide.complitepath,’ ’)) warndlg(’You MUST enter file name in Configuration>Save as’,\ ’Warning’); return end set(handles.text11,’String’,handles.deltatime); set(handles.text13,’String’,davide.setfluence); set(handles.text15,’String’,davide.sensitivity); set(handles.text21,’String’,davide.bgrcurr); cla(davide.FluxGraph,’reset’); axes(davide.FluxGraph); xlabel(davide.FluxGraph,’Time [sec]’,’fontsize’,9); ylabel(davide.FluxGraph,’Neutron Flux [n/(s.cm^2)]’,’fontsize’,9); grid on; hold all; cla(davide.FluenceGraph,’reset’); axes(davide.FluenceGraph); 101 B. Programma FLUENCECONTROL xlabel(davide.FluenceGraph,’Time [sec]’,’fontsize’,9); ylabel(davide.FluenceGraph,’Neutron Fluence [n/cm^2]’,’fontsize’,9); grid on; hold all; if (davide.control==1) davide.control=0; set(davide.startbutton,’String’,’Stop’); file=fopen(davide.complitepath,’a’); davide.file=file; rs232=serial(’COM1’); davide.rs232=rs232; fopen(davide.rs232); fprintf(davide.rs232,’:syst:rem’); pause(0.1); fprintf(davide.rs232,’:sour:volt:rang 100’); fprintf(davide.rs232,’:sour:volt:limit:stat 1’); fprintf(davide.rs232,’:sour:volt:lim +5’); fprintf(davide.rs232,’:sour:volt +3’); fprintf(davide.rs232,’:outp 0’); set(handles.VSOURCE,’String’,’GATE OFF’); fprintf(davide.rs232,’:func ’’curr’’’); fprintf(davide.rs232,’:form:elem read’); %For don’t take the first value: fprintf(davide.rs232,’:data:fresh?’); tic; tottime=0; davide.tottime=tottime; t = timer(’TimerFcn’,@acquisition,’Period’,handles.deltatime,\ ’ExecutionMode’,’fixedDelay’); davide.t=t; start(davide.t); 102 else davide.control=1; stop(davide.t); delete(davide.t); set(davide.startbutton,’String’,’Start’); fclose(davide.file); davide.complitepath=’ ’; davide.parity=1; davide.filenum=0; set(davide.fluencebutton,’String’,’Start Fluence’); fprintf(davide.rs232,’:outp 0’); set(handles.VSOURCE,’String’,’GATE OFF’); fprintf(davide.rs232,’syst:loc’); fclose(davide.rs232); delete(davide.rs232); clear davide.rs232; end guidata(hObject, handles); % --------------------------------------% --------------------------------------function acquisition(obj, event) global davide %Ask the current & with sensitivity calculate the flux fprintf(davide.rs232,’:data:fresh?’); currentstr=fscanf(davide.rs232); current=str2double(currentstr); %current=randg; % Take out all rs232 netcurrent=current-davide.bgrcurr; instantflux=netcurrent/davide.sensitivity; 103 B. Programma FLUENCECONTROL %Time time=toc; tottime=davide.tottime+time; davide.tottime=tottime; tottimestr=num2str(tottime); handles.tottimestr=tottimestr; tic; timestr=num2str(time); handles.timestr=timestr; davide.instantflux=instantflux; set(davide.FluxValue,’String’,davide.instantflux); plot(davide.FluxGraph,tottime,instantflux,’r.-’); %Now put in file.txt "Flux , total_time" fprintf(davide.file,’%e , ’,davide.instantflux); fwrite(davide.file,handles.tottimestr); fprintf(davide.file,’\x0D\x0A’); c=rem(davide.parity,2); if (c==0) instantfluence=davide.instantfluence+(instantflux*time); davide.instantfluence=instantfluence; set(davide.FluenceValue,’String’,davide.instantfluence); plot(davide.FluenceGraph,tottime,instantfluence,’b.-’); %show real_time delta_time=davide.tottime-davide.start_time; davide.delta_time=delta_time; set(davide.real_value,’String’,davide.delta_time); %Now put in filefluence.txt "Flux , Fluence , total_time , clock" newfilename=strcat(davide.filecut,’_fluence_’,davide.filenumstr,\ ’.txt’); newcomplitepath=fullfile(davide.path,newfilename); 104 davide.newcomplitepath=newcomplitepath; newfile=fopen(davide.newcomplitepath,’a’); davide.newfile=newfile; day=fix(clock); fprintf(davide.newfile,’%e , %e, ’,davide.instantflux,davide.\ instantfluence); fwrite(davide.newfile,handles.tottimestr); fprintf(davide.newfile,’, %d/%d/%d %d:%d:%d’,day(3),day(2),\ day(1),day(4),day(5),day(6)); fprintf(davide.newfile,’\x0D\x0A’); fclose(davide.newfile); %If fluence is how we want if (davide.instantfluence>davide.setfluence) davide.parity=1; set(davide.fluencebutton,’String’,’Start Fluence’); warndlg(’!!!! WE HAVE A FLUENCE SET !!!!’); fprintf(davide.rs232,’:outp 0’); set(davide.VSOURCE,’String’,’GATE OFF’); end end % --- Executes on button press in fluencebutton. function fluencebutton_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to fluencebutton (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global davide instantfluence=0; davide.instantfluence=instantfluence; 105 B. Programma FLUENCECONTROL davide.VSOURCE=handles.VSOURCE; davide.parity=davide.parity+1; c=rem(davide.parity,2); if (c==0) set(handles.fluencebutton,’String’,’Stop Fluence’); set(handles.text13,’String’,davide.setfluence); davide.filenum=davide.filenum+1; filenumstr=num2str(davide.filenum); davide.filenumstr=filenumstr; fprintf(davide.rs232,’:outp 1’); set(handles.VSOURCE,’String’,’GATE ON’); set(handles.index_fluence,’String’,davide.filenumstr); set(davide.live_value,’String’,’0’); start_time=davide.tottime; davide.start_time=start_time; else set(handles.fluencebutton,’String’,’Start Fluence’); fprintf(davide.rs232,’:outp 0’); set(handles.VSOURCE,’String’,’GATE OFF’); end guidata(hObject, handles); % --- Executes on button press in live_button. function live_button_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to live_button (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global davide prompt = {’Real Time Maestro [sec]:’,’Live Time Maestro [sec]:’}; 106 dlg_title = ’Time’; num_lines = 1; def = {’1’,’1’}; answer = inputdlg(prompt,dlg_title,num_lines,def); if isempty(answer) warndlg(’You MUST set Time parameters’); return end if isempty(answer{1}) warndlg(’You MUST set Real Time’); return end if isempty(answer{2}) warndlg(’You MUST set Live Time’); return end mreal_time=str2double(answer{1}); handles.mreal_time=mreal_time; mlive_time=str2double(answer{2}); handles.mlive_time=mlive_time; live_time=davide.delta_time*(handles.mlive_time/handles.mreal_time); handles.live_time=live_time; set(davide.live_value,’String’,handles.live_time); guidata(hObject, handles); % --- Executes on button press in meanbutton. function meanbutton_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to meanbutton (see GCBO) 107 B. Programma FLUENCECONTROL % eventdata % handles reserved - to be defined in a future version of MATLAB structure with handles and user data (see GUIDATA) progmean guidata(hObject, handles); % ----------- MY VARIABLES --------------% % % % % % % % % % % parity filenum (if this number is even, we acquire flux and fluence) (is a number that increment; when start a new misure of fluence we create a new file: "filecutfluence_filenum.txt") c (is equal at 0 if parity/2 is an integer) day (is a vector with 6 components: age,month,day,hour,min,sec) bgrconst (is the control for the background current acquisition) currentstr (is the current’s value (string) by the Keithley) current (is a current’s value num2string currentstr) currtxt (is a value of current by file.txt) time (is the time by function tic); timetxt (is a value of time by file.txt) 108 Appendice C Programma PROGMEAN function varargout = progmean(varargin) % PROGMEAN M-file for progmean.fig % PROGMEAN, by itself, creates a new PROGMEAN or raises the existing % singleton*. % % H = PROGMEAN returns the handle to a new PROGMEAN or the handle to % the existing singleton*. % % PROGMEAN(’CALLBACK’,hObject,eventData,handles,...) calls the local % function named CALLBACK in PROGMEAN.M with the given input arguments. % % PROGMEAN(’Property’,’Value’,...) creates a new PROGMEAN or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are % applied to the GUI before progmean_OpeningFunction gets called. An % unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to progmean_OpeningFcn via varargin. % % *See GUI Options on GUIDE’s Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)". % % See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES C. Programma PROGMEAN % Edit the above text to modify the response to help progmean % Last Modified by GUIDE v2.5 21-Oct-2008 16:35:29 % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct(’gui_Name’, mfilename, ... ’gui_Singleton’, gui_Singleton, ... ’gui_OpeningFcn’, @progmean_OpeningFcn, ... ’gui_OutputFcn’, @progmean_OutputFcn, ... ’gui_LayoutFcn’, [] , ... ’gui_Callback’, []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT % --- Executes just before progmean is made visible. function progmean_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to progmean (see VARARGIN) global i global controlx 110 global j i=1; handles.i=i; controlx=0; handles.controlx=controlx; j=1; handles.j=j; start=’’; handles.start=start; stop=’’; handles.stop=stop; x=’’; y=’’; cla(handles.Graph,’reset’); axes(handles.Graph); % Choose default command line output for progmean handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles); % UIWAIT makes progmean wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1); % --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = progmean_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure 111 C. Programma PROGMEAN % eventdata % handles reserved - to be defined in a future version of MATLAB structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure varargout{1} = handles.output; % --- Executes on button press in openfile. function openfile_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to openfile (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global matrix cla(handles.Graph,’reset’); xlabel(handles.Graph,’%’,’fontsize’,9); ylabel(handles.Graph,’Y’,’fontsize’,9); grid on; hold all; [mfile,mpath,FilterIndex] = uigetfile(’*.txt’); mcomplitepath=fullfile(mpath,mfile); handles.mcomplitepath=mcomplitepath; matrix=load(handles.mcomplitepath); [righe,colonne]=size(matrix); handles.righe=righe; handles.colonne=colonne; if (handles.righe>0 && handles.colonne>0) handles.controlx=1; while handles.i<righe+1 percent(handles.i)=handles.i/handles.righe; handles.i=handles.i+1; 112 end handles.percent=percent; handles.i=1; else warndlg(’The file is not correct!’); end guidata(hObject, handles); function edit5_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit5 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,’String’) returns contents of edit5 as text % str2double(get(hObject,’String’)) returns contents of edit5 as a double handles.num_colonnastr=get(hObject,’String’); num_colonna=str2num(handles.num_colonnastr); handles.num_colonna=num_colonna; guidata(hObject, handles); % --- Executes during object creation, after setting all properties. function edit5_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit5 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. 113 C. Programma PROGMEAN if ispc && isequal(get(hObject,’BackgroundColor’), \ get(0,’defaultUicontrolBackgroundColor’)) set(hObject,’BackgroundColor’,’white’); end % --- Executes on button press in graph_button. function graph_button_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to graph_button (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) global matrix if (handles.controlx==0) warndlg(’Before You MUST open the file.txt!’); else y=matrix(:,handles.num_colonna); handles.y=y; plot(handles.Graph,handles.percent,handles.y,’g.-’); end guidata(hObject, handles); function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,’String’) returns contents of edit1 as text % str2double(get(hObject,’String’)) returns contents of edit1 as a double handles.start=get(hObject,’String’); 114 percentstart=str2double(handles.start); handles.percentstart=percentstart; guidata(hObject, handles); % --- Executes during object creation, after setting all properties. function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,’BackgroundColor’), \ get(0,’defaultUicontrolBackgroundColor’)) set(hObject,’BackgroundColor’,’white’); end function edit2_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,’String’) returns contents of edit2 as text % str2double(get(hObject,’String’)) returns contents of edit2 as a double % --- Executes during object creation, after setting all properties. handles.stop=get(hObject,’String’); percentstop=str2double(handles.stop); handles.percentstop=percentstop; guidata(hObject, handles); 115 C. Programma PROGMEAN function edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,’BackgroundColor’), \ get(0,’defaultUicontrolBackgroundColor’)) set(hObject,’BackgroundColor’,’white’); end % --- Executes on button press in meanbutton. function meanbutton_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to meanbutton (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) if (handles.controlx==0) warndlg(’Before You MUST open the file.txt!’); else if((isempty(handles.start)) || (isempty(handles.stop)) ) warndlg(’You MUST set the interval’’s extremes for the mean!’); return else k=handles.righe*handles.percentstart; %We need k integer, so: kstr=num2str(k); kintstr=strtok(kstr,’.’); kint=str2double(kintstr); handles.kint=kint; 116 m=handles.righe*handles.percentstop; %We need m integer, so: mstr=num2str(m); mintstr=strtok(mstr,’.’); mint=str2double(mintstr); handles.mint=mint; % Because the first element is 1 and not 0 if (handles.kint==0) handles.kint=1; end % For make a mean only between k and m elements val_mean=mean(handles.y(handles.kint:handles.mint)); handles.val_mean=val_mean; val_std=std(handles.y(handles.kint:handles.mint)); handles.val_std=val_std; % For show the elements taken for the mean, I have to introduce % a new variables while (handles.j<=(1+handles.mint-handles.kint)) percentset(handles.j)=handles.percent(handles.kint + handles.j -1); yset(handles.j)=handles.y(handles.kint + handles.j -1); handles.j=handles.j+1; end handles.j=1; plot(handles.Graph,handles.percent,handles.y,’g.-’); plot(handles.Graph,percentset,yset,’b.-’); set(handles.mean_value,’String’,handles.val_mean); set(handles.std_value,’String’,handles.val_std); num_values=handles.mint-handles.kint; set(handles.num_value,’String’,num_values); 117 C. Programma PROGMEAN end end guidata(hObject, handles); % % % % % % % % % % ----------- MY VARIABLES --------------n (counter of while loop) i (vector’s index) k (index to start average) m (index to stop average) controlx (at beginning is 0, then become 1 if the user open a file.txt and the lenght of fluxtxt vector is >0) j (vectorset’s index) y (is the vector matrix(:,num_colonna) ) 118 Bibliografia [1] J.R. LAMARSH, Introduction to nuclear reactor theory, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1966. [2] K.H. BECKURTS, K.WIRTZ, Neutron Physics, Springer-Verlag, 1964. [3] http://www.nndc.bnl.gov/mird/ . [4] A.J. PEURRUNG, Recent developments in neutron detection, Nucl. Instr. and Meth. A, 443, 400-415, Elsevier, 2000. [5] G.F. KNOLL, Radiation Detection and Measurement, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2000. [6] http://atom.kaeri.re.kr . [7] Neutron Fluence Measurements, Technical Report Series No. 107, IAEA, 1970. [8] http://ie.lbl.gov/toi/nucSearch.asp . [9] W.R. LEO, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Second Revised Edition, Springer-Verlag, 1994. [10] K.R. PRASAD, S.P. CHAGANTY, V. BALAGI, E. UNNIKRISHNAN, K. VENKATESWARA RAO, Development and applications of LPRM detectors, Nucl. Instr. and Meth. A, 418, 420-428, Elsevier, 1998. [11] N.P. GOLDSTEIN, W.H. TODT, A survey of Self-Powered Detectors Present and Future, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-26(1), 916, 1979. BIBLIOGRAFIA [12] W.H. TODT, Characteristics of self-powered neutron detectors used in power reactors, www.nea.fr/html/science/rsd/ic96/4-2.pdf . [13] M.E. MILLER, L.E. MARIANI, M.L. SZTEJNBERG GONÇALVESCARRALVES, M. SKUMANIC, S.I. THORP, Implantable self-powered detector for on-line determination of neutron flux in patients during NCT treatment, Applied Radiation and Isotopes 61, 1033-1037, http: //www.sciencedirect.com, 2004. [14] M.E. MILLER, M.L. SZTEJNBERG GONÇALVES-CARRALVES, S.J. GONZÁLES, S.I. THORP, J. LONGHINO, B.M.C. ROTH, M.R. BONOMI, O.A. CALZETTA LARRIEU, H.R. BLAUMANN, D.B. FELD, R. JIMENEZ REBAGLIATI, S.J. LIBERMAN, On line local measurement of thermal neutron flux on BNCT patient using SPND, Advances in Neutron Capture Therapy 2006, Proceedings of ICNCT-12. [15] M.M. NECCHI, Modalità operative del progetto TAOrMINA, Tesi di laurea in fisica presso l’Università Degli Studi di Pavia, 2002-2003. [16] D.S. McGREGOR, M.F. OHMES, R.E. ORTIZ, A. S. M. S. AHMED, J.K. SHULTIS, Micro-pocket fission detectors (MPFD) for in-core neutron flux monitoring, Nucl. Instr. and Meth. A, 554, 494-499, Elsevier, 2005. [17] M. ISHIKAWA, K. ONO, Y. SAKURAI, H. UNESAKI, A. URITANI, G. BENGUA, T. KOBAYASHI, K. TANAKA, T. KOSAKO, Development of real-time thermal neutron monitor using boron-loaded plastic scintillator with optical fibel for boron neutron captur therapy, Applied Radiation and Isotopes 61, 775-779, http://www.sciencedirect.com, 2004. [18] M. ISHIKAWA, K. ONO, A. MATSUMURA, T. YAMAMOTO, J. HIRATSUKA, S. MIYATAKE, I. KATO, Y. SAKURAI, T. KOBAYASHI, H. KUMADA, H. TAKAHASHI, Development of real-time thermal neutron monitor and its clinical application, Advances in Neutron Capture Therapy 2006, Proceedings of ICNCT-12. 120 BIBLIOGRAFIA [19] Y.H. LIU, S.H. JIANG, Y.W.H. LIU, H.M. LIU, On-line neutron monitoring system of epithermal neutron beam for BNCT at THOR, Advances in Neutron Capture Therapy 2006, Proceedings of ICNCT-12. [20] M.A. GADAN, V. CRAWLEY, Caracterización preliminar de la facilidad de irradiación de muestras biológicas del reactor RA-3 para la implementación del tratamiento de meástasis en hı́gado con BNCT, Tesi di Laurea in Ingegneria Fisica Medica presso l’Universidad Favaloro de Buenos Aires, 2007. [21] http://t2.lanl.gov/ . [22] Model 6517A Electrometer User’s Manual, Keithley Instruments, Inc., 1996. [23] http://www.keithley.com . [24] Model 926 ADCAM Multichannel Buffer Hardware Manual, Advanced Measurement Technology, Inc., 2003. [25] S. BORTOLUSSI, S. ALTIERI, Thermal neutron irradiation field design for Boron Neutron Capture Therapy of human explanted liver, Med. Phys., Vol. 34, Issue 12, 4700-4705, 2007. [26] http://www.nucleide.org . [27] Germanium Detectors User’s Manual, Canberra Industries, Inc., 2003. [28] S. MANERA, Dosimetria n+γ nella facility realizzata per la TCN presso il reattore Triga Mark II, Tesi di laurea in fisica presso l’Università Degli Studi di Pavia, 1993-1994. [29] H. MOORE, Correction for change in activity during counting, Journal of Radioanalytical Chemistry, Vol. 13, 1973. [30] S. BORTOLUSSI, Boron Neutron Capture Therapy of Disseminated Tumours, Tesi di dottorato in fisica presso l’Università Degli Studi di Pavia, 2007. 121 BIBLIOGRAFIA [31] S. ALTIERI, S. BORTOLUSSI, P. BRUSCHI, P. CHIARI, F. FOSSATI, S STELLA, U. PRATI, L. ROVEDA, A. ZONTA, C. ZONTA, C. FERRARI, A. CLERICI, R. NANO, T. PINELLI, Neutron autoradiography imaging of selective boron uptake in human metastatic tumours, Applied Radiation and Isotopes, Vol. 66, Issue 12, 1850-1855, 2008. [32] Z. LOUNIS, S. DJEFFAL, K. MORSLI, M. ALLAB, Track etch parameters in CR-39 detectors for proton and alpha particles of different energies, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B, 179, 543-550, Elsevier, 2001. 122 Ringraziamenti Il primo grazie lo rivolgo al professore Saverio Altieri, che non solo ha permesso questo lavoro ma mi ha anche fatto sentire parte di uno splendido gruppo di ricerca, facendomi conoscere sia le difficoltà che questo tipo di lavoro comporta, sia le immense soddisfazioni che può riservare. Il secondo grazie invece è sicuramente rivolto a Mario, con cui è nata una sincera amicizia. Le sue conoscenze in campo fisico, elettronico e di programmazione hanno fatto sı̀ che gli ostacoli incontrati in questi mesi non fossero mai troppo difficili da superare. Quest’avventura l’abbiamo portata a termine con successo divertendoci e ottenendo buoni risultati. Ringrazio poi Silva, che per prima ha avuto l’idea di affiancarmi a Mario in questo lavoro. Le sue altissime competenze e la sua presenza sono sempre state motivo di rassicurazione. I suoi consigli per la tesi sempre graditissimi! Un grazie di cuore anche al Sig. Bruschi, che non ha mai mancato di aiutarci con la sua infinita esperienza nei problemi tecnici e di soccorrermi con chiare spiegazioni nella comprensione dei fenomeni riguardanti i rivelatori. Ringrazio poi Francesca, che si è offerta volontaria nella correzione della mia tesi e ha trovato il tempo di fornire un commento a tutti gli errori che commettevo. Grazie anche a Silvia che dall’Argentina ha portato utili idee per come condurre le misure e ha avuto la pazienza di rispondere alle mie numerose domande. Un affettuoso abbraccio va a Nico, che mi è stata compagna nei due anni di specialistica e ha condiviso con me l’esperienza della tesi nello stesso gruppo. Grazie per esserti resa disponibile ad aiutarmi anche se eri meritatamente in vacanza! Voglio ricordare anche tutte le persone che ho conosciuto durante questo Ringraziamenti lavoro di tesi, a partire dalla neomamma Sabrina e poi Marta e James che ho avuto modo di conoscere meglio grazie alla fortuna che ho avuto a partecipare all’ICNCT. Il personale del LENA, in particolare Michele, Daniele e Alberto. Le persone che trovavo in mensa, che erano capaci di rendere piacevoli (e soprattutto dolci) anche i terrificanti pranzi del Cravino: Nau, Ale (the driver), Sasha, Leda, Mari, Ross, Francis e Ale. Un grazie tutto speciale va poi alla mia famiglia, mamma, papozzo, Jojo. Mi hanno fatto sempre sentir libero di prendere qualsiasi decisione e sicuramente mi avrebbero voluto aiutare molto di più di quanto io non ho permesso loro di fare con i miei «non vi dovete preoccupare...». Con la laurea finisce un ciclo, ma sono sicuro che le amicizie che ho avuto la fortuna di fare qui a Pavia.. beh quelle dureranno ancora per molto! Non saprei proprio da chi iniziare a ricordare, forse, dato che le ultime settimane se non ero al LENA ero segregato in casa, inizio proprio con i miei coinquilini. Ciop, anche se in questo momento sei in Scozia, qui non sono rimaste soltanto le tue cose (e ne hai lasciate parecchie), sarà la nebbia che si creava quando preparavi i panini crasti, i fax, gli urli abbominevoli, la tosse per cui siamo odiati da tutto il condominio, ma credo che la tua presenza in casa Blaiotta rimarrà per sempre a farci da compagnia. Sei la dinamite del gruppo. Pietrone, quando sono entrato in questa casa ho subito capito chi cucinava e se uno non cucina, allora lava! Non nascondo che se non ci fossi tu, io e Ciop avremmo mangiato i piatti “zero-sbatti” 7 volte a settimana. Oltre a essere uno chef eccezionale, sei una persona generosissima e mi sono trovato molto bene con te. Vitalba, sei la presenza costante del week-end, e fortuna che ci sei tu, almeno per ogni cosa sappiamo con chi prendercela. Se non ti tengo d’occhio io rischi di vanificare gli sforzi ecologici di milioni di persone! Ale, è vero che sei entrato da poco in casa, ma il fatto di non averti sentito ancora far saltare un tappo di birra, mi stranizza. Non è che con questa storia del lavoro stai diventando troppo serio, eh? Uggiu, con te ogni piccola cosa diventa un’avventura da raccontare per mesi. Sei stato il mio compagno di studio quasi da subito e chi meglio di una persona con due lauree poteva esserlo! Insieme abbiamo visto quasi tutte le 124 Ringraziamenti biblioteche e aule studio dell’università.. non ti preoccupare, prima o poi ci faremo assumere per continuare a frequentarle.. Gruppo toffa. Appena ho un minuto di tempo mi fiondo al condominio Principe, non c’è neanche da suonare, la porta è aperta e sono certo di trovare Teramuzzo al computer che sta scrivendo qualcosa con la tastiera storta e il mouse sulla gamba. Ogni volta mi travolge con un mare di idee, il problema sta nel concretizzarle... datti da fare e non trattare con superiorità il Cicco, che invece lui concretizza!! A volte ci si incontra anche Tummole, la Grolla, Zibb, Luke..ah no, lui è in the sky! C’è però Tello, che fa da spola tra questa e l’altra casa, dove posso trovare Leo e Paolucci. A volte sembra di essere ancora in collegio, solo che le stanze sono più distanti. In questi anni si sono formate anche nuove famiglie. Lerc e Chiara si devono prendere cura del piccolo Davidone, e Marco e la Runz del grande Lorenzino. Con Lerc ho avuto un rapporto fraterno fin da subito, mentre con la Runz ho passato due anni belli in piazza Addobbati insieme a Chiara. Dato che tutti bene o male vi ho conosciuti grazie allo Spalla, questa dovreste conoscerla: «Eeeccccciiiiiii....». 125
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