Research and development of g detectors for neutron scattering at electron Volt energies on VESUVIO spectrometer.

The experimental work done for the dissertation concerns the development of gamma detectors for electron Volt neutron spectroscopy on the VESUVIO spectrometer, operating at ISIS spallation source (RAL, United Kingdom). The possibility to access unexplored regions of the kinematical (q,w) space for the inelastic neutron scattering, relies upon the development of effective detection systems in the energy range 1-100 eV. The most promising technique to this aim is the Resonance Detector (RD) that envisages the employment of (n,g) converters for the scattered neutron energy, and photon detectors for neutron counting purposes. The first part of my activity has been devoted to study the characteristics of different materials with the purpose of finding the best ones to be used as converters for the RD, to study different kind of photon detectors (scintillators and semiconductors) in order to select those fulfilling the physical requirements for their suitable operation in the RD configuration. After this phase of study, which allowed for selecting a set of converters and photon detectors, I begun the phase of project and realisation of the experiments. Together with researchers from the University of Milano-Bicocca and from Rutherford Appleton laboratory I realised experiments with sodium iodide (NaI) and yttrium-aluminium-perovskite (YAP) scintillators and cadmium-zinc-telluride (CZT) compound semiconductors. By means of CZT and YAP detectors I realised deep inelastic neutron scattering (DINS) measurements on different systems employing both standard and biparametric data acquisition electronics (neutron time-of-flight versus photon energy). These measurements allowed for recognising the signal and background components, finding experimental strategies to improve the signal to background ratio. I employed YAP scintillators for DINS measurements on liquid water sample in order to measure the proton momentum distribution and mean kinetic energy. As a part of my activity I have been fully involved in the design and the project of the very low angle detector bank (VLAD), mounted on VESUVIO in 2003, which I followed from the study of feasibility to the final test. This instrumental equipment has been properly projected to allow for inelastic neutron scattering at high energy (w > 300 meV) and low wavevector transfer (q < 10 Å-1), the high energy inelastic neutron scattering (HINS) regime, which is a still unexplored region of the kinematical space. In the final part of my activity I participated to the design and the realisation of the first HINS measurement on VLAD on a polycrystalline Ice-Ih sample. This experiment allowed for measuring the dynamical structure factor in the energy transfer region 350-450 meV and the determination of the stretching mode density of states g(w) in Ice-Ih in the region of the 420 meV energy stretching mode, reaching a lowest q values of about 2 Å-1. This experiment represents the first absolute HINS measurement on an inverse geometry instrument and shows the feasibility of these measurements on the VESUVIO spectrometer. Furthermore this experiment can be considered as a benchmark for future HINS measurements concerning the investigation of electronic excitations in rare earths, semiconductors and magnetic systems.

Il lavoro di tesi si inserisce nel contesto dello sviluppo di rivelatori gamma per la spettroscopia neutronica agli electron Volt sullo spettrometro VESUVIO, operante presso il Rutherford Appleton Laboratori (RAL, Gran Bretagna). La possibilità di accedere a regioni inesplorate dello spazio cinematico (q,w) per la diffusione anelastica di neutroni, risiede nello sviluppo di sistemi di rivelazione efficienti nell’intervallo di energia 1-100 eV. La tecnica più promettente a tale riguardo è la Resonance Detector (RD) che prevede l’uso di convertitori (n,g), per l’analisi dell’energia finale dei neutroni dopo la diffusione, e di rivelatori di fotoni per il conteggio dei neutroni assorbiti nel convertitore attraverso reazioni risonanti. La prima parte della mia attività ha riguardato lo studio delle caratteristiche di diversi materiali al fine di selezionare quelli migliori da utilizzare come convertitori per la RD, lo studio di rivelatori di fotoni (scintillatori e semiconduttori) per selezionare quelli che, in base alle caratteristiche fisiche, potessero risultare ottimali per tale configurazione. Dopo questa fase di studio, che mi ha portato alla selezione di diversi convertitori e di possibili rivelatori, sono passato alla fase di progettazione e realizzazione di esperimenti su fascio. Ho realizzato, insieme a colleghi dell’Università di Milano-Bicocca e del gruppo dei rivelatori del RAL, esperimenti con scintillatori di Ioduro di Sodio (NaI) e Ittrio-Allumino-Perovskite (YAP) e con rivelatori a semiconduttore di Silicio e Cadmio-Zinco-Tellurio (CZT). Con i rivelatori CZT e YAP ho effettuato misure di diffusione altamente anelastica di neutroni (Deep Inelastic Neutron Scattering, DINS) su diversi sistemi utilizzando sia un’elettronica di acquisizione di singoli spettri di tempo di volo, che un sistema di acquisizione biparametrico (tempo-di-volo vs Energia del fotone). Queste misure mi hanno permesso di riconoscere le componenti del segnale e del fondo e trovare strategie sperimentali per la riduzione del fondo. Ho utilizzato gli scintillatori YAP per esperimenti DINS su acqua liquida al fine di misurare la distribuzione di quantità di moto del protone e la sua energia cinetica media. Per l’analisi dei dati ho sviluppato un codice di fit per la ricostruzione della distribuzione di quantità di moto. Una parte della mia attività di dottorato ha riguardato il progetto del banco di rivelatori a basso angolo (VLAD), installato su VESUVIO nel 2003, che ho seguito dallo studio di fattibilità al test finale. Questo componente strumentale è stato progettato per permettere misure di diffusione anelastica di neutroni ad alti trasferimenti di energia (w > 300 meV) e bassi valori di q (q < 10 Å-1 ) , il regime HINS (high energy inelastic neutron scattering), che rappresentava una regione ancora non esplorata dello spazio cinematico. Nella parte finale della mia attività ho progettato e realizzato la prima misura HINS su VLAD su un campione di ghiaccio-Ih. Questa esperimento ha permesso la misura del fattore di struttura dinamico nella regione di energie trasferite 350-450 meV e la determinazione della densità degli stati g(w) nella regione dello modo di stretching del ghiaccio (420 meV), con un valore minimo di q pari a circa 2 Å-1. Questo esperimento rappresenta la prima misura assoluta di tipo HINS su uno spettrometro di neutroni e dimostra la fattibilità di questo tipo di misure su VESUVIO. In più questo esperimento deve essere considerato come termine di riferimento per future misure HINS volte allo studio di eccitazioni elettroniche nelle terre rare, nei semiconduttori, nei sistemi magnetici.