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

Abstract della tesi di dottorato in FISICA di Antonino Pietropaolo Titolo: Research and development of g detectors for neutron scattering at electron Volt energies on VESUVIO spectrometer. 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.