La presente ricerca si propone di studiare la possibilità che una camera a bolle innovativa di tipo geyser a decompressione termodinamica, attualmente operante presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sia efficacemente impiegata per la rivelazione di neutroni veloci attraverso la detezione dei rinculi nucleari prodotti dalle reazioni di scattering tra i neutroni incidenti ed i nuclei del liquido bersaglio mantenuto in opportune condizioni di surriscaldamento, utilizzando un approccio sia sperimentale che numerico.
Al riguardo, l'impiego di un liquido surriscaldato, alla pari di uno scintillatore organico, non richiederebbe la moderazione della velocità dei neutroni incidenti mediante rivestimenti esterni, tipicamente eseguita per consentirne la rivelazione sfruttando apparecchiature idonee alla rivelazione di neutroni termici, con l'ulteriore vantaggio di non dover discriminare gli eventi indotti dai neutroni incidenti da quelli indotti dalla radiazione gamma, alla quale i liquidi surriscaldati sono insensibili. Peraltro, al contrario delle camere a bolle tradizionali, la camera a bolle di tipo geyser che si intende utilizzare è di tipo statico, senza parti in movimento che possano in qualche modo influenzare il mantenimento della metastabilità del sistema.
In questo contesto, il principale obiettivo della ricerca proposta è quello di verificare l'effettiva sensibilità del dispositivo nei confronti dei neutroni veloci emessi da sorgenti alloggiate in un apposito porta-sorgente, nonché di mettere a punto e validare un modello di nucleazione omogenea in base al quale poter simulare numericamente il comportamento del rivelatore quando esso sia esposto a sorgenti diverse e diversamente collocate rispetto ad esso. Ciò consentirà sia di ottimizzare la progettazione dell'apparato in funzione dello specifico impiego che se ne intende fare, sia di approfondire il comportamento termodinamico dei liquidi metastabili, la cui conoscenza presenta ancora diverse lacune.
L'innovatività della ricerca proposta è strettamente correlata al fatto che, come detto in precedenza, nella maggior parte dei casi la rivelazione dei neutroni veloci è basata sull'impiego di apparecchiature e tecniche idonee alla rivelazione dei neutroni termici, previa moderazione dei neutroni incidenti ottenuta utilizzando idonei rivestimenti, con la conseguente perdita d'informazione sullo spettro dei neutroni incidenti ed una inevitabile diminuzione dell'efficienza di misura [1].
Viceversa, alla pari degli scintillatori liquidi ad alto contenuto di idrogeno, i liquidi surriscaldati non richiedono l'impiego di alcun rivestimento esterno per la termalizzazione dei neutroni incidenti, essendo, per di più, totalmente insensibili alla radiazione gamma.
Inoltre, come già fatto osservare, una camera a bolle a liquido surriscaldato operata in opportune condizioni termodinamiche rappresenterebbe il primo rivelatore di neutroni veloci a fondo nullo.
Infine, a differenza di quanto accade nelle tradizionali camere a bolle dotate di pistone, nella camera a bolle di tipo geyser che qui si propone di utilizzare non ci sono parti in movimento, venendo quindi meno la possibilità che si verifichino distacchi di particolato, che potrebbe dar luogo alla formazione di germi di nucleazione [2,3].
E' poi evidente che la molteplicità di applicazioni in campo ingegneristico e scientifico della tecnica proposta non potrebbe che portare ad un avanzamento della conoscenza in diversi settori. Infatti, per quanto l'obiettivo primario di utilizzo del rivelatore in questione, una volta calibrato, è quello di studiare la radiazione cosmica, altre possibili applicazioni sono, ad esempio, la dosimetria on-line e la caratterizzazione accurata della "coda veloce" di sorgenti di neutroni a bassa intensità per applicazioni di radiobiologia.
D'altra parte, lo studio approfondito della risposta del rivelatore ai neutroni, attraverso la detezione dei rinculi nucleari prodotti dalle interazioni con il liquido bersaglio, consentirebbe:
(a) di eseguire una verifica delle equazioni di recente ricavate per il calcolo del raggio critico e dell'energia critica [4] in risposta alla molteplicità di equazioni disponibili in letteratura ed alla conseguente non univoca determinazione del loro valore - si vedano, ad esempio, le relazioni proposte da Volmer [5] e Tenner [6] per il calcolo del raggio critico e le relazioni proposte da Bugg [7] e Peyrou [8] per il calcolo dell'energia critica, alle quali può fondamentalmente essere ricondotta la maggior parte delle equazioni attualmente utilizzate per la valutazione di Rc ed Ec;
(b) di eseguire una verifica e messa a punto di un modello di nucleazione, tenendo conto che non vi è univocità di posizione tra i diversi ricercatori su come l'energia necessaria alla formazione della bolla di vapore nel liquido bersaglio sia effettivamente depositata nel corso del frenamento degli ioni e sull'efficienza di utilizzo di tale energia da parte del liquido che la riceve - al riguardo, è interessante osservare che secondo alcuni autori il valore del fattore moltiplicativo del raggio critico, Kc, che consente di individuare la lunghezza critica di deposizione, dovrebbe essere costante [9,10], mentre secondo altri dovrebbe variare al variare dell'energia critica [11].
Per quanto sopra discusso, le potenzialità di realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte sono insite nell'innovatività dello studio proposto, sia in relazione alla possibilità di sviluppare nuovi rivelatori statici di neutroni veloci a fondo nullo, sia in relazione alla possibilità di contribuire a colmare alcune lacune di conoscenza ancora oggi esistenti sul comportamento di base dei liquidi metastabili.
Riferimenti bibliografici
[1] G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 4th ed., John Wiley & Sons, Hoboken, NJ (2010).
[2] R. Bertoni et al., Nucl. Instrum. Meth. A744 (2014) 61.
[3] A. Antonicci et al., Eur. Phys. J. C 77 (2017) 752.
[4] G. Bruno et al., Eur. Phys. J. C 79 (2019) 183.
[5] M. Volmer, Kinetik der Phasenbildung, Steinkopff, Dresden und Leipzig (1939).
[6] A. G. Tenner, Nucl. Instr. Meth. 22 (1963) 1.
[7] D. V. Bugg, Progr. Nucl. Phys. 7 (1959) 2.
[8] Ch. Peyrou, in Bubble and Spark Chambers, Academic Press, New York (1967).
[9] A. Norman and P. Spiegler, Nucl. Sci. Eng. 16 (1963) 213.
[10] C. R. Bell et al., Nucl. Sci. Eng. 53 (1974) 458.
[11] S. Archambault et al., New J. Phys. 13 (2011) 043006.