Sviluppo di uno spettrometro direzionale per la misura della componente neutronica della radiazione cosmica

Continuous measurement of cosmic radiation is of great interest not only in research fields but also in applications where exposed personnel is present, such as flight transports. Since the 60 % of effective dose at flight altitudes is due to neutrons, getting information about their energetic distribution and intensity at high altitudes is useful for personal dosimetry purposes. The current method to perform these measurements is based on the use of a Bonner Sphere System (BSS), installed at high altitude cosmic field metrological facilities. Such methodology has the drawback to be sensitive, because of its isotropic response, to neutrons scattered by the ground and the environment surrounding the facility. In order to improve the measurement of the neutron component, recently have been developed and characterized an innovative spectrometer with a directional response, therefore able to select the different neutron components based on the incidence angle. The spectrometer, named CYSP (Cylindrical Spectrometer), have been developed by Politecnico di Milano in collaboration with the National Laboratory of Frascati in the framework of the NESCOFI@BTF Project. Since March 2016, thanks to a scientific collaboration with the Helmholtz Zentrum of Monaco, such system has been installed at the Umwelt Forschungsstation Schneefernerhaus (UFS) metrological center on the Zugspitze mountain (Bavaria, Germany) closed to a reference Extended Range Bonner Sphere System (ERBSS). At present, CYSP spectrometer, oriented to detect mainly the vertical component of cosmic neutron field, is in operation for continuous measurements. This thesis work describes and discusses in details the main characteristics of the cosmic neutron field, the CYSP spectrometer functioning, the data processing developed to correct the information and extract neutron spectra by means of a deconvolution algorithm and, finally, the comparison between experimental results and theory.

La misura continua della radiazione cosmica è di grande interesse non solo nell’ambito della ricerca, ma anche in quelle applicazioni nelle quali è presente personale esposto, quali i trasporti aerei. Poiché il 60% della dose efficace ricevuta ad altitudini di volo è dovuta a neutroni, avere informazioni sulla loro distribuzione energetica ed intensità ad alta quota è utile per la dosimetria del personale di volo. Il metodo attualmente impiegato a tal fine è basato sull’impiego di sistemi di sfere di Bonner (BSS) installati presso facility di metrologia del campo cosmico posizionate in alta quota. Tale metodologia presenta lo svantaggio di essere sensibile, data la caratteristica risposta isotropa del sistema, alla componente neutronica diffusa dal suolo e dall’ambiente circostante la facility di misura. Al fine di migliorare la misura della componente neutronica della radiazione cosmica è stato di recente sviluppato e caratterizzato uno spettrometro innovativo avente risposta direzionale, dunque in grado di selezionare le diverse componenti del campo in base all’angolo di incidenza. Lo spettrometro, denominato CYSP (CYlindrical SPectrometer) è stato sviluppato dal Politecnico di Milano in collaborazione con i Laboratori Nazionali di Frascati nell’ambito del progetto NESCOFI@BTF. Dal mese di marzo 2016, nell’ambito di una collaborazione scientifica con l’Helmholtz Zentrum di Monaco, tale sistema di rivelazione è stato installato presso il centro di metrologia Umwelt Forschungsstation Schneefernerhaus (UFS) posto sul monte Zugspitze (Baviera, Germania) accanto ad un sistema a sfere di Bonner a range esteso (ERBSS) di riferimento. Lo spettrometro CYSP, orientato in modo da selezionare la componente verticale del campo neutronico cosmico, è tutt’oggi in condizioni di misura continua. Il presente lavoro di tesi descrive e discute nel dettaglio le caratteristiche del campo di neutroni cosmici, il funzionamento del sistema CYSP, la metodologia di elaborazione dati sviluppata per correggere le informazioni necessarie ad estrarre gli spettri di neutroni mediante algoritmo di deconvoluzione ed il confronto dei risultati ottenuti con quelli teorici e sperimentali di riferimento.