Attenuation in iron of neutrons produced by 120 GeV/c positive hadrons on a thick copper target

Neutron shielding experiments have been performed at various accelerator facilities; however experimental data of attenuation of high-energy neutrons in very thick iron shields are rather scarce and dispersed. The present work discusses a deep penetration experiment in a thick iron shield, carried out at the CERN-EU high-energy Reference Field (CERF) facility at CERN. A 120 GeV/c positive hadron beam (1/3 protons and 2/3 pions) impinged on a 50 cm thick copper target located inside an irradiation cave top-shielded by iron. Neutron measurements were performed for thicknesses of the iron shield varying from 40 cm up to 240 cm, at 90° with respect to the primary beam direction. The measurements were performed with the extended-range rem counter LINUS for determining the attenuation of the ambient dose equivalent, H*(10), and with an extended-range Bonner Sphere Spectrometer (BSS) for evaluating the attenuation of the various components of the neutron spectrum. The BSS is made up of eight moderating spheres of different diameters made of polyethylene or a combination of polyethylene and lead, with a spherical 3He thermal neutron counter at its centre. Each sphere has a response function extending over a broad energy range but peaking at a different neutron energy, so that each sphere preferentially detects neutrons over a given energy range. The experimental results were compared with the predictions of Monte Carlo simulations performed with the FLUKA code. The experimental area was accurately reproduced in the FLUKA geometry. FLUKA allowed the neutron spectrum outside the shield to be scored for each thickness and, by folding it offline with the response function of each sphere, the simulated counts were obtained and compared with the experimental ones. The data analysis of the experiment and the simulations showed a neutron background component that led to a smaller attenuation for iron thicknesses larger than 120 cm. In order to investigate the origin of this contribution and to evaluate its importance, a dedicated set of FLUKA simulations was carried out. The results showed that the background was due to neutrons scattered by the concrete walls and from the metal roof of the hall in which the experimental facility is located. The attenuation length for each neutron component as measured by each sphere was calculated by plotting the counts against the shield thickness. The experimental results and the FLUKA simulations are in good agreement and both show that the spheres with a response function peaking at high energies indicate a larger attenuation than those more sensitive to the low energy components. This is explained by the fact that iron attenuates better high-energy neutrons than low-energy neutrons. Furthermore, the experimental and simulated values for the attenuation of the neutron ambient dose equivalent were compared with existing literature data at energies up to 25 GeV, confirming the well-known asymptotic trend at high energies.

La determinazione dei parametri di schermatura per un nuovo acceleratore di particelle è un elemento chiave nella fase di progettazione e di realizzazione dello stesso. La schermatura deve essere progettata in modo tale da garantire che la dose annuale e il rateo di dose per i lavoratori esposti e per il pubblico che vive in prossimità dell’impianto siano inferiori ai limiti di legge. Nel caso del pubblico il limite annuale di dose equivalente è pari ad 1 mSv. Diversamente i lavoratori esposti sono divisi in due categorie: lavoratori di categoria A con limite annuale di 20 mSv e lavoratori di categoria B con limite annuale di 6 mSv. Di conseguenza nella progettazione di tali schermature un elemento fondamentale è la valutazione dell'attenuazione della dose equivalente nei materiali utilizzati per la costruzione di un acceleratore, in particolare cemento e ferro. La radiazione principale in un acceleratore di adroni carichi è data da neutroni prodotti dall'interazione del fascio di particelle con le componenti dell'acceleratore, come il dump, i collimatori, le camere a vuoto, etc. generalmente composti di ferro e rame. I dati relativi alle schermature non sono abbondanti in letteratura per acceleratori operanti ad energie medio-alte e generalmente sono più numerosi per il cemento che per il ferro. Per questo motivo si è scelto alcuni anni fa di realizzare un esperimento dedicato nella CERF facility (CERN-EU high-energy Reference Field), situata nel sito francese del CERN. La struttura nacque per testare strumentazione attiva e rivelatori passivi usati negli acceleratori ad alte energie. Inoltre si notò che il campo di radiazione generato era simile al campo dovuto ai raggi cosmici che si trova a 10-20 km di altezza. Questo elemento fu poi sfruttato per testare e calibrare la strumentazione usata a bordo dei voli commerciali. La struttura dispone di un fascio di adroni carichi (2/3 pioni positivi e 1/3 protoni) con una quantità di moto pari a 120 GeV/c che colpisce un bersaglio di rame spesso 50 cm. Il bersaglio è collocato in una struttura schermata lateralmente da blocchi di cemento e può essere posizionato sotto due tetti di materiale diverso: cemento e ferro. Nel caso dell’esperimento il bersaglio è stato posto sotto il tetto di ferro. Dall’interazione del fascio di adroni con il bersaglio di rame vengono generate numerose particelle secondarie, tra cui risulta dominante lo spettro neutronico. Una serie di spessori di ferro sono stati impilati sopra il tetto di ferro di 40 cm fino ad uno spessore massimo di 240 cm. Per ogni spessore sono state compiute misure con un rem-counter con funzione di riposta estesa alle alte energie, LINUS, per determinare l’attenuazione della dose equivalente ambientale (H*(10)) e con l’extended – range Bonner Sphere Spectrometer (BSS) per valutare l’attenuazione delle diverse componenti dello spettro della fluenza neutronica. Il BSS, che possiede una funzione risposta estesa alle alte energie, è composto da otto sfere moderanti di diametro diverso fatte di polietilene o combinazione di polietilene e piombo, con al centro un contatore proporzionale all’3He. Ogni sfera ha una specifica funzione risposta che si estende in un ampio intervallo energetico, ma con una sensibilità più intensa per una particolare componente energetica di neutroni. I risultati sperimentali sono stati poi comparati con quelli ottenuti da simulazioni Monte Carlo realizzate con il codice FLUKA. Nel codice è stata riprodotta con accuratezza la geometria della CERF e per ogni spessore è stato registrato lo spettro neutronico. Dagli spettri sono stati ricavati i corrispondenti conteggi per ciascuna sfera attraverso l’utilizzo delle specifiche funzioni risposta in modo tale da confrontare i risultati sperimentali con quelli simulati. L’analisi dati dell’esperimento e delle simulazioni ha mostrato la presenza di un contributo di background neutronico che porta ad una minor attenuazione per spessori maggiori di 120 cm. Si è perciò proceduto alla verifica dell’origine di tale background tramite simulazioni dedicate. Queste hanno confermato che alcuni neutroni erano scatterati dalle pareti di cemento e dal tetto metallico in cui la struttura era collocata e poi rivelati incrementando lo spettro neutronico soprattutto per energie inferiori ad 1 MeV. Dai grafici dei conteggi in funzione dello spessore sono state ricavate le lunghezze di attenuazione per ogni componente neutronica e per la dose equivalente ambientale. I risultati hanno evidenziato un ottimo accordo tra i valori sperimentali e le simulazioni FLUKA; in particolare, entrambi mostrano che le sfere con una funzione risposta più sensibile alle alte energie indicano un’attenuazione maggiore rispetto a quelle più sensibili alle basse energie. Questo è spiegato dal fatto che il ferro attenua maggiormente neutroni di alta energia (al di sopra di 847 keV, primo livello nucleare eccitato del 56Fe) rispetto a quelli di bassa energia. Il lavoro di tesi è stato poi completato dal confronto con la letteratura relativa all’attenuazione della dose equivalente ambientale. I dati ricavati dal presente lavoro hanno confermato l’andamento asintotico della lunghezza di attenuazione massica alle alte energie.