PDF (Tesis) - Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e

TESIS DE CARRERA DE MAESTRÍA EN INGENIERÍA
OPTIMIZACIÓN DE UNA LÍNEA DE ESPECTROMETRÍA
NEUTRÓNICA DE TRANSMISIÓN APLICADA A CIENCIA DE
MATERIALES PARA EL ACELERADOR LINEAL DEL CAB
Sandra Noemí Ramírez
Maestrando
Dr. Javier R. Santisteban
Director
Dr. Roberto Mayer
Co-Director
Septiembre de 2010
Laboratorio de Neutrones y Reactores – Centro Atómico Bariloche
Instituto Balseiro
Universidad Nacional de Cuyo
Comisión Nacional de Energía Atómica
Argentina
i
Dedicatoria
A mis abuelos: Filomena y Víctor
Con quienes he compartido momentos felices
ii
Neutrones!
El LINAC palpita en cada pulso, un haz emergente fluye y
los neutrones son impulsados a escribir su propia historia.
Entre origen y destino viajarán animados por su propio
espíritu y con identidad intrínseca: energía y dirección. A
su paso atravesarán obstáculos, procurando no detener su
vuelo. En su viaje trascenderán todo -incluso nuestra
capacidad de asombro- no sin antes dejar una firma
espectral, una huella que revele lo que en realidad son:
esencia de la vida misma…
iii
Ing. Sandra Ramírez
Índice de Contenidos
Dedicatoria
Síntesis y Resumen
Synthesis and Abstract
Índice de Contenidos
Capítulo 1: Descripción de la Línea de Transmisión y sus Componentes
1.1 Descripción general de las instalaciones
1.2 Propiedades de los neutrones
1.3 Experimentos de transmisión
1.3.1 Fundamentos del experimento
1.4 Componentes de la óptica neutrónica de la línea de transmisión
1.4.1 Fuente de neutrones
1.4.2 Colimador
1.4.3 Slits
1.4.4 Detectores
Capítulo 2: Simulaciones - Modelo McStas
2.1 Descripción de McStas
2.2 Proceso de simulación
2.2.1 Fuente de neutrones
2.2.2 Slits
2.2.3 Colimador
2.2.4 Monitores de Posición PSD
2.2.5 Monitor de Divergencia
2.2.6 Detectores
Capítulo 3: Técnicas Experimentales
3.1 Parámetros que se requieren conocer en el lugar de ubicación de la muestra.
3.1.1 Interés en la determinación de los Bordes de Bragg
3. 2 Técnicas experimentales utilizadas
1
Ing. Sandra Ramírez
3.2.1 Detectores de 3He
3.2.2 Técnica de Tiempo de Vuelo
3.3. Necesidad de un detector de neutrones térmicos sensible a posición
3.3.1 ¿Por qué usamos una placa de cadmio?
3.4 Procesamiento de datos
3.5 Electrónica de adquisición
Capítulo 4: Validación
4.1 Modelo en CAD
4.2 Configuraciones experimentales y simulaciones
4.2.1 Configuración con el haz circular
4.2.1.1 Evaluación del haz circular en la línea de medición 1
4.2.2 Configuración con el haz rectangular
4.2.2.1 Evaluación del haz rectangular en la línea de medición 1
4.2.2.2 Evaluación del haz rectangular en la línea de medición 2
4.3 Alcances de la herramienta validada
4.4 Conclusión
Capítulo 5: Guía de Neutrones
5.1. Objetivos del uso de este recurso
5.2. Descripción de la guía de neutrones
5.2.1. Reflectividad de los espejos
5.3 Variables estudiadas
5.4 Diseños propuestos
5.4.1 Línea de transmisión actual
5.4.2 Guía recta uniforme
5.4.3 Guía telescópica
5.4.3.1 Guía telescópica con colimador
5.4.4 Combinación de guías recta y telescópica
5.5 Análisis de la Intensidad del Flujo Neutrónico
5.6 Análisis de la Divergencia
5.7 Búsqueda del foco de la guía de neutrones
2
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 6: Conclusiones y Recomendaciones
6.1 Dimensiones de la guía de neutrones
6.2 Tamaño necesario del banco de detectores
6.3 Posición más apropiada para ubicar las muestras
6.4 Modificación de la línea de transmisión actual
6.5 Costos estimativos
Capítulo 7: Continuación de este Trabajo – Mejoras a Futuro
7.1 Diseño
7.2 Guía con canales internos
7.3 Mejoras del modelo
7.4 Otras energías
8 Apéndices
8.1 Irradiación con Detectores de Trazas
8.1.1 Objetivos de la Medición
8.1.2 Dispositivo de Detección
8.1.3 Muestra
8.1.4 Experimento
8.1.4.1 Irradiación en el LINAC
8.1.4.2 Proceso de Revelado
8.1.4.3 Microscopio Electrónico
8.1.5. Resultados Obtenidos
Anexos
Anexo 1: Plano realizado en CAD
Anexo 2: Trabajo presentado en Congreso
Referencias
Agradecimientos
3
Ing. Sandra Ramírez
Síntesis
1) Se ha puesto en funcionamiento una herramienta computacional que
permite simular la línea de transmisión existente en el Laboratorio de Neutrones y
Reactores del Centro Atómico Bariloche.
2) Se propone un nuevo diseño para la línea de transmisión a fin de
estudiar muestras más pequeñas y con geometrías más complejas, y reducir los
tiempos involucrados en la medición de muestras tradicionales.
Resumen
El Laboratorio de Neutrones y Reactores (NYR) del Centro Atómico
Bariloche cuenta con un acelerador lineal de electrones (LINAC) que es utilizado
como una fuente pulsada de neutrones. Dos haces extraídos de dicha fuente
permiten realizar experimentos de transmisión y dispersión de neutrones, con la
finalidad de estudiar propiedades estructurales y dinámicas de la materia.
En los experimentos de transmisión, un haz colimado de neutrones incide
sobre una muestra, y un detector es colocado detrás de la misma. La
comparación de los espectros de neutrones incidentes y transmitidos permite
inferir importante información acerca de las características microestructurales del
material. Esta técnica experimental ha sido muy utilizada para determinar
secciones eficaces, parámetros de la red cristalina, frecuencias de vibración de
los átomos, o el estado de tensiones de un material.
En el laboratorio NYR tradicionalmente se han estudiado muestras
cilíndricas de una pulgada de diámetro; pero existe hoy gran interés en realizar
estudios sistemáticos sobre muestras más pequeñas y de geometrías diferentes;
en particular láminas y probetas de ensayos de tracción. En estos casos, la
posibilidad de reducir la sección transversal y aumentar la intensidad del haz
incidente impacta directamente en una reducción de los tiempos de medición
4
Ing. Sandra Ramírez
involucrados. Así, el laboratorio ha considerado la posibilidad de incorporar una
guía de neutrones a la línea de transmisión existente.
Por lo expresado anteriormente, el objeto específico de este trabajo
consistió en la optimización de los componentes de la óptica neutrónica del tubo
de vuelo de transmisión, a fin de contribuir con una mejora en la línea existente,
como también aportar un criterio en la elección de la guía de neutrones a adquirir.
En particular, se pretendió maximizar el flujo de neutrones sobre muestras de
dichas geometrías y conformar la divergencia del haz incidente en las mismas.
Para ello fue necesario conocer la óptica neutrónica del instrumento, es decir las
características del haz: tamaño y divergencia del mismo en cualquier punto del
instrumento. A fin de determinar dichas características se elaboró y validó
experimentalmente un modelo de Montecarlo de la línea de transmisión utilizando
el software McStas. Para la validación experimental se determinó la variación
espacial de la intensidad del flujo neutrónico en la posición de la muestra.
Como resultado de estos estudios, se propone un diseño para la línea de
transmisión basado en una combinación de diafragmas, colimadores y guías de
neutrones que permitirían reducir en casi un orden de magnitud los tiempos de
medición.
5
Ing. Sandra Ramírez
Synthesis
1) In the Neutrons and Reactors Laboratory of CAB (Centro Atómico
Bariloche) a computational tool for simulating the existent transmission line has
been developed.
2) A new design for the transmission line is proposed. Through this new
design it will be possible to study small samples as well as samples with more
complex symmetries. Therefore, the times required for the measurements of
traditional samples will be reduced.
Abstract
The Neutrons and Reactors Laboratory (NYR) of CAB (Centro Atómico
Bariloche) is equipped with a linear electron accelerator (LINAC – Linear particle
accelerator). This LINAC is used as a neutron source from which two beams are
extracted to perform neutron transmission and dispersion experiments. Through
these experiments, structural and dynamic properties of materials can be studied.
The neutron transmission experiments consist in a collimated neutron beam
which interacts with a sample and a detector behind the sample. Important
information about the microstructural characteristics of the material can be
obtained from the comparison between neutron spectra before and after the
interaction with the sample. This experimental technique has been extensively
used to determine cross sections, lattice parameters of a crystalline solid, vibration
frequencies of atoms or the strain field of a material.
In the NYR Laboratory, cylindrical samples of one inch of diameter have
been traditionally studied. Nonetheless, there is a great motivation for doing
systematic research on smaller and with different geometries samples; particularly
sheets and samples for tensile tests. In such cases, a reduction of the spot size of
the beam and an increase of its intensity would have a direct impact on minimizing
6
Ing. Sandra Ramírez
measurement times. Hence, in the NYR Laboratory it has been considered the
possibility of incorporating a neutron guide into the existent transmission line.
According to all mentioned above, the main objective of this work consisted
in the optimization of the flight transmission tube optics of neutrons. This
optimization not only improved the existent line but also contributed to an election
criterion for the neutron guide acquisition. The optimization was directed towards
maximize the neutron flux on samples of mentioned geometries and to form the
divergence of the incident beam upon them. It was then necessary to study the
instrument neutron optics, i.e. the characteristics of the beam such as its size and
divergence at any point of the instrument. For this reason, a Montecarlo model of
the transmission line was elaborated using McStas software and then
experimentally validated. For the experimental validation, the spatial distribution of
neutron flux intensity at the sample position was determined.
As a result of these studies, it is proposed a design for the transmission line
based on a combination of diaphragms, collimators and neutrons guides which
would allow to reduce about one order of magnitude the times required for the
measurements.
7
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 1
Descripción de la Línea de Transmisión y sus Componentes
El Laboratorio de Neutrones y Reactores del Centro Atómico Bariloche
posee una fuente pulsada de neutrones de mediana intensidad, LINAC (Linear
Accelerator), que permite aplicar técnicas neutrónicas para estudiar distintos
sistemas físicos. En este capítulo se describen sus componentes, poniendo
especial énfasis en el tubo de vuelo de transmisión y en los experimentos que
se llevan a cabo en el mismo, como también en las técnicas utilizadas en dicho
laboratorio.
En este trabajo se utilizaron las abreviaturas que se exponen en la tabla
siguiente:
Tabla 1.1: Abreviaturas
Abreviaturas
LINAC
TDV
TDV1
TDV2
STDV1
ETDV2
PSD
Significado
Linear Accelerator
Tiempo de Vuelo
Tubo de Vuelo 1
Tubo de Vuelo 2
Salida del Tubo de Vuelo 1
Entrada del Tubo de Vuelo 2
Monitor de Posición
1.1 Descripción general de las instalaciones
El recinto destinado a la producción de neutrones (búnker) está blindado
por una pared de hormigón de un metro de espesor en los laterales y de dos
metros en la parte frontal de la misma. Existen dos tubos (oblicuo y transversal)
a través de los cuales los neutrones son extraídos del búnker para su
utilización. Ver recinto en Figura 1.1. El tubo transversal (perpendicular a la
pared de hormigón), se utiliza para experimentos de transmisión y el tubo
oblicuo para experimentos de dispersión.
8
Ing. Sandra Ramírez
.Figura1.1: Esquema general de las instalaciones
El tubo de vuelo de transmisión consta de dos tramos: el primero o TDV1
de unos 3 metros de longitud, se inicia a la salida de la fuente y termina en una
brida saliente al otro lado de la pared de hormigón; a continuación y luego de
una abertura de 0,195 m (lugar donde se ubican las muestras en estudio) se
inicia el segundo tramo o TDV2, con una longitud de unos 4,5 m que finaliza en
la posición de los detectores.
1.2 Propiedades de los neutrones
Debido a que el neutrón posee carga neutra, éste puede penetrar
profundamente la materia sin ser afectado por la barrera coulombiana, siendo
dispersado principalmente por fuerzas nucleares [19], [20]. Debido a estas
propiedades específicas los neutrones pueden revelar información del sistema en
estudio, difícilmente accesible mediante otras técnicas de investigación. A
diferencia de los rayos X y los electrones, los neutrones no interactúan con la
nube electrónica de los átomos del material sino con sus núcleos. De allí sus
9
Ing. Sandra Ramírez
ventajas de ser utilizado para estudiar las propiedades estructurales, dinámicas y
magnéticas de la materia condensada, y en numerosas aplicaciones en diversas
áreas de la ciencia. Por consiguiente, es importante contar con fuentes de
neutrones, de las cuales se pueda controlar como variable la longitud de onda de
los neutrones emitidos.
1.3 Experimentos de Transmisión
Esta técnica constituye una herramienta poderosa para el estudio de la
materia condensada, debido al gran poder de penetración de los neutrones. Si un
haz de neutrones térmicos atraviesa una muestra, un estudio sobre la transmisión
de neutrones, puede proporcionarnos información relevante del material de la
muestra.
En el Laboratorio de Neutrones y Reactores del Centro Atómico Bariloche,
los experimentos que se realizan en la línea de transmisión consisten en:
Determinación y evaluación de secciones eficaces totales [1], [2], [3].
Caracterización de materiales [4], [5].
Determinación de los bordes de Bragg para definir a partir de ellos
distancias interplanares y parámetros de red [6], [7], [8] (ver
explicación con más detalles en el Capítulo 3).
1.3.1. Fundamentos del experimento
Cada neutrón que incide
sobre una muestra puede experimentar los
siguientes procesos: scattering coherente (difracción), scattering incoherente, ser
absorbido o transmitido. Si un haz colimado de neutrones de energía E 0 e
intensidad I 0 , incide normalmente sobre la superficie de una muestra de espesor
dx y densidad de dispersores n , el número de eventos por unidad de área que se
producen por unidad de tiempo es:
dI = − n Iσ ( E 0 )dx
(3.1)
10
Ing. Sandra Ramírez
Donde σ ( E0 ) es la sección eficaz total de la muestra para la energía E 0 .
Considerando un espesor finito d , el número de neutrones que atraviesa la
muestra se obtiene integrando la expresión anterior y adopta la siguiente forma:
I = I0 e
− n dσ ( E0 )
(3.2)
Donde I es la intensidad de los neutrones transmitidos. Si se define la
transmisión Tr como el cociente entre I e I 0 , la misma queda definida como:
Tr (E 0 ) =
I
− n d σ ( E0 )
=e
I0
(3.3)
Esta técnica se utiliza por ejemplo para medir secciones eficaces totales,
utilizando la expresión:
σ (E 0 ) = −
I
nd
ln (Tr (E0 ))
(3.4)
En el esquema que muestra la Figura 1.2 se observan el haz incidente y el
haz transmitido. El primero es el que viene de la fuente e incide sobre la muestra;
el segundo es el que llega a los detectores luego de atravesar la muestra (es decir
que está formado por los neutrones que no han interactuado con ella).
Figura 1.2: Esquema de un Experimento de Transmisión
11
Ing. Sandra Ramírez
Empleando la técnica de tiempo de vuelo (TDV) es posible determinar el
espectro de energías de los neutrones que llegan a los detectores, empleando el
método de sample in – sample out, que consiste en realizar mediciones cortas de
los espectros con y sin muestra interpuesta en el haz de neutrones, denominados
espectro de muestra y espectro de tubo libre, respectivamente. De este modo, se
puede minimizar el error asociado a variaciones en la producción de neutrones de
la fuente. En la práctica, se efectúan tres mediciones de la intensidad del haz de
neutrones:
1- Con el cambiamuestras tapado, es decir, utilizando un material que evita
el pasaje del haz de neutrones; de este modo se puede medir el background o
espectro de fondo: ϕ bg (E 0 )
2- Con muestra; interpuesta al haz: ϕ m (E 0 )
3- Sin muestra o con tubo libre: ϕ tl (E 0 )
A los espectros obtenidos en los casos 2 y 3 se les resta el espectro de
fondo y la transmisión se calcula como:
Tr (E 0 ) =
I ϕ m (E 0 ) − ϕ bg (E 0 )
=
I 0 ϕ tl (E 0 ) − ϕ bg (E 0 )
Cabe aclarar que los resultados de este trabajo podrán ser aplicables a los
experimentos
de
transmisión;
sin
embargo
en
nuestras
verificaciones
experimentales no se utilizó esta técnica debido a que nuestro objetivo era
determinar las características del flujo neutrónico incidente (la justificación se
encuentra en el Capítulo 4 referido a la validación de los resultados). La técnica
de tiempo de vuelo sí fue aplicada, y se explica a continuación.
1.4 Componentes de la óptica neutrónica de la línea de transmisión
Los componentes de la óptica neutrónica del tubo de vuelo de transmisión
del LINAC, son: fuente de neutrones, colimador, slits y un banco de siete
detectores de 3He. La Figura 1.3 muestra una representación esquemática de la
línea de transmisión que permite apreciar la disposición general de cada uno de
12
Ing. Sandra Ramírez
ellos. Una representación detallada de la línea de transmisión se presenta en el
Apéndice 1.
Fuente
Figura 1.3: Esquema de la óptica neutrónica
1.4.1 Fuente de neutrones
Los electrones son acelerados en el LINAC mediante una microonda hasta
una energía máxima de 25 MeV. Los pulsos de electrones tienen una duración de
aproximadamente 1µseg, y la frecuencia de repetición puede variarse de acuerdo
con los requerimientos del experimento hasta 100 pulsos por segundo. El haz de
electrones acelerados incide sobre un blanco de plomo, en el que se produce
radiación de frenamiento (bremsstrahlung) que provoca la extracción de
neutrones por reacción nuclear (γ,n) con los núcleos de plomo. Estos neutrones
generados tienen un espectro de alta energía (son rápidos), y para moderarlos, es
decir para disminuir su energía hasta el rango térmico (~0.0253 eV), se los hace
interactuar con un medio hidrogenado (polietileno), en el cual alcanzan el
equilibrio térmico debido principalmente, a colisiones con los átomos de
hidrógeno.
13
Ing. Sandra Ramírez
Figura 1.4: Fuente de neutrones
En la Figura 1.4 se observa la fuente de neutrones en un recinto circular de
doble pared lateral de aluminio que contiene agua, y recubierto por cadmio. Este
recinto actúa como blindaje para los neutrones rápidos y como reflector para los
térmicos.
A la salida del moderador el espectro de energías responde a una
distribución Maxwelliana centrada en un valor próximo a la temperatura del
moderador, y una componente epitérmica inversamente proporcional a la energía
del neutrón, proveniente de los neutrones que no fueron termalizados [9].
1.4.2 Colimador
Consiste en un tubo de 43 cm de longitud, 10 cm de diámetro exterior y
2,54 cm de diámetro interior. Se encuentra ubicado en la parte interior del extremo
final del TDV1. Este componente incide en la divergencia del haz de neutrones,
debido a que limita la apertura del haz. Contribuye entonces a disminuir la
divergencia. Está constituido por una mezcla de parafina borada y virutas de
plomo, con la finalidad de limitar el paso de cualquier rayo de neutrón del haz que
exceda los límites de su dimensión interior, de modo de ser absorbido en sus
paredes. Ver Figura 1.5.
14
Ing. Sandra Ramírez
Figura 1.5: Colimador
1.4.3 Slits
Un slit es físicamente un diafragma fijo que limita la abertura del haz de
neutrones. Existen tres dispuestos interiormente a lo largo del tubo TDV2 de
transmisión; el primero de ellos ubicado en la parte inicial y dos restantes en la
parte final del mismo. Son circulares, con un diámetro interior de 12,5 cm; un
diámetro exterior de 30,6 cm que coincide con el diámetro interior del tubo de
vuelo 2, y un espesor de 18 cm el primero y 16,7 cm los dos restantes. Ver
esquema en Figura 1.6. Están constituidos exteriormente por una lámina de
hierro, e interiormente por ácido bórico y parafina.
Figura 1.6: Slit circular
15
Ing. Sandra Ramírez
Se considera que son opacos a los neutrones que inciden en él; es decir
que sólo dejan pasar los que pueden atravesar su diámetro interior. El espesor
que tienen, también les permite comportarse como pequeños colimadores.
1.4.4 Detectores
Los neutrones son detectados mediante reacciones intermedias, las cuales
liberan una energía mayor a la energía del neutrón incidente. El banco de
detectores está integrado por siete tubos de acero de 2,54 cm de diámetro y
15,24 cm de longitud efectiva de detección. Están
rellenos con 3He a 10
atmósferas de presión a temperatura ambiente. Cada tubo posee un filamento
axial, y en régimen de trabajo se establece entre éste y el tubo de acero una
diferencia de potencial de 1300 voltios. Más detalles de la técnica de detección
serán descriptos en el capítulo 3.
Figura 1.7: Esquema del banco de 7 detectores de 3He y la disposición de los mismos en
el interior.
16
Ing. Sandra Ramírez
Figura 1.8: Banco de detectores a la STDV2.
Figura 1.9: Banco de detectores – Vista en planta
En las Figura 1.7 se aprecia un esquema interior del banco de detectores y
en las Figuras 1.8 y 1.9 se observa dicho banco a la salida del tubo de vuelo.
17
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 2
Simulaciones – Modelo McStas
En este capítulo se describe la herramienta utilizada para construir el
modelo y se detallan cada uno de los elementos del mismo. El objetivo fue
modelar cada uno de los componentes de la óptica neutrónica que posee el
LINAC actualmente en la línea de transmisión a fin de optimizarla, y
posteriormente proponer la incorporación de un nuevo dispositivo.
2.1 Descripción de McStas
Trabajamos con el software McStas [10] para optimizar el diseño de la
óptica de la línea de transmisión.
El paquete está siendo desarrollado y apoyado por el Laboratorio Nacional
Risø de Dinamarca y el Instituto Laue Langevin (ILL) de Francia.
Las simulaciones pueden utilizarse para optimizar el uso de los equipos
existentes; diseño de nueva instrumentación y llevar a cabo experimentos
virtuales.
McStas es una herramienta rápida y versátil que utiliza el Método de Monte
Carlo para simular las trayectorias de los neutrones desde que son generados en
la fuente hasta que son registrados por el detector. Esta técnica se caracteriza por
seguir el recorrido de cada neutrón desde su generación.
El método de Monte Carlo implica técnicas que permiten obtener
soluciones de problemas matemáticos o físicos por medio de pruebas aleatorias
repetidas. Básicamente es una técnica de muestreo artificial, empleada para
simular numéricamente sistemas complejos que tengan componentes aleatorios o
determinísticos, manteniendo tanto la entrada como la salida un cierto grado de
incerteza estadística. En Investigación Operativa, es utilizado con fines
experimentales, es decir se pueden elaborar distintos modelos e ir intercambiando
18
Ing. Sandra Ramírez
parámetros para estudiar cuáles son los posibles resultados. Las variables de
decisión constituyen las entradas del mismo; el modelo simulado propuesto
evalúa distintas alternativas para un conjunto particular de soluciones.
McStas está basado en un proceso de compilación automática eficiente
con código ANSI-C. Abarca las diversas formas de compilar y ejecutar
simulaciones. Incluye una biblioteca de componentes estándar con un total de
alrededor de 100 componentes. Éstos permiten simular todo tipo de instrumentos
de dispersión de neutrones: fuente, moderador, ranuras o slits, colimadores,
monitores, filtros, espejos, obturadores y monocromadores. Cada uno de estos
elementos modifica las características del haz [11].
2.2 Proceso de Simulación
En una primera instancia elegimos en McStas cada uno de los elementos
estándar de la biblioteca, que representaban los componentes de la óptica
neutrónica que posee actualmente el LINAC.
En una segunda instancia, para realizar un experimento virtual (o
simulación) con la guía de neutrones, se eligieron distintas configuraciones con
estos elementos componentes a fin de determinar la más apropiada. Esta etapa
será explicada particularmente en el Capítulo 5 de este trabajo.
Se tomó por convención un sistema de ejes ortogonales: el eje “z” en
coincidencia con el eje del tubo de vuelo del LINAC, es decir, a lo largo del eje de
propagación del neutrón; el eje “y” vertical hacia arriba; y el eje “x” horizontal y
normal al anterior, de modo de conformar una terna derecha. Ver ejemplo en
Figura 2.1, en la que se observan también los rayos de neutrones salientes de la
fuente.
19
Ing. Sandra Ramírez
Figura 2.1: Ejemplo de simulación de rayos de neutrones que parten de la fuente y
sistema de referencia.
A continuación se exponen las características principales de cada uno de
los componentes de la biblioteca utilizados particularmente en este trabajo.
2.2.1 Fuente de neutrones
Por simplificación elegimos, dentro de las opciones que brinda el software,
una fuente de neutrones de sección circular, definida por un radio r de 9,5 cm que
emite isotrópicamente en un ángulo de 4π. A fin de agilizar los cálculos, se definió
un ángulo sólido dentro del cual estarán contenidos los neutrones considerados
en el proceso. Los parámetros que lo definen son: las dimensiones del blanco (xw,
yh) y la distancia d entre éste y la fuente (a lo largo del eje z). Dicho ángulo sólido
fue seleccionado oportunamente de acuerdo con el caso simulado, es decir,
dependiendo de si estaba presente o no la guía de neutrones (tema que se
describirá en el Capítulo 5 de este trabajo). El blanco es la porción de la superficie
esférica que se considera. Ver Figura 2.2.
20
Ing. Sandra Ramírez
Fuente
Ángulo sólido
Blanco
yh
d
xw
Figura 2.2: Ángulo sólido subtendido por el blanco
La fuente presenta una distribución de energías uniforme en forma de
escalón centrada en E=25 meV, y con un diferencial dE=5 meV, energía
correspondiente con la media de los neutrones térmicos. Las simulaciones en las
que consideramos guías de neutrones, las realizamos con un escalón de energía
centrado en E=1.8 meV y un dE=0.2 meV, debido a que en esos casos nos
interesan más los neutrones sub-térmicos, pues es esperable que los cortes de
Bragg estén mejor definidos a bajas energías. A partir de dichos bordes se puede
inferir la separación dhkl entre los planos cristalinos de una muestra de interés (ver
explicación de estos bordes en el capítulo 3). A continuación se resumen los
parámetros utilizados:
Tabla 2.1: Parámetros de la fuente
Parámetros
Sin guía
Con guía
r (m)
0.094
0.094
xw (m)
0.10
0.10
yh (m)
0.10
0.10
d (m)
3.45
0.21
E (meV)
25
1.8
McStas elige aleatoriamente los neutrones generados en la superficie de la
fuente con una distribución de probabilidad uniforme. Ver esquema de la fuente
en la Figura 2.3.
21
Ing. Sandra Ramírez
Y
Rayos de neutrones
Fuente
Z
X
Figura 2.3: Esquema de una fuente de neutrones circular emitiendo eventos de
neutrones en forma aleatoria.
Dado que en muchos instrumentos, sólo una pequeña fracción de los
neutrones iniciales será detectada, y por lo tanto, se desperdiciaría mucho tiempo
en seguir las historias de todos los neutrones, a fin de darle velocidad al cálculo,
el software introduce un factor de peso para cada rayo de neutrón simulado y
ajusta ese peso, de acuerdo con el recorrido del rayo. En la interacción con cada
elemento se produce una actualización de dicho factor a fin de simular la realidad
física del problema lo mejor posible. De este modo, se descartarán en el proceso
los rayos que tengan poco peso, o poca probabilidad de llegar a los detectores.
Sea el peso inicial de neutrones p0, y denominando al factor de peso de la
j-ésima componente como πj, el factor de peso resultante del rayo del neutrón,
luego de pasar por todas las instancias, queda como el producto de todas las
contribuciones:
n
p = pn = p0 ∏ π j
j =1
Una vez generados, les asigna un factor de ponderación que es función del
flujo, del área de la fuente y del ángulo sólido. En nuestro caso le asignamos un
valor arbitrario al flujo Φ=1E+08 (1/cm2*st*Å), ya que todas las simulaciones
fueron realizadas con valores relativos, a fin de hacer comparaciones con los
22
Ing. Sandra Ramírez
resultados obtenidos con cada opción, los que posteriormente fueron validados. El
número de historias de neutrones adoptado en todas las simulaciones realizadas
fue siempre el mismo: N=1E+09, a fin de que fueran estadísticamente
comparables.
Nota: cabe aclarar que se simuló una fuente circular, sin embargo el
moderador que existe realmente en el LINAC es rectangular; no obstante la
simplificación elegida, el resultado no se alejaría mucho de la realidad ya que
dicho moderador está en contacto con un primer slit que es circular, por lo que la
elección de una fuente circular es razonable. Ver Figura 2.4.
Slit circular
Moderador
Figura 2.4: Moderador rectangular en contacto con el slit circular
2.2.2 Slits
Es un componente de construcción
simple; consiste en una ranura o
abertura en un plano. Los neutrones que pasan a través de la de la abertura no se
ven afectados, mientras que los restantes son absorbidos. Los parámetros de
entrada de la ranura, dependen de si es circular o rectangular. Para la primera se
especifica el o los radios (interno y externo) en el plano z=0 y centrado en el
origen; para la segunda se establecen mediante el ingreso de coordenadas, es
decir, los valores extremos de xmín, xmáx, ymín, ymáx. En nuestro caso los
parámetros son los diámetros interior y exterior, y el espesor. Ver ejemplo en
Figura 2.5.
23
Ing. Sandra Ramírez
Figura 2.5: Slit circular y sus parámetros
2.2.3 Colimador
El programa de simulación posee un modelo de colimador de sección
rectangular; sin embargo, como el que posee el LINAC es de sección circular, lo
reproducimos con dos slits de sección circular consecutivos (Φe=10 cm; Φi=2,54
cm), separados por una distancia igual a su longitud l=43 cm (este componente se
describió en la sección 1.4.2).
2.2.4 Monitores de Posición PSD
Los resultados de las simulaciones pueden explorarse mediante la
colocación de monitores en distintas secciones del tubo de vuelo de transmisión.
El monitor PSD (por Position Sensitive Detector, sus siglas en inglés) es un
componente que permite conocer la intensidad de los neutrones (es decir, el
número de neutrones o cuentas) que llegan a él, a una determinada longitud a
partir de su generación. Estos monitores constan de una superficie, normal al eje
z, dividida en n x m píxeles.
Los parámetros de dimensiones y cantidad de
píxeles se definen en función de los requerimientos. Ver Figura 2.6.
24
Ing. Sandra Ramírez
Y
píxel
X
Z
Y height
X width
Figura 2.6: Esquema de un monitor PSD
Las observaciones registradas en los monitores fueron exploradas
mediante interfaz gráfica desarrollada en Matlab [12]. A continuación, en la Figura
2.7 mostramos un ejemplo de la imagen y la información proporcionada por un
Y position [cm]
detector de posición.
6
60
4
50
2
40
0
30
-2
20
-4
10
-6
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
0
Figura 2.7: Ejemplo de un gráfico del monitor PSD
En el gráfico del ejemplo observamos un haz circular con intensidad mayor
en la parte central del mismo y que se va atenuando radialmente. Los círculos
25
Ing. Sandra Ramírez
concéntricos muestran intensidades decrecientes. Para obtener la cantidad total
de neutrones que llegaron al monitor debe integrarse la matriz de las cuentas de
neutrones que alcanzaron a cada píxel.
En todas las simulaciones realizadas; es decir para cada una de las
opciones elegidas de configuración de la óptica neutrónica, se ubicaron 9
monitores PSD en lugares característicos de interés: a la STDV1 a la ETDV2,
antes y después de cada uno de los 3 slits que existen en el LINAC y finalmente
en la posición donde se encuentran actualmente los detectores de 3He. Todos
ellos con las mismas dimensiones: sección de 15 cm x 15 cm y 100 píxeles en
cada dimensión.
2.2.5 Monitor de Divergencia
Este monitor muestra la divergencia en X y en Y, dada en grados de
apartamiento de la dirección del rayo del neutrón respecto de la dirección Z
(coincidente con el eje del tubo de vuelo de transmisión). Este parámetro es
importante pues nos proporciona una idea acerca de cuántas direcciones distintas
de rayos de neutrones aparecen en el haz. Ver Figura 2.8.
Y
píxel
divergencia Y (grados)
2
X
1
Z
0
-1
2
-2
0
-1
-2
ia X
genc
diver
1
(grad
os)
Figura 2.8: Esquema de un monitor de divergencia
26
Ing. Sandra Ramírez
La situación ideal es que la divergencia sea lo menor posible (dado que
aporta una incerteza en la definición del tiempo en un espectro de tiempo de
vuelo); si fuera cero, el rayo tendría la dirección del eje del tubo de vuelo o sería
paralela a él. Su ubicación se eligió cercana a la posición en la que se colocan las
muestras, porque es de especial interés conocer la divergencia en ese lugar.
X0=-2.1007e-005; dX=0.456443; Y0=2.01148e-005; dY=0.456365;
300
1
Y divergence [deg]
250
0.5
200
0
150
100
-0.5
50
-1
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
X divergence [deg]
1
1.5
Figura 2.9: Ejemplo de un gráfico del monitor de divergencia
En la Figura 2.9 mostramos un ejemplo de la imagen y la información
proporcionada por un monitor de divergencia. Observamos un haz circular
simétrico con intensidad mayor en la parte central del mismo que se va atenuando
radialmente; sin embargo, no se trata de un gráfico espacial como el caso del
monitor PSD, sino que tanto en abscisa como en ordenada indica la divergencia
en X y en Y respectivamente, y en una matriz resultante las cuentas (o intensidad)
correspondientes a cada píxel. Para obtener la cantidad de neutrones que
llegaron al monitor debe integrarse dicha matriz.
Podemos complementar el gráfico anterior con otros dos (Figuras 2.10 y
2.11) que muestran un corte espacial en coincidencia con el centro del círculo en
X y en Y respectivamente.
27
Ing. Sandra Ramírez
Cuentas
350
300
250
200
150
100
50
0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
cm
Figura 2.10: Divergencia en X, en correspondencia con el diámetro horizontal
Cuentas
350
300
250
200
150
100
50
0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
cm
Figura 2.11: Divergencia en Y, en correspondencia con el diámetro vertical.
En este ejemplo se puede apreciar que las divergencias son iguales en ambos
sentidos, sin embargo es un caso particular que no siempre ocurre, como podrá
apreciarse en resultados expuestos en otro capítulo del presente trabajo. La
divergencia del haz en los planos X e Y puede cuantificarse por el ancho de estas
distribuciones.
28
Ing. Sandra Ramírez
En todas las simulaciones realizadas, la posición del monitor de
divergencia fue única y estaba en correspondencia con la ubicación de la ETDV2.
Para definir las dimensiones del monitor de divergencia en la simulación, se
eligieron como parámetros: una divergencia máxima de ±3° y 60 píxeles en cada
dimensión, pues consideramos que ese límite era suficiente para nuestro trabajo,
de hecho todos los resultados obtenidos mostraron estar por debajo de esa
marca.
2.2.6 Detectores
En correspondencia con la ubicación de los detectores se utilizó un monitor
de posición, que cumple la misma función. El objetivo fue determinar la cantidad o
el porcentaje de neutrones generados que llegan al banco de detectores.
Aclaramos que no tuvimos en cuenta la consideración de la eficiencia, por no ser
una magnitud variable en este trabajo. Además para los neutrones térmicos y
subtérmicos de interés a este trabajo, la eficiencia de los detectores es muy
cercana a la unidad [13].
Los monitores se diferencian de un detector, por la condición de que no
tienen en cuenta la eficiencia en la detección. Sin embargo, cabe aclarar que el
software de simulación McStas no hace distinción alguna entre detectores y
monitores. En nuestro caso y para la finalidad del trabajo en esta instancia, no fue
necesario considerar la eficiencia, por lo que nos valemos de esta herramienta
para conocer la cantidad de neutrones que llegan a cada posición donde
ubicamos un monitor o el banco de detectores indistintamente.
De este modo pudimos también evaluar la evolución del haz (variación en
la cantidad de neutrones y forma) en su avance a lo largo del tubo de vuelo de
transmisión y luego de atravesar los distintos componentes de la óptica
neutrónica.
29
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 3
Técnicas Experimentales
En este capítulo se describen todos los mecanismos utilizados para
conocer las características del perfil de un haz de neutrones térmicos. Nuestro
interés se centró principalmente en su intensidad, divergencia, y tamaño.
Tradicionalmente se han estudiado en el laboratorio muestras cilíndricas; y
existe un interés en poder analizar también muestras de distintas geometrías;
como ser chapas o probetas utilizadas ensayos de tracción. Ver Figura 3.1.
Figura 3.1: Fotografía de una muestra circular y rectangular
3.1 Parámetros que se requieren conocer en el lugar de ubicación de la
muestra.
En la Figura 3.2 se muestra el sector comprendido entre la salida del tubo
de vuelo 1 (STDV1) y la entrada del tubo de vuelo 2 (ETDV2), donde se coloca el
cambiamuestras. De allí el interés en evaluar en esta zona la variación de la
intensidad del flujo de neutrones térmicos.
30
Ing. Sandra Ramírez
ETDV2
STDV1
TDV2
Figura 3.2: Zona comprendida entre la STDV1 y la ETDV2 donde se ubica el
cambiamuestras
En un experimento de transmisión, y especialmente en esta zona, nos
interesa conocer:
1) El perfil de intensidad del haz de neutrones que llega a la muestra.
2) La divergencia; es decir cuántos neutrones pasan en cada posible
dirección.
Estas características son importantes porque definen la calidad del haz a
fines experimentales. Si el haz es intenso, significa que se dispone de muchos
neutrones y esto minimiza los tiempos de duración de las mediciones; cuando la
divergencia es pequeña tendremos como dirección predominante la que coincide
con el eje del tubo de vuelo o eje “z”. Para determinar estas dos características se
realizaron experimentos que serán descriptos en el siguiente capítulo.
El aumento de la divergencia aporta una incerteza en la definición o
identificación del tiempo de vuelo en el que se producen los cortes de Bragg en un
espectro, por lo que es indeseable.
31
Ing. Sandra Ramírez
3.1.1 Interés en la determinación de los Bordes de Bragg
Si un haz de neutrones incide sobre una muestra, los que interactúan con
ella serán dispersados a distintos ángulos; los que no interactúan la atravesarán
constituyendo el haz transmitido, que luego llegará al banco de detectores de 3He.
Cuando la muestra presenta estructura cristalina, se observan patrones
característicos de dispersión: para ciertas longitudes de onda λ y direcciones, se
observan picos de la radiación dispersada o picos de Bragg. Estos picos
aparecerán en correspondencia con distancias interplanares características del
material. Cuando se produce este fenómeno, la transmisión disminuye. En la
figura 3.3 se muestra un esquema de la dispersión.
Figura 3.3: Ley de Bragg
Según la Ley de Bragg, se verifica que para neutrones de longitud de onda
lambda:
λ = 2 d hkl senθ
Donde:
d hkl : es la distancia interplanar.
θ : es el ángulo de incidencia del rayo del neutrón respecto de un plano con
índices de Miller hkl.
Para un monocristal, sobre el que inciden neutrones con distinta longitud
de onda, para ciertas longitudes de onda λ se verificará la Ley de Bragg. Para
32
Ing. Sandra Ramírez
una muestra policristalina en cambio, dicha ley se verificará para todas las
longitudes de onda λ < 2d hkl . De aquí se infiere que los planos cristalinos con
separación d hkl pueden dispersar neutrones que tengan longitudes de onda
menores a 2 d hkl . Por este motivo, aparece un salto en la transmisión para este
valor de longitud de onda [14].
En un experimento de transmisión la longitud de onda del neutrón es
directamente proporcional al tiempo de vuelo del mismo. Así, utilizando la técnica
de tiempo de vuelo es posible determinar de forma muy precisa la dependencia
de la transmisión de una muestra con la longitud de onda del neutrón. La posición
de los bordes de Bragg en la misma, permite definir las distancias interplanares
de la estructura cristalina que conforma el material.
La divergencia en los rayos de neutrones genera una incerteza en la
determinación precisa del borde de Bragg, al no poder definir bien el valor de λ ,
ya que la incerteza en el ángulo de Bragg θ , implica una incerteza en la longitud
de onda λ del neutrón.
3. 2 Técnicas experimentales utilizadas
3.2.1 Detectores de 3He
La detección de un neutrón se produce mediante la reacción nuclear:
3
He + n 
→ 3 H + p + 764keV . Los productos de esta reacción son partículas
cargadas que ionizan el gas, y la avalancha de electrones acelerados que va
hacia el electrodo colector genera un pulso de corriente que indica que ha incidido
un neutrón. La eficiencia de detección es función de la energía, del camino
recorrido por el neutrón dentro del detector, del ángulo de incidencia respecto del
eje del cilindro y del punto de ingreso al volumen activo del detector.
Si bien los detectores de 3He nos permiten determinar cuántos neutrones
llegaron; no tienen resolución en energía ni espacial, es decir, no nos brindan
información acerca de en qué lugar incidió el neutrón ni la energía que traía. Para
33
Ing. Sandra Ramírez
conocer la distribución en energías de un haz de neutrones, se utiliza la técnica
de tiempo de vuelo.
3.2.2 Técnica de Tiempo de Vuelo
Consiste en registrar en un espectro el número de neutrones en función
del tiempo transcurrido desde el disparo del LINAC.
Aquí radica la importancia de contar con una fuente pulsada, que genera
neutrones en forma intermitente. Si se cuenta además con otro detector
independiente (que detecta los rayos γ que se generan simultáneamente con los
neutrones, debido a la radiación de frenamiento en cada disparo del LINAC) es
posible en forma indirecta, identificar el momento preciso (t=0) en que los
neutrones son generados.
Conociendo el tiempo t que tardó el neutrón en recorrer la distancia L entre
el moderador y el banco de detectores, se determina la energía de los neutrones
transmitidos.
1 L
E n = m 
2 t
2
Donde m = 1.0453936
eV µseg 2
cm 2
es la masa del neutrón.
Existe una correlación entre la distribución en energía de los neutrones
que salen de la fuente y el tiempo que tardan en llegar a los detectores.
El espectro resultante, estará influenciado por la dirección de los rayos de
neutrones; si ésta coincide con el eje del tubo de vuelo, la distancia recorrida será
la mínima. En cambio si trae una divergencia u orientación respecto del eje “z” la
distancia será mayor y por consiguiente ese rayo sería detectado en un tiempo
posterior (para una misma energía del neutrón). He aquí otra razón para minimizar
la divergencia del haz.
34
Ing. Sandra Ramírez
3.3. Necesidad de un detector de neutrones térmicos sensible a posición.
Para resolver la falta de resolución espacial de los detectores de 3He, se
utilizó un recurso experimental constituido por una placa de cadmio con un orificio
central de 1mm de diámetro, que puede apreciarse en la Figura 3.4. Desplazando
el orificio de la misma horizontalmente, se determinó la intensidad del flujo
neutrónico para cada una de las posiciones del mismo, a lo largo del diámetro de
la STDV1.
Figura 3.4: Placa de cadmio con orificio central
También se intentó efectuar la determinación de un perfil de flujo, utilizando
una película detectora de trazas, sin embargo, no se obtuvieron resultados
satisfactorios para la baja intensidad del haz proveniente del LINAC. El trabajo
experimental realizado con esta técnica, se comenta en los Apéndices de este
trabajo.
3.3.1 ¿Por qué usamos una placa de cadmio?
Nos interesaron sólo los neutrones térmicos en cada pulso. Los neutrones
térmicos que pasaron lo hicieron sólo a través de la perforación hecha en la
lámina, y el resto de ellos fueron absorbidos por el cadmio.
35
Ing. Sandra Ramírez
. En el gráfico de la Figura 3.5 se observa la variación de la sección eficaz
de absorción del cadmio con la energía de los neutrones. A bajas energías, del
orden de las del rango térmico, la sección eficaz de absorción es alta
Los neutrones epitérmicos que llegaron al detector fueron posteriormente
discriminados por la técnica de tiempo de vuelo. A continuación, y para fines
prácticos, a la placa de cadmio con el orificio la denominamos pinhole.
Figura 3.5: Sección eficaz de absorción del Cd
Centramos nuestra atención en una brida circular terminal ubicada a la
STDV1 (se puede apreciar la brida en la Figura 4.6 del siguiente capítulo) para
hacer la determinación allí de la variación de la intensidad del flujo de los
neutrones térmicos; elegimos el diámetro de la brida coincidente con la dirección
“x”, normal al eje del TDV1. Se eligió este lugar precisamente porque es contiguo
a la posición habitual del cambiamuestras, y además por ser fácilmente accesible
desde el punto de vista experimental.
En el laboratorio se disponen de dos cambiamuestras; uno de cuatro y el
otro de dos posiciones, para los experimentos de transmisión. Permiten alojar las
36
Ing. Sandra Ramírez
muestras estándar circulares. No obstante en ese mismo lugar, donde existe una
distancia de 19,5 cm entre la STDV1 y la ETDV2 se colocarán las muestras
alargadas, que desean estudiarse a futuro.
3.4 Procesamiento de datos
La producción de neutrones sufre fluctuaciones a lo largo de una
medición. Teniendo en cuenta este hecho, se normalizaron todos los espectros
con el número de cuentas M registrado por el detector utilizado como monitor
que se encuentra en una sala contigua al búnker (llamada habitualmente sala
intermedia).
3.5 Electrónica de adquisición
En este apartado se explican brevemente las instancias por la que pasa el
pulso de corriente generado en los detectores cuando incide un neutrón hasta
convertirse, luego de atravesar toda la electrónica ubicada en la sala tomadatos,
en un dato cierto. Debe ser amplificado, discriminado y conformado. Se
identificaron en este proceso 3 señales provenientes de distintos detectores
ubicados en lugares diferentes:
1ª Señal: Proveniente de los detectores de 3He (se genera en sala de
medición).
2ª Señal: Proveniente del detector de γ–flash (ubicado dentro del recinto
del búnker que identifica el instante t=0 de cada pulso del LINAC).
3ª Señal: Proveniente de un detector 3He, utilizado de monitor de control
(situado en sala intermedia).
Las señales 1ª y 3ª, provenientes de los detectores de 3He pasaron (cada
una en forma independiente) primero por un pre-amplificador TENELEC TC 174.
Para los detectores usamos una fuente de alta tensión marca CANBERRA y se les
entregaron 1300 Voltios. Como fuente del pre-amplificador se utilizó la salida
37
Ing. Sandra Ramírez
trasera de un amplificador ORTEC Model 450. La señal proveniente del
amplificador fue conducida por un cable hasta un amplificador situado en la sala
de control; allí y luego de amplificada pasó por un discriminador (TSCA) que
permite descartar los pulsos que resultan del ruido electrónico o de procesos de
interacción gamma.
El pulso lógico obtenido pasa luego por un codificador de tiempo de vuelo
(MCS) que construye el espectro. Para hacerlo utiliza como referencia la señal
Start proporcionada por el γ-flash (luego del proceso que a continuación se
describe).
La 2ª señal proveniente del γ-flash incide sobre un tubo fotomultiplicador
que posee su propio pre-amplificador. Se emite una señal en correspondencia con
el instante en que la fuente inicia la emisión de neutrones. La señal es conducida
luego a la sala de control donde es amplificada y luego conformada. El
conformador transforma la señal analógica inicial en pulsos lógicos que luego
pasan el codificador de tiempo de vuelo (MCS) para que a partir del t=0 se genere
el espectro correspondiente.
Todas las señales 1ª, 2ª y 3ª ingresan a contadores o escalímetros que
muestran, en cada caso, el número de pulsos registrados. Las cuentas
provenientes de la 3ª señal sirven como parámetro de comparación para evaluar
posibles fluctuaciones en la producción de neutrones del LINAC. En nuestros
experimentos, que se describirán en el próximo capítulo de este trabajo,
trabajamos con:
Frecuencia de pulsado del LINAC: 100 disparos/seg; es decir una
ventana de tiempo entre disparos de 10 mseg.
Intervalos de medición de datos: cada 5 min.
Cantidad de canales utilizados en la PC = 4.096 con un ancho
temporal de 2µseg.
38
Ing. Sandra Ramírez
En la Figura 3.6 se observa el esquema de la electrónica de adquisición.
Figura 3.6: Esquema de la electrónica de adquisición
39
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 4
Validación
En este capitulo se presenta un modelo detallado en McStas de la línea de
transmisión del Laboratorio de Neutrones y Reactores. El modelo es validado
experimentalmente mediante experimentos destinados a describir el perfil del haz
de neutrones en distintas posiciones de la línea de transmisión. Para esto se
explican los experimentos realizados aplicando las técnicas descriptas en el
capítulo anterior. Luego efectuamos una comparación entre los resultados
experimentales y las simulaciones para las que se utilizó el software McStas, a fin
de obtener una constante de ajuste y validarlas. Para ello, en las simulaciones se
procuraron reproducir cada uno los componentes de la óptica neutrónica con los
cuales se realizaron los experimentos.
4.1 Modelo en CAD
Como guía para la elaboración del modelo McStas se realizó un gráfico a
escala, en un programa de CAD compatible con Autocad [15], de un corte
longitudinal del LINAC con todos los elementos componentes existentes
actualmente
en
la
línea
de
transmisión,
y las
distintas
opciones
de
configuraciones que se estudiaron como posibles o convenientes. A través de
esta herramienta gráfica se lograron hacer algunas aproximaciones gruesas en
cuanto a divergencias extremas esperables (mediante la proyección de rayos).
También se pudieron determinar a escala, distancias necesarias para ser
introducidas como datos en el programa McStas. Se definieron las distancias
desde las posiciones claves que se eligieron para ubicar los monitores, respecto
de la fuente. En el esquema del Anexo I se observan
los componentes de la
línea de transmisión: la fuente con el moderador, a continuación el TDV1 con el
colimador al final; luego el TDV2 con un slit al principio y dos al final. En el recinto
circular se observa en color verde el moderador en posición oblicua como se
hallaba en el momento de realizar los experimentos; y en verde con sombreado
interior el moderador en posición perpendicular al TDV1 (como se utilizó en las
simulaciones por cuestión de simplicidad). Se muestran las distancias principales
40
Ing. Sandra Ramírez
en centímetros. Cada uno de los slits que se encuentran dentro del TDV2, debido
a que tienen una cierta longitud, y funcionan también como pequeños
colimadores, están definidos por una sección de entrada y otra de salida que son
iguales. En el extremo de la línea, se ve la ubicación de los detectores.
4.2 Configuraciones experimentales y simulaciones
Con el objeto de determinar el perfil del haz de neutrones a la SDTV1, se
realizaron experimentos que serán descriptos a continuación. Éstos fueron
posteriormente modelados y contrastados. Consistieron esencialmente en la
determinación del perfil de intensidad del haz de neutrones en la posición de la
línea de transmisión donde usualmente se ubican las muestras, es decir entre
STDV1 y la ETDV2. Para la determinación se utilizo la técnica del pinhole de
cadmio descripta en la sección 3.3. A continuación se describen las dos
configuraciones analizadas.
4.2.1 Configuración con el haz circular
En la Figura 4.1 se observa un esquema de la disposición. La componente
óptica que define la forma y tamaño del haz es el colimador, que según se explicó
en el capítulo 1, está ubicado a la STDV1, tiene un diámetro interior de 2,5 cm y
una longitud de 43 cm. Este haz es tradicionalmente utilizado en experimentos de
transmisión con el cambiamuestras rotatorio, es decir, utilizando muestras
circulares con un diámetro de 2,54 cm (1”). Como puede observarse en el mismo
gráfico, el extremo del colimador no hace tope con la brida a la STDV1; debido a
una razón constructiva existe una distancia de 6,8 cm.
En experimento que a continuación se describe, fue evaluado en la
posición de la línea de medición 1 que coincide con la STDV1. En la Figura 3.1
del capítulo 3 observamos la placa de cadmio con el orificio (pinhole), montada
sobre una regla graduada móvil que permite modificar su posición. El orificio se
hizo coincidir inicialmente con el centro del diámetro del círculo de la brida y luego
se lo desplazó lateralmente a derecha e izquierda con pasos de 2 mm de
41
Ing. Sandra Ramírez
separación hasta recorrer la dimensión completa. La medición, para cada posición
en la que se colocó el orificio, tuvo una duración de 5 minutos.
3
t
i
l
S
4
t
i
l
S
1
N
Ó
I
C
I
D
E
M
E
D
A
E
N
I
L
2
N
Ó
I
C
I
D
E
M
E
D
A
E
N
I
L
6
t
i
l
S
7
t
i
l
S
Figura 4.1: Esquema de la línea de transmisión con la configuración del haz
circular (dimensiones en cm)
4.2.1.1 Evaluación del haz circular en la línea de medición 1
En el gráfico que se observa en la Figura 4.2 se comparan la curva
experimental y la del modelo, obtenidas para este caso. Se aprecia una leve
asimetría a la derecha (ver posibles causas en la página 49), y el haz de
neutrones tiene un ancho de unos 3 cm. Se logra un ajuste aceptable. La Figura
4.3 muestra la imagen del PSD que grafica una matriz de cuentas de neutrones
(con una gama de intensidades como puede apreciarse en los colores). La curva
modelo, fue obtenida a partir de dicha matriz, con los datos correspondientes al
diámetro horizontal del círculo del haz (donde y=0). Mediante una interpolación se
42
Ing. Sandra Ramírez
consideraron únicamente las cuentas de neutrones del modelo para los valores
de xmod (valores de abscisa x de la curva modelo), que fueron elegidos
intencionalmente iguales a xexp (valores de abscisa x con los que se hicieron los
experimentos), a fin de que ambas curvas: modelo y experimental fueran
comparables con la mismos valores de abscisa.
4
x 10
Experim
Modelo
2
Cuentas
1.5
1
0.5
0
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
cm
0.5
1
1.5
2
2.5
Figura 4.2: Comparación curvas experimental y modelo para la variante: pinhole en la
línea de medición 1
X0=-9.0972e-005; dX=0.630896; Y0=0.00016274; dY=0.630935;
2
1.5
100
1
Y position [c m ]
80
0.5
60
0
-0.5
40
-1
20
-1.5
-2
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
X position [cm]
1
1.5
2
0
Figura 4.3: Monitor de posición que muestra en el modelo del haz completo con el PSD
en la línea de medición 1.
43
Ing. Sandra Ramírez
4.2.2 Configuración con el haz rectangular
Este experimento tuvo por finalidad estudiar el efecto de la divergencia del
haz sobre el perfil. Para esto se determinó la variación de intensidad del haz a lo
largo de la línea 1 y de la línea 2, ubicada a 19.5 cm de la línea 1 y paralela a la
misma. El haz rectangular se conformó interponiendo una rendija en la STDV1.
La rendija consistió en otra placa de cadmio circular que encastraba justo
con el círculo terminal de la STDV1 y tenía una ranura en la parte central de 14
mm de longitud x 4 mm de altura como muestra la Figura 4.4.
Figura4.4: Rendija de 14 mm x 4 mm
La utilización de una rendija con estas características tuvo por finalidad
generar un haz de neutrones con esa forma y dimensiones, compatibles con el
tipo de muestras que a futuro desean ser estudiadas en el Laboratorio de
Neutrones y Reactores (como se mencionó al principio de este trabajo, existe un
especial interés en poder ensayar muestras alargadas y de pequeña sección).
En la Figura 4.5 se observa un esquema de esta configuración. La
componente óptica que define la forma y tamaño del haz es la rendija. Los
resultados fueron evaluados en dos posiciones, denominadas respectivamente
líneas de medición 1 y 2: la primera coincide con la STDV1, y la segunda con la
ETDV2. Nuestro objetivo fue estudiar el cambio que sufría el haz entre ambas
44
Ing. Sandra Ramírez
posiciones, en cuanto a tamaño, forma y divergencia (cuánto se abría en una
distancia de 19,5 cm que es la luz existente entre ambos tubos de vuelo).
3
t
i
l
S
4
t
i
l
S
a
j
i
d
n
e
r
5
t
i
l
S
(
)
1
N
Ó
I
C
I
D
E
M
E
D
A
E
N
I
L
2
N
Ó
I
C
I
D
E
M
E
D
A
E
N
I
L
6
t
i
l
S
7
t
i
l
S
Figura 4.5: Esquema de la línea de transmisión con la configuración del haz
rectangular definido por la presencia de la rendija (dimensiones en cm).
4.2.2.1 Evaluación del haz rectangular en la línea de medición 1
Una vez colocada la rendija, según muestra la Figura 4.6, se superpuso el
pinhole en correspondencia con la línea de medición 1 y luego se hizo desplazar
el orificio hacia la derecha e izquierda hasta completar la longitud del diámetro de
12 cm con pasos de 2mm de intervalo entre cada medición, que tuvo una
duración de 5 minutos en cada posición.
En la Figura 4.7 se comparan para este caso las curvas modelo y
experimental; los resultados muestran que el haz de neutrones tiene un ancho del
orden de los 1,5 cm y la intensidad cambia abruptamente, como es de esperar, en
45
Ing. Sandra Ramírez
correspondencia con los bordes de la rendija, porque el perfil fue realizado bien
cerca de la rendija. En el caso del haz circular (Sección 4.2.1) en cambio, el perfil
fue tomado a 6,8 cm del colimador que define la forma del haz.
Figura4.6: Rendija centrada a la STDV1
4
2.5
x 10
Experim
Modelo
2
Cuentas
1.5
1
0.5
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
cm
Figura 4.7: Comparación curvas experimental y modelo para la variante: con rendija y
pinhole en la línea de medición 1.
46
Ing. Sandra Ramírez
X0=2.00732e-005; dX=0.405399; Y0=1.47099e-005; dY=0.116474;
2
1.5
100
1
Y position [cm]
80
0.5
60
0
-0.5
40
-1
20
-1.5
-2
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
X position [cm]
1
1.5
2
0
Figura 4.8: Monitor de posición PSD que muestra la forma del haz completo en la línea de
medición 1.
En la Figura 4.8 se observa la forma del haz a la STDV1 proporcionada por
el modelo; se aprecia que tiene la forma de la rendija. Como en el caso antes
descripto, la curva modelo fue extraída también a partir de los datos de cuentas
de neutrones para (y=0, es decir la parte central), para todos los valores de
abscisas xmod=xexp.
4.2.2.2 Evaluación del haz rectangular en la línea de medición 2
Este experimento tuvo por finalidad evaluar la variación del flujo neutrónico
en la línea de medición 2 (que coincide con la ETDV2, como puede observarse en
la Figura 4.5), mientras a la STDV1 se encontraba colocada la rendija.
Básicamente es igual al descripto en el punto anterior, con la diferencia de que
fue evaluado el flujo en otra posición. La disposición se observa en la Figura 4.9:
a la derecha la brida terminal del TDV1 con la rendija, y a la izquierda la brida
inicial de la ETDV2 con la placa de cadmio (pinhole) superpuesta.
47
Ing. Sandra Ramírez
Figura4.9: Placa de cadmio con orificio central a la ETDV2
La Figura 4.10 muestra el ajuste de las curvas y la Figura 4.11 la forma del
haz a la ETDV1 (en correspondencia con la línea de medición 2); si la
comparamos con la Figura 4.8 podemos apreciar que el haz original, se ha
expandido de un ancho de 1,5 cm a 2 cm. Si observamos la Figura 4.11 vemos
que en lo alto se incrementó de 0,4 cm a casi 1cm (en una distancia de 19,5 cm
existente entre la STDV1 y la ETDV2); cambió su forma, tamaño y aparecen una
gama de intensidades. Las pendientes de las curvas son menos abruptas en el
segundo caso.
18000
16000
14000
Cuentas
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
cm
0.5
1
1.5
2
Figura 4.10: Comparación curvas experimental y modelo para la variante: con rendija y
pinhole en la línea de medición 2
48
Y position [cm]
Ing. Sandra Ramírez
2
80
1.5
70
1
60
0.5
50
0
40
-0.5
30
-1
20
-1.5
10
-2
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
X position [cm]
1
1.5
2
0
Figura 4.11: Monitor de posición PSD que muestra la forma del haz completo en la línea
de medición 2
De este modo se pretendió determinar cuánto se abrió el haz entre ambas
secciones. Para todas las comparaciones de las curvas experimentales y
simuladas, se utilizó la misma constante de ajuste.
Se obtuvo una constante de ajuste como una relación de áreas entre las
curvas experimental y modelo, respectivamente, para cada experimento.
Finalmente obtuvimos una constante más general promediando las tres
constantes obtenidas en cada uno, de modo de darles participación a todos ellos.
Para validar este modelo, se usó esa constante de ajuste única.
Como conclusión de estos experimentos podemos mencionar que se
obtuvo un ajuste satisfactorio en lo que respecta a la intensidad y extensión
espacial del haz. Sin embargo se aprecia una asimetría o caída de intensidad de
izquierda a derecha en todas las curvas experimentales. En relación con dicha
asimetría, suponemos que ella podría obedecer a la oblicuidad del moderador en
el experimento, ya que posteriormente en otro experimento, se pudo observar que
cuando el moderador se encontraba perpendicular al eje del tubo de vuelo, el haz
medido tenía forma simétrica.
49
Ing. Sandra Ramírez
4.3 Alcances de la herramienta validada
Validada la herramienta para la aplicación que queremos darle, y
manteniendo a través de las simulaciones la configuración de la óptica neutrónica
que tiene actualmente el LINAC, pudimos evaluar otros aspectos. Nos
preguntamos ¿qué les pasa a los neutrones en su evolución a través del tubo de
vuelo de transmisión?
En otra de sus aplicaciones, McStas nos permitió apreciar la variación del
haz de neutrones desde su generación hasta su detección, en distintos lugares
estratégicos donde intencionalmente se han puesto monitores PSD a lo largo del
tubo de vuelo para poder evaluar su evolución en tamaño, forma e intensidad en
función de la distancia. Al decir estratégicos queremos significar posiciones
coincidentes con la ubicación de componentes de la óptica neutrónica que
modifican sus características. Se tomó como referencia cero la ubicación fuente y
como extremo el banco de detectores de 3He. Esto se realizó para cada una de
las variantes simuladas.
En las Figuras 4.12 a 4.20 se muestra como ejemplo, la variación del haz
de neutrones para la variante experimental explicada en el apartado 4.2.2 (con
rendija y pinhole a la STDV1). Para identificar la secuencia lógica y ubicación de
los detectores PSD que se muestran, se debe observar también el gráfico de la
Figura 1, Anexo I (esquema de Autocad). En el primer monitor, PSD8, a la
STDV1, se observa nítidamente que el haz tiene la forma y dimensiones de la
rendija y su intensidad es uniforme; conforme nos alejamos de ella hacia los
detectores, el haz va aumentando su tamaño y se abre también a una gama de
intensidades que disminuyen concéntricamente y hacia fuera, como se observa
en los gráficos siguientes en el orden que indican los números. El PSD7 muestra
un haz incompleto, que ha sufrido un corte debido a la presencia de un slit que
posee el TDV2 en ese lugar (ver slit 11 en la Figura 1, Anexo I).
50
CON RENDIJA – CON COLIMADOR
1400
1000
0
800
-2
600
-4
400
Y position [cm]
1200
2
6
600
900
4
4
800
700
2
600
0
500
-2
400
500
Y position [cm]
4
Y position [cm]
1000
6
6
Ing. Sandra Ramírez
400
0
300
-2
200
300
-4
2
-4
200
200
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
-6
-6
6
Figura 4.12: PSD8: STDV1
4
6
-6
8
4
0
200
-2
150
4
6
8
4
2
7
2
6
6
0
5
4
-2
5
0
4
-2
3
3
-4
100
-4
-6
50
-6
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
0
7
Y position [cm]
Y position [cm]
250
-2
0
2
X position [cm]
6
9
300
2
-4
Figura 4.14: PSD2
6
350
4
-2
0
2
X position [cm]
Figura 4.13: PSD9
400
6
-4
100
-6
100
Y position [cm]
-6
2
1
0
-6
Figura 4.15: PSD3
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
-4
2
-6
1
0
6
-6
Figura 4.16: PSD4
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
Figura 4.17: PSD5
7
6
6
6
6
6
4
5
4
5
2
4
Y position [cm]
5
2
4
0
3
-2
2
-4
1
-6
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
Figura 4.18: PSD6
0
Y position [cm]
4
2
4
0
3
-2
2
-4
Y position [cm]
6
0
3
-2
2
-4
1
-6
1
-6
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
Figura 4.19 PSD7
6
0
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
0
Figura 4.20: Detectores
51
Ing. Sandra Ramírez
SIN RENDIJA – CON COLIMADOR
1500
6
1400
6
1000
0
-2
500
800
0
600
-2
-4
1000
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
200
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
Figura 4.21: PSD8: STDV1
6
4
0
6
-6
Figura 4.22: PSD9
6
1000
4
4
600
-2
400
Y position [cm]
800
2
0
200
-6
0
6
2
40
40
30
-2
10
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
-6
Figura 4.25: PSD4
25
20
-2
15
-4
10
-6
5
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
Figura 4.27: PSD6
-2
0
2
X position [cm]
4
6
0
45
6
40
4
35
40
Y position [cm]
30
-4
Figura 4.26: PSD5
6
35
0
20
0
40
2
30
-2
-4
-6
45
4
0
10
Figura 4.24: PSD3
6
60
50
0
0
6
0
4
4
35
2
30
25
0
20
-2
Y position [cm]
4
6
50
-6
-2
0
2
X position [cm]
4
6
20
-4
-2
0
2
X position [cm]
60
2
200
-6
-4
Figura 4.23: PSD2
-4
-4
-6
600
-2
400
Y position [cm]
-4
800
0
-4
-6
-6
2
400
-6
Y position [cm]
1200
4
1000
2
Y position [cm]
2
Y position [cm]
Y position [cm]
4
Y position [cm]
6
1200
4
30
2
25
0
20
-2
15
15
-4
10
-6
5
0
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
Figura 4.28: PSD7
6
0
-4
10
-6
5
-6
-4
-2
0
2
X position [cm]
4
6
Figura 4.29: Detectores
52
Ing. Sandra Ramírez
En las Figuras 4.21 a 4.29 se muestra la evolución del haz para la variante
experimento del apartado 4.2.1 (sin rendija), que corresponde a la configuración
de la línea de transmisión actual. En el primer monitor, PSD8, a la STDV1, se
observa nítidamente que el haz circular presenta intensidad elevada y uniforme;
conforme nos alejamos de él hacia los detectores, el haz va aumentando su
tamaño y se abre también a una gama de intensidades que disminuyen
concéntricamente y hacia fuera, como se observa en los gráficos siguientes en el
orden que indican los números. A partir del PSD4 el haz aparece incompleto, por
la presencia de los slits que atraviesa.
El monitor de divergencia situado a la ETDV2, muestra que la misma es
simétrica en ambas direcciones “X” e “Y”; en las Figuras 4.30 y 4.31 se muestran
los resultados para las variantes experimentales expuestas en los apartados 4.2.2
y 4.2.1, respectivamente.
1.5
40
1
Y divergence [deg]
35
30
0.5
25
0
20
-0.5
15
10
-1
5
-1.5
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
X divergence [deg]
1
1.5
0
Figura 4.30: Monitor de Divergencia (con rendija)
300
1
Y divergence [deg]
250
0.5
200
0
150
100
-0.5
50
-1
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
X divergence [deg]
1
1.5
Figura 4.31: Monitor de Divergencia (sin rendija)
53
Ing. Sandra Ramírez
La diferencia entre las máximas intensidades que se observan en las
Figuras 4.30 y 4.31 obedece a que en el caso del haz circular (o sin rendija), dicho
haz por su sección mayor permite el paso de más neutrones que en el caso del
haz rectangular (Figura 4.30). En éste último el haz está restringido por la
interposición de la rendija, la que limita el pasaje a su través de los neutrones que
salieron del colimador.
También mediante el programa MATLAB, para todas las simulaciones
realizadas, se obtuvieron las cuentas de neutrones que arriban a cada monitor
PSD y finalmente a la posición en la que se encuentran los detectores de 3He. En
todos los casos se expresaron en porcentajes respecto de las cuentas de
neutrones que salen del TDV1 en el PSD8 que se tomó como referencia ya que a
partir de él comienza a evaluarse el haz. A continuación, en la Tabla 4.1, se
muestran los resultados obtenidos para ambos casos.
Tabla 4.1: Intensidad de neutrones en cada detector
Sin Rendija
Slits
Slit 6
Slit 7
Slit 8
Slit 9
Slit 10
Slit 11
Con Rendija
Monitor de
Posición
Cuentas
% neutrones que
llegan al PSD
Cuentas
% neutrones que
llegan al PSD
PSD8
PSD9
PSD2
PSD3
PSD4
PSD5
PSD6
PSD7
Detectores
320,430
320,430
320,430
320,430
318,400
274,100
262,360
223,750
212,170
100%
100%
100%
100%
99.37%
85.54%
81.88%
69.83%
66.21%
39,380
39,380
39,380
39,380
39,380
38,840
38,159
33,921
32,119
100%
100%
100%
100%
100%
98.54%
96.90%
86.14%
81.56%
Como se observa en la tabla, para el caso con rendija, el total de neutrones
comienza a disminuir a partir de la posición del PSD5, que coincide con la
presencia del slit 9. Evidentemente la presencia de este slit y del siguiente
producen subsecuentes cortes del haz, reduciéndolo en tamaño de modo tal que
a los detectores llega sólo el 81.56% de los neutrones que emergieron de la
posición de la muestra (STDV1). Este efecto es aún más importante para la
configuración habitualmente utilizada en el Laboratorio NYR, correspondiente al
54
Ing. Sandra Ramírez
caso sin rendija, con un haz de 2,54 cm de diámetro. En este caso, el haz
comienza a ser recortado a partir del PSD4 y sólo un 66.21% de los neutrones
que atraviesan la muestra llega efectivamente a los detectores.
Cabe mencionar que a pesar de que la eficiencia en el transporte de
neutrones es mayor en la configuración con rendija, la intensidad absoluta del haz
es considerablemente mayor en la configuración habitual sin rendija, debido al
mayor tamaño del haz incidente sobre la posición de la muestra. Es importante
notar que en todos los casos, las cuentas de neutrones resultantes de las
simulaciones son arbitrarias en valor absoluto; sin embargo son comparables en
forma relativa ya que en todas las simulaciones se mantuvo constante el mismo
número de neutrones iniciales, es decir, el mismo número de eventos simulados.
El efecto de los slits sobre el haz de neutrones se puede apreciar en forma
gráfica en la Figura 4.32. En color azul se observa el tubo de vuelo de transmisión
y en color verde, el haz de neutrones, cuyo diámetro, en correspondencia con la
ubicación de los detectores es de 20 cm (mayor que el ancho del último slit).
Slit 8
PSD4
Slit 9
PSD5
Slit 10
PSD6
Slit 11
PSD7
PSD1
Detectores
Figura 4.32: Tamaño del haz en la posición de los detectores
55
Ing. Sandra Ramírez
Con el fin de determinar el tamaño del haz no perturbado en la posición de
los detectores de 3He para la configuración con rendija se volvió a repetir la
simulación, pero ahora retirando todos los slits que cortan el haz. En la Figura
4.33 vemos que el haz tiene un diámetro de unos 15 cm; sin embargo en la Figura
4.20 habíamos visto que el haz cortado por los slits (que están presentes
actualmente en el interior del tubo de vuelo de transmisión), tiene un diámetro de
unos 12 cm cuando llega a los detectores por el corte que le producen los slits
que atraviesa en su camino.
20
40
15
35
10
Y position [cm]
30
5
25
0
20
-5
15
-10
10
-15
5
-20
-20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
0
Figura 4.33: PSD que muestra el tamaño del haz en la posición de los detectores
sacando todos los slits del TDV2 y dejando la rendija a la ETDV1
20
300
15
250
Y position [cm]
10
5
200
0
150
-5
100
-10
50
-15
-20
-20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
Figura 4.34: PSD que muestra el tamaño del haz en la posición de los detectores
sacando todos los slits del TDV2 y sacando también la rendija de la ETDV1
56
Ing. Sandra Ramírez
Finalmente, a fin de determinar el tamaño del haz no perturbado en la
posición de los detectores para la configuración tradicional, se retiró también la
rendija y se repitió la simulación. En la Figura 4.34 vemos que el haz no
perturbado tiene un diámetro de unos 20 cm; que debe contrastarse con el
diámetro de 12 cm para el haz cortado por los slits ubicados actualmente en la
línea de transmisión (Figura 4.29).
4.4 Conclusión
Los experimentos realizaron para determinar el perfil del haz de neutrones
en posiciones seleccionadas permitieron validar una herramienta de simulación,
consistente en un modelo de la línea de transmisión realizado con el programa
McStas.
Mediante esta herramienta, pudimos analizar el comportamiento del haz de
neutrones considerando los componentes de la óptica neutrónica del LINAC, y
para las condiciones en que realizamos nuestros experimentos. En cada caso, y
como se aprecia en los gráficos, pudimos evaluar la variación del haz a lo largo
del tubo de vuelo en: tamaño, forma e intensidad. También determinar su
divergencia.
A partir de este análisis, observamos que sería conveniente cambiar la
configuración actual de la óptica neutrónica de la línea transmisión, reemplazando
o modificando las dimensiones de los slits presentes en el TDV2 a fin de que
todos los neutrones que atraviesan la muestra lleguen efectivamente a los
detectores. Esto permitiría obtener una mejora del 50% en el número de
neutrones
detectados
en
comparación
con
la
configuración
empleada
actualmente.
57
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 5
Guías de Neutrones
En este capítulo se describe este dispositivo, las ventajas de su
incorporación en la óptica neutrónica de la línea de transmisión. También se
exponen las distintas alternativas estudiadas a través de simulaciones con la
herramienta McStas.
5.1. Objetivos del uso de este recurso
Un área de reciente interés dentro del Laboratorio de Neutrones y
Reactores se centra en el estudio de las secciones eficaces en el rango
subtérmico de energías. La sección eficaz total en este rango de energías
manifiesta importantes variaciones, debido tanto a efectos de la microestructura
en materiales estructurales, como efectos dinámicos en moderadores avanzados
de neutrones. Dichos estudios requieren del estudio sistemático de muestras, en
función de la temperatura, la composición, el tratamiento térmico, etc. Para reducir
los tiempos involucrados en experimentos de transmisión es necesario tener más
neutrones en este rango de energías incidiendo sobre la muestra. Para tal fin, se
ha considerado la posibilidad de implementar una guía de neutrones en la línea
de transmisión del Laboratorio de Neutrones y Reactores. El objetivo de este
capítulo es considerar esta posibilidad y evaluar la ganancia de flujo que se
obtendría para distintos escenarios.
Para realizar esta evaluación, debemos incorporar dicho componente en el
modelo de la óptica neutrónica desarrollada para la línea de transmisión, y
determinar las dimensiones y divergencia del haz incidente para las distintas
muestras que se deseen estudiar. Se debe además considerar los costos para
distintas alternativas analizadas en las simulaciones, a fin de proveer información
a la hora de decidir la factibilidad de este proyecto.
La evaluación de los distintos escenarios fue realizada utilizando la
herramienta validada en los capítulos anteriores. Estudiamos con ella la
58
Ing. Sandra Ramírez
incorporación a la óptica de distintos tipos de guías de neutrones, con diferentes
formas, dimensiones, combinaciones de las mismas, y finalmente tomando en
consideración diversos materiales. Esta parte del trabajo no tiene verificación
experimental debido a que no existe en el Centro Atómico Bariloche ninguna guía
que pudiera servir para este fin.
5.2. Descripción de la guía de neutrones
Está constituida por un conjunto de espejos que forman un conducto. Se
muestran ejemplos de guías en la Figura 5.1.
Figura 5.1: Fotografías de guías de neutrones
La guía se centra en el eje z. Los espejos tienen un coeficiente de reflexión
para neutrones que está en función de su forma, del material que los constituye,
del ángulo de incidencia del neutrón y la energía que éste trae. Por consiguiente
para cada tipo de guía existe un rango angular dentro del cual se producen
reflexiones de neutrones. Los parámetros principales requeridos para la
simulación son:
(w1, h1): ancho y alto de la sección inicial de la guía
(w2, h2): ancho y alto de la sección final de la guía
l: longitud
m: parámetro determinado por los materiales del espejo
k: número de canales (se usa para guías subdividida con espejos
interiores que conforman canales internos).
59
Ing. Sandra Ramírez
w2
Y
h2
l
Z
h1
X
w1
Figura 5.2: Esquema de una guía de neutrones con sus parámetros principales
En la Figura 5.2 se observan los parámetros principales. Existen otros que
son opcionales para cada tipo de guía y que tienen asignado un valor por defecto
por el propio programa.
5.2.1. Reflectividad de los espejos
El principio de la reflexión de espejos es el fundamento de las guías de
neutrones las cuales son utilizadas para transmitir haces de neutrones hacia los
instrumentos que pueden estar ubicados hasta 100 metros de distancia de la
fuente. Una guía de neutrones estándar esta constituida por placas de vidrio
borado ensambladas dentro de una sección rectangular de dimensiones que
podrían llegar hasta los 200 mm de alto por 50 mm de ancho [16]. La superficie
reflectiva interna de la guía es recubierta de aproximadamente 1200 Å de
58
Ni.
Las guías multicapas o “supermirror” (con m>1) extienden el θ crít (ver definición
más abajo) usando reflexiones Bragg.
En la Figura 5.3 se observa la variación de la reflectividad de un
superespejo para m=4 con la transferencia de momento Q [11], es decir la
diferencia entre el momento del neutrón incidente y el reflejado. Q es el vector de
transferencia de momento y cuantifica un intercambio de impulso que se produce
en el proceso de reflexión (esto implica un cambio en la velocidad del neutrón, no
en módulo sino en dirección).
60
Ing. Sandra Ramírez
Para bajos valores de Q todo se refleja; y esto se corresponde con
pequeños valores de θ y grandes λ .
Figura 5.3: Variación de la reflectividad R con la transferencia de momento Q
La reflectividad R está dada por [11]:
R0
si Q ≤ Qc
1
R0 (1 − tgh[Q − mQc / W ])(1 − α (Q − Qc ))
2
si Q > Qc
Donde:
Q : es el módulo del vector de scattering en 1/Å.
Q =| k i − k f |=
mn
4π
| vi − v f |=
senθ
h
λ
mn : es la masa del neutrón
θ : es el ángulo de incidencia del rayo del neutrón en el espejo (medido
respecto del plano de dicho espejo).
61
Ing. Sandra Ramírez
Qc : es el vector de onda crítico de scattering para una sola capa de
material del espejo.
θ crít : es el ángulo de incidencia crítico del rayo del neutrón; a partir de ese
límite y para ángulos mayores, el rayo deja de reflejarse y sale de la guía.
A mayores valores de Q , la reflectividad empieza a caer en forma lineal
con una pendiente α hasta un corte suave en Q = mQc .
El parámetro m está determinado por el o los materiales que constituyen el
espejo. En la Figura 5.4 se tiene un gráfico similar al anterior, pero ahora la
reflectividad variando con el coeficiente m, diferente con el tipo de material. Al
aumentar m se busca incrementar el rango de reflexiones. Curvas como éstas son
proporcionadas por los fabricantes de las guías [17].
Figura 5.4: Variación de la reflectividad del espejo en función del tipo de material
5.3 Variables estudiadas
Se propusieron varias alternativas de guías de neutrones entre el
moderador y la muestra, reemplazando al TDV1, considerando:
Forma
En todas las simulaciones, se eligieron secciones cuadradas de
entrada y salida de la guía a fin de lograr un haz simétrico en las
dimensiones “x” e “y”.
62
Ing. Sandra Ramírez
Dimensiones
a) Sección
a.1) Cuadrada uniforme a lo largo de toda su longitud (recta).
w1= h1= w2= h2
a.2) Cuadrada variable con la longitud (telescópica).
w1= h1 ≠ w2= h2
b) Longitud l: Se consideró una longitud tentativa inicial para la
guía la comprendida entre la salida de la fuente y la muestra.
Ver variantes expuestas en la Tabla 5.1.
Como punto de partida se tomaron como referencia las dimensiones
actuales del tubo de vuelo de transmisión, la sección del slit de
salida de la fuente, y las dimensiones del colimador, para definir los
parámetros de la guía.
Coeficiente de reflexión m
También se probaron alternativas con distintos coeficientes de
reflexión de los espejos que conforman la guía.
Como se expuso en el apartado 2.2.1, las simulaciones en las que
consideramos guías de neutrones, las realizamos con un escalón de energía
centrado en E=1.8 meV y un dE=0.2 meV.
5.4 Diseños propuestos
Para cada una de estas alternativas, considerando a la guía formando
parte integrante de la línea de transmisión, se realizó la determinación de la
intensidad del haz de neutrones y de su divergencia en el lugar donde se
posiciona la muestra habitualmente. Posteriormente, teniendo en cuenta el
comportamiento de la guía, se definió la posición más conveniente para colocar
dicha muestra.
63
Ing. Sandra Ramírez
Para evaluar la cantidad de neutrones que llegan a la muestra en cada
situación, incorporamos a las simulaciones un nuevo componente: un slit con las
dimensiones de la muestra, en correspondencia con la posición de la misma.
Usamos un slit circular (de 2,54 cm de diámetro) y otro rectangular (de 4x1 cm2 de
sección), respectivamente para la muestra tradicional y la muestra tipo
chapa/probeta. También se determinó para cada caso, el porcentaje de neutrones
que llegó al banco de detectores.
En el esquema de la Figura 5.4 se observan las distintas configuraciones
estudiadas y en la Tabla 5.1 se muestran los parámetros de cada una.
Fuente
Guía cuadrada uniforme
sección
salida
sección
entrada
Muestra
Guía cuadrada variable (telescóopica)
sección
entrada
sección
salida
Guía cuadrada uniforme y tramo telescópico final
sección
entrada
sección
salida
Figura 5.4: Diseños de guías de neutrones analizados
Se estudiaron los siguientes diseños:
5.4.1 Línea de transmisión actual
La línea de transmisión que actualmente tiene el LINAC con el colimador
en su posición actual a la STDV1. La intensidad obtenida la usamos como
referencia para determinar la ganancia de neutrones en los diseños siguientes
donde incorporamos las guías.
64
Ing. Sandra Ramírez
5.4.2 Guía recta uniforme
Con sección cuadrada uniforme a lo largo de toda la longitud comprendida
entre la salida de la fuente y la posición extrema del actual tubo de vuelo de
transmisión 1.
5.4.3 Guía telescópica
Con sección cuadrada variable a lo largo de toda la longitud comprendida
entre la salida de la fuente y la posición extrema del actual tubo de vuelo de
transmisión 1. Llamada también guía telescópica por su forma.
5.4.3.1 Guía telescópica con colimador
Es una variante de la anterior, con la diferencia que se incorporó el
colimador en su extremo final, además de considerar tres posibles longitudes
diferentes de colimador y guía, manteniendo la misma longitud total (suma de
ambas).
5.4.4 Combinación de guías recta y telescópica
Aquí se propuso una combinación de dos guías consecutivas, la primera
inicial más larga, recta uniforme, y la segunda en el tramo final con forma
telescópica.
En todos los casos se analizó la intensidad del haz de neutrones (cuentas
que llegan a los detectores) y la divergencia (cuentas de neutrones que pasan en
cada dirección). Se comparó la cantidad de neutrones que se ganaban en cada
situación, tomando como referencia el caso 1) sin guía. Como se mencionó antes,
en la Tabla 5.1 se pueden apreciar los parámetros utilizados para cada uno de
estos casos. En esta instancia del análisis, se adoptó para todas las guías que se
exponen el parámetro m=1. Se consideraron dos tipos de muestras: circular y
rectangular. Para la primera el haz de neutrones estaba libre; para la segunda se
interpuso la rendija, a fin de otorgarle al haz una forma compatible con la muestra
que se desea estudiar.
65
Ing. Sandra Ramírez
Tabla 5.1
Parámetros de la guía
Configuraciones
Nombre
Tramo
w1 (cm)
h1 (cm)
w2 (cm)
h2 (cm)
long
long guía
colimador
l (cm)
(cm)
1) Línea actual
Sin guía (línea de transmisión actual - REFERENCIA)
2) Guía recta uniforme
guía 1
tramo único
10
10
10
10
316
0
guía 4
"
10
10
3
3
316
0
guía 15
"
10
10
5
5
316
0
3.1) Guía telescópica
con colimador
guía 17
guía 2.a
guía 2
guía 2.b
guía 10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
7
3
3
3
10
3
7
3
3
3
10
3
316
256
273
286
216
100
0
60
43
30
4) Guía recta con guía
telescópica final
"
"
"
"
tramo recto
tramo telesc.
3) Guía telescópica
0
En la Tabla comparativa 5.2 se expone un resumen de los resultados más
relevantes obtenidos en las simulaciones. Se comparan las cuentas de neutrones
obtenidas (intensidades) y la divergencia para cada tipo de guía analizada, con
m=1. El caso 1) de la tabla no contiene guía, y representa la línea de transmisión
actual que posee el LINAC, y se toma como referencia para determinar la
ganancia en intensidad que aportan las distintas variantes de guías. En color azul
se destaca la ganancia para el haz circular y en color rojo para el haz rectangular
(es decir interponiendo la rendija a fin de estudiar muestras rectangulares).
Tabla 5.2: Comparación de intensidad y divergencia en las variantes estudiadas
Descripción
Muestra Circular
Cuentas Divergencia
302,390 X=
1°
1.00
Y=
1°
Slit Rectangular
Cuentas
Divergencia
161,780
X= 1.1°
1.00
Y= 1°
2) GUÍA RECTA UNIFORME 3
357,470 X=
1.18
Y=
1°
1°
283,400
1.75
X= 1.1°
Y= 1°
3) GUIA TELESCÓPICA 4
655,240 X=
2.17
Y=
1.45°
1.45°
387,410
2.39
X= 1.45°
Y= 1.45°
3.1) GUIA TELESCÓPICA CON COLIMADOR 2
448,070 X=
1.48
Y=
2.2°
2.2°
250,940
1.55
X= 2.2°
Y= 2.2°
4) GUIA RECTA y GUÍA TELESCÓPICA
(en el tramo final)
355,330 X=
1.18
Y=
1°
1°
214,010
1.32
X= 1.1°
Y= 1°
1) CON COLIMADOR (línea actual)
(Referencia) – Sin guía
66
Ing. Sandra Ramírez
5.5 Análisis de la Intensidad del Flujo Neutrónico
Como se puede apreciar claramente, la mejor opción en cuanto a ganancia
en intensidad de neutrones es la alternativa 3) GUÍA TELESCÓPICA 4, con la que
se puede obtener más del doble de ganancia de neutrones. En cuanto a la
divergencia, llega a un valor de 1,45°, sin embargo es un valor intermedio y
aceptable (considerando que para los experimentos de transmisión que se
realizan en NYR, una divergencia mayor a 5° sería i naceptable). Este resultado se
complementa con otro estudio hecho para la opción 3.1) GUÍA TELESCÓPICA CON
COLIMADOR, para la cual tomando distintas longitudes de colimador, como se
aprecia en la Tabla 5.1, se obtuvo como lo indica la curva de la Figura 5.5, que la
intensidad mejora cuando disminuye la longitud del colimador, y el mejor caso se
da cuando éste está ausente, es decir para la opción 3) GUÍA TELESCÓPICA 4 (sin
colimador) como lo mencionamos más arriba en este párrafo.
Variación Cuentas con longitud colimador MuC
1.60
1.50
1.40
Cuentas
1.30
1.20
1.10
Cuentas
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0
30
43
60
Longitud Colimador (cm)
Figura 5.5: Variación de la intensidad de neutrones con la longitud del colimador
Como se aprecia en la Tabla 5.2, la divergencia para el caso 3) GUIA
TELESCÓPICA 4 es menor que para el caso 3.1) GUÍA TELESCÓPICA CON
COLIMADOR (aunque se podría llegar a intuir lo contrario). Sin embargo, este
resultado es razonable, considerando que al acortar la longitud de la guía
telescópica para dejar cabida al colimador, se modifica también el ángulo de
inclinación de sus espejos componentes; es decir, se varía el ángulo de reflexión
del espejo, y esto explica el aumento de la divergencia para este caso.
67
Ing. Sandra Ramírez
Una vez seleccionada la guía que consideramos más apropiada, es decir la
opción 3) GUÍA TELESCÓPICA 4, se estudiaron algunas variantes en las
dimensiones de su sección de salida y para distintos coeficientes m. Esto para
ambos tipos de muestra circular y rectangular, y se analizaron la intensidad y la
divergencia.
Con respecto al análisis de la intensidad del flujo neutrónico (ver Tabla
5.3), se estudiaron, cuatro variantes de guías telescópicas: en todas ellas la
sección de entrada era de 10 x 10 cm2, y la sección de salida variaba entre 3 x 3
cm2 para la GUIA 4 y hasta 10 x 10 cm2 para la GUÍA 3 (ésta última representa el
caso extremo de una guía telescópica que se hace recta, es decir cuando la
secciones de entrada y salida son iguales).
Para cada una de ellas se realizaron simulaciones con coeficientes m=1,
m=2 y m=3. En la Tabla 5.3, debajo del valor de las cuentas de neutrones para
cada caso, aparece la relación entre el valor de cuentas obtenido para la
alternativa estudiada, y el valor correspondiente a la GUIA 4 (que se tomó como
referencia); en color azul se destaca esa relación para muestra circular, y con rojo
para la muestra rectangular.
Tabla 5.3: Comparación Intensidad de flujo neutrónico para guías de distintas
secciones de salida, distintos m, para muestra circular y rectangular
Descripción
(Longitud = 316 cm)
m=1
m=2
m=3
MuC
MuR
MuC
MuR
MuC
MuR
GUIA 4 de secciones:
2
2
(10x10 cm ; 3x3 cm )
655,240
1.00
387,410
1.00
1,679,700
2.56
989,350
2.55
2,701,400
4.12
1,604,600
4.14
GUIA 15 de secciones:
2
2
(10x10 cm ; 5x5 cm )
490,220
0.75
395,350
1.02
1,328,600
2.03
1,045,600
2.70
2,409,600
3.68
1,891,500
4.88
GUIA 17 de secciones:
2
2
(10x10 cm ; 7x7 cm )
396,640
0.61
319,220
0.82
999,970
1.53
790,330
2.04
2,054,000
3.13
1,615,500
4.17
GUIA 3 de secciones:
2
2
(10x10 cm ; 10x10cm )
357,470
0.55
283,400
0.73
630,790
0.96
500,810
1.29
1,515,700
2.31
1,196,500
3.09
68
Ing. Sandra Ramírez
Referencias:
MuC: muestra circular
MuR: muestra rectangular
Cabe aclarar que la nomenclatura utilizada para numerar las guías
responde a que, inicialmente en este trabajo se simularon guías de neutrones con
distintas características geométricas; posteriormente se seleccionaron las que
arrojaron un mejor resultado. De allí la falta de correlatividad que tienen los
números de guía que se exponen en la tabla precedente.
A partir del cuadro se puede concluir que:
A medida que aumenta la sección de salida de la guía, disminuye la
intensidad, para un mismo valor de m.
A medida que aumenta el coeficiente m, aumenta el flujo neutrónico;
esto es de esperar porque se incrementan las reflexiones en los
espejos de las guías. Para un m=3 se cuadruplica la intensidad del
flujo inicial.
Si bien la guía 4 arroja los mayores valores de cuentas de neutrones para
MuC, estudios posteriores (mediante proyección de rayos extremos, utilizando
como herramienta el modelo en CAD) demostraron que para el caso de la
muestra rectangular, el tamaño del haz resultante no baña totalmente la muestra
en el sentido “x”.
En la Figura 5.6 se graficaron las curvas que surgen de relacionar la
proporción con que aumentan las cuentas de neutrones, respecto del lado de la
sección de salida de la guía, para distintos coeficientes m, y para muestra circular.
La ordenada de este gráfico representa todos los valores de la Tabla 5.3
remarcados en azul.
69
Ing. Sandra Ramírez
Variación Cuentas MuC
4.50
4.00
3.50
Proporción
Cuentas
3.00
m=1
2.50
m=2
2.00
m=3
1.50
1.00
0.50
0.00
3
5
7
10
Lado sección salida (cm )
Figura 5.6: Variación de intensidad de neutrones con el lado de la sección de salida para
muestra circular.
En la Figura 5.7 se realiza la misma representación pero para muestras
rectangulares. La ordenada de este gráfico representa todos los valores de la
Tabla 5.3 remarcados en rojo. Se mantiene la tendencia anterior en las curvas,
con la diferencia de que se observa una caída de intensidad para la opción de
menor sección de salida de la guía (3x3 cm2); este apartamiento obedece al
hecho de que la sección del haz de neutrones que emerge del extremo de esta
guía no es suficiente como para bañar completamente la muestra rectangular.
Variación Cuentas MuR
5.50
5.00
4.50
Proporción
Cuentas
4.00
3.50
m=1
3.00
m=2
2.50
m=3
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
3
5
7
10
Lado sección salida (cm )
Figura 5.7: Variación de intensidad de neutrones con el lado de la sección de salida para
muestra rectangular.
70
Ing. Sandra Ramírez
El gráfico que sigue permite comprender mejor el descenso que se observa
para la sección de 3x3 cm2 en la Figura 5.7. La integral del área bajo las curvas
negra, azul y roja que muestra en la Figura 5.8, representa los puntos 1º, 2º y 3º
respectivamente de la curva amarilla de la Figura 5.7.
4
9
x 10
8
7
Cuentas (u.a.)
6
3x3
5x5
7x7
5
4
3
2
1
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Distancia al centro de la muestra (cm)
6
8
Figura 5.8: Curva de intensidad para MuR para distintas secciones de guía y para
m=3.
La curva roja representa el haz que sale de una guía de 7x7 cm2 y luego
atraviesa una rendija (o llega a una muestra) de 4x1 cm2 (en este caso el haz está
menos concentrado). La curva azul representa un haz que sale de una guía de
5x5 cm2 y luego llega a la muestra de 4x1cm2; como la sección de salida de esta
guía es menor que la anterior (y el flujo neutrónico es el mismo), cuando el haz
llega a la rendija lo hará con mayor intensidad. La curva negra, en cambio
representa el haz que sale de una guía de 3x3 cm2 (es el caso en el que el haz
está más concentrado), pero es más angosto que el haz azul; por lo que el área
bajo las curvas azul y negra son prácticamente iguales.
A partir de lo expuesto se puede concluir que:
La opción más conveniente desde el punto de vista de lograr una
mayor intensidad, es adoptar como sección de salida de la guía la
de 3x3 cm2; además es la opción más económica.
71
Ing. Sandra Ramírez
Si bien en la Figura 5.7 se observa una ganancia aparente para la
guía de 5x5 cm2, la ganancia neta de neutrones eligiendo la guía de
3x3 es mucho mayor para la MuC que la pérdida para MuR.
Además, y según se expuso en la tabla 5.3, las cuentas totales de
neutrones para la guía 4 supera las cuentas de neutrones para la
guía 15, tanto para MuC como para MuR. Esto ratifica lo expresado
en el punto anterior.
Es necesario para los experimentos de transmisión, que el haz
incidente sobre la muestra sea menor que el tamaño de la misma,
condición que se cumple, eligiendo la guía 4.
La guía que mejor responde en cuanto a la ganancia en intensidad
de neutrones es la GUÍA 4, cuyos parámetros se expusieron en la
Tabla 5.1: sección de entrada 10x10 cm2, sección de salida 3x3 cm2
y longitud 316 cm. Queda pendiente determinar cuál es el m más
conveniente para adoptar.
5.6 Análisis de la Divergencia
En la Figura 5.8 se exponen los resultados de los monitores de divergencia
para cada una de las guías telescópicas analizadas. En cada columna de gráficos
observamos cómo varía la divergencia para una misma guía con distintos
coeficientes m; en cada fila en cambio, vemos cómo varía la divergencia para
cada tipo de guía manteniendo un mismo m.
De izquierda a derecha aumenta la sección de salida de las guías, desde
3x3 cm2 en la GUÍA 4, hasta 10x10 cm2 en la GUÍA 3. Esto es para muestra
circular (en la Tabla 5.3 se detallaron las secciones de entrada y salida de las
guías). En la Figura 5.9 se expone un resultado similar, para muestras
rectangulares.
72
Ing. Sandra Ramírez
GUIA 15
GUIA 17
3
800
600
-1
0
800
600
-1
-3
-3
0
3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
0
800
600
-1
1
1200
1000
0
800
-1
600
3
-3
-3
2
2
3
1800
1600
1600
1200
1000
0
800
-1
600
400
-2
2
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
0
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
1
1200
1000
0
800
-1
600
-3
-3
1200
1000
0
800
-1
600
1600
2
1400
1200
1
1000
0
800
600
-1
400
-2
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
200
0
-3
-3
3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
2
1200
1
1000
0
800
600
-1
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
1400
1200
1
1000
0
800
600
-1
400
-2
0
1600
2
1400
400
-2
200
200
-3
-3
-3
-3
0
3
400
-2
0
3
1800
1600
1400
1
200
-3
-3
-3
-3
1600
Y divergence [deg]
1
200
0
200
0
1800
1400
Y divergence [deg]
m=3
-1
0
1
X divergence [deg]
3
3
400
-2
-2
600
400
Y divergence [deg]
2
3
200
0
800
-1
1400
-2
200
-1
0
1
X divergence [deg]
2
400
-2
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
1400
400
-3
-3
-2
2
2
Y divergence [deg]
Y divergence [deg]
m=2
1000
1000
0
-2
X0=0.00282613; dX=1.13808; Y0=-0.000848186; dY=1.13958;
3
1600
1400
1
-3
-3
1800
1600
1200
600
1200
200
3
3
3
2
-1
-2
Y divergence [deg]
2
800
200
200
-1
0
1
X divergence [deg]
0
1400
1
400
-2
-2
-2
1000
400
400
-3
-3
1200
Y divergence [deg]
0
1000
1
1800
1600
2
1400
Y divergence [deg]
1000
1200
1
1600
2
1400
Y divergence [deg]
1200
1
Y divergence [deg]
Y divergence [deg]
m=1
2
1400
X0=-0.00117493; dX=0.44311; Y0=6.88499e-006; dY=0.44437;
3
1800
1600
1600
2
GUIA 3
3
Y divergence [deg]
GUIA 4
3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
200
-3
-3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
Figura 5.8: Divergencia para guías con distinta sección de salida y distinto m, para muestra circular.
73
Ing. Sandra Ramírez
GUIA 4
GUIA 15
X0=-0.0047093; dX=0.681352; Y0=0.00356955; dY=0.685675;
3
GUIA 17
3
1400
2
1200
GUIA 3
3
1400
3
2
1200
2
1200
1
1000
1400
1
600
0
400
-1
Y div ergenc e [deg]
m=1
Y div ergenc e [deg]
800
200
-2
-3
-3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
1000
1
800
0
600
-1
400
-2
-3
-3
0
X0=0.000827253; dX=1.13314; Y0=-0.000930698; dY=1.14108;
3
-1
0
1
X divergence [deg]
2
1
800
0
600
-1
400
-2
200
-2
1000
-3
-3
3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
2
Y d iv e rg en c e [d e g ]
1000
800
0
600
-1
400
200
-2
0
-3
-3
200
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
0
3
X0=-0.000828764; dX=1.01489; Y0=-0.000930812; dY=1.01965;
3
1400
3
1400
X0=-0.000152291; dX=0.680919; Y0=0.000792273; dY=0.671283;
3
2
1200
2
1200
2
1400
900
1
700
600
0
500
400
-1
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
m=2
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
800
1000
1
800
0
600
-1
400
300
200
-2
-2
1000
1
800
0
600
-1
400
-2
200
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
2
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
1000
1200
1000
1
800
0
600
-1
400
200
-2
0
-3
-3
200
100
-1
0
1
X divergence [deg]
2
-3
-3
3
X0=0.00200489; dX=1.44195; Y0=0.00159952; dY=1.43238;
2
3
1000
600
0
1000
800
0
600
-1
400
-2
200
-2
0
-3
-3
400
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
3
200
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
0
3
3
1400
2
1200
1400
2
1200
1
-1
-2
X0=-0.0025025; dX=1.26226; Y0=0.000105245; dY=1.27044;
2
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
800
1
-3
-3
-3
-3
0
1400
2
Y div ergenc e [deg]
-1
0
1
X divergence [deg]
3
3
m=3
-2
1200
1000
1
800
0
600
-1
Y d iv e rg e n c e [d e g ]
-2
Y d iv e rg e nc e [d e g]
-3
-3
1000
1
800
0
600
-1
400
400
-2
-3
-3
200
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
0
-2
-3
-3
200
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
0
Figura 5.9 Divergencia para guías con distinta sección de salida y distinto m, para muestra rectangular.
74
Ing. Sandra Ramírez
Del análisis se pudo concluir:
Al aumentar la sección de salida de la guía mejora la divergencia;
sin embargo disminuyen las cuentas de neutrones.
Con el aumento del coeficiente m aumenta el número de cuentas
de neutrones pero empeora la divergencia.
Los puntos anteriores se contraponen, por lo que es necesario
establecer un término medio.
No se aprecian notables cambios entre la divergencia de la
muestra circular y rectangular. En la circular todos los gráficos de
divergencia son simétricos en las dimensiones “X” e “Y”; en la
rectangular se aprecia una mayor intensidad en la dimensión “X”
que en “Y”, y esto es lógico ya que la muestra es mayor en esta
dimensión y permite mayores orientaciones posibles de rayos de
neutrones a su través.
La forma lobulada que se observa en el monitor de divergencia
obedecería a que la ganancia que generan las guías en cuanto a
la optimización del número de neutrones, no es central, sino que
se adiciona como lóbulos bastante simétricos con cuatro
direcciones adyacentes. Estas cuatro direcciones serían las que
surgen a partir de las reflexiones en los cuatro espejos que
conforman la guía.
Los lóbulos azules indican ausencia de rayos de neutrones en
esas direcciones.
El límite cuadrado que nítidamente bordea a los lóbulos,
corresponde al ángulo de incidencia crítico para cada caso.
Aumenta con el coeficiente m.
75
Ing. Sandra Ramírez
Luego de analizar la intensidad y la divergencia, se consideró que
el valor más apropiado para adoptar es m=2.
5.7 Búsqueda del foco de la guía de neutrones
Por la forma en que trabaja la guía de neutrones, con reflexiones en sus
espejos, los rayos convergen en un foco y luego se alejan de él; por este
motivo será conveniente ubicar la muestra que se desea estudiar en dicho foco,
a fin de lograr concentrar en ella la mayor cantidad de rayos de neutrones y
optimizar la medición. Ver en la Figura 5.10 la evolución del haz de neutrones
saliente de la guía. Esta Figura se complementa con la Tabla 5.4 donde se
detallan las distancias de cada uno de los PSD hasta la línea de medición 1, en
función del número de orden de los gráficos. En esta simulación no se
interpuso la muestra, además estaba libre de slits.
Como se observa en los gráficos el haz sale con la forma cuadrada de la
guía y luego mientras disminuye en intensidad se abre en una sección mayor.
El foco se corresponde con el gráfico donde se observa la mayor intensidad y
menor sección. A partir de allí se abre nuevamente, mientras disminuye su
intensidad. Ésta, en sus mayores valores es en principio cuadrada, luego
reduce su sección, y posteriormente pasa de ser lobulada a adoptar forma de
cruz en correspondencia con la posición de los detectores.
El foco se encuentra ubicado a una distancia de unos 52 cm contados a
partir de la STDV1, lugar donde debería colocarse la muestra. Este punto
coincide con la salida del primer slit (o semi-colimador) presente en el TDV2. La
zona de mayor intensidad tiene una sección de 4x4 cm2 y la sección total
incluida la zona de penumbra es de 8x8 cm2.
76
Ing. Sandra Ramírez
2) FOCO
x 10
15
4
10
0
2
-5
1.5
-10
-15
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
3
2.5
0
2
-5
1.5
5
2
0
1.5
-5
1
-10
0.5
-15
0.5
-15
-20
-20
0
-20
-20
20
-15
-10
5)
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
-10
0.5
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
6)
10000
15
20
7000
8000
-5
6000
-10
4000
-15
2000
-20
-20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
0
20
20
5000
15
10
8000
15
3500
10
3000
-5
4000
5
4000
0
3000
-5
2000
-10
2000
5
3000
0
5
2500
0
2000
2000
-5
-10
-5
1500
-10
1000
-15
500
1000
-15
-15
1000
-15
-20
-20
-20
-20
0
-20
-20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
0
-15
-10
9)
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10)
20
3000
15
20
2500
15
20
15
15
1500
-5
1000
-10
5
1500
0
1000
-5
500
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
0
5
1500
0
1000
-5
10
15
0
20
1800
1600
1400
5
1200
0
1000
800
-5
600
-10
-10
-10
-15
-5
0
5
X position [cm]
10
10
Y position [cm]
0
Y position [cm]
2000
-10
2000
2000
10
5
-15
12)
20
2500
10
-20
-20
11)
20
15
10
0
Y position [cm]
0
10
Y position [cm]
6000
4000
5000
Y position [cm]
5
-10
Y position [cm]
10000
0
6000
10
-20
-20
12000
5
8)
20
15
15
10
0
14000
10
7)
20
20
Y position [cm]
2.5
1
1
16000
15
10
3.5
5
20
15
Y position [cm]
-20
-20
Y position [cm]
3
2.5
4
x 10
3
20
4
3.5
5
4)
4
x 10
4.5
20
15
10
Y position [cm]
4
Y position [cm]
20
3)
Y position [cm]
1)
400
500
500
-15
-15
-15
-20
-20
-20
-20
-20
-20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
Figura 5.10: Búsqueda del foco del haz saliente de una guía de neutrones
200
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
77
Ing. Sandra Ramírez
Tabla 5.4:
N° Orden
PSD
Distancia a la
STDV1 (metros)
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
PSD 8
PSD3 (Foco)
PSD 3A
PSD 3B
PSD 3C
PSD 3D
PSD 3E
PSD 3F
PSD 3G
PSD 4
PSD 5
PSD 1
0.000
0.522
0.952
1.352
1.752
2.152
2.552
2.952
3.352
3.714
3.881
4.683
3
7000
2
Y divergence [deg]
6000
1
5000
0
4000
3000
-1
2000
-2
1000
-3
-3
-2
-1
0
1
X divergence [deg]
2
3
Figura 5.11: Monitor de Divergencia
En la Figura 5.11 se aprecia el monitor de divergencia correspondiente a
la misma simulación anterior. Presenta lóbulos con baja densidad de rayos de
neutrones en las zonas celestes. La mayor intensidad se presenta en un
cuadrado central.
78
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 6
Conclusiones y Recomendaciones
En este capítulo se resumen las conclusiones que resultaron del
desarrollo e interpretación de este trabajo. También, las sugerencias tendientes
a optimizar la línea de transmisión.
Los aportes principales de este trabajo de Tesis, se pueden resumir en
dos puntos importantes:
a) Haber puesto en funcionamiento una herramienta que permite simular la
línea de transmisión existente en este laboratorio: el modelo elaborado
con el software McStas.
b) Proponer un diseño nuevo de la Línea de Transmisión a fin de reducir
los tiempos de medición de los experimentos, mediante la aplicación de
la herramienta validada antes, a un problema específico.
A continuación se exponen y explican las conclusiones:
6.1 Dimensiones de la guía de neutrones
De acuerdo con el análisis y las justificaciones enunciadas en el capítulo
precedente; la guía más apropiada tendría las siguientes características:
Sección de entrada: 10x10 cm2.
Sección de salida: 3x3 cm2.
Longitud: 316 cm
Coeficiente de reflexión m=2
Cabe aclarar que esta distancia de 316 cm es un valor tentativo, tomado
desde la salida de la fuente hasta la distancia a la que actualmente se
encuentra el extremo final del colimador.
79
Ing. Sandra Ramírez
Con la incorporación de la guía, para muestra circular y para m=1, la
cantidad de cuentas de neutrones aumentaría en 2,17 veces (según Tabla 5.2)
respecto de la que se obtiene con la línea de transmisión actual; y para m=2
aumentaría 5,55 veces. Para la muestra rectangular y para m=1 el incremento
sería de 2,39 veces y para m=2 de 6,09 veces. La relación entre la ganancia
para muestra rectangular respecto de la circular se mantiene en el orden de
1,47. Ver Tabla 6.1 para los distintos m. Para m=2 equivaldría a una ganancia
en los tiempos de medición, de modo que se requeriría sólo la cuarta parte del
tiempo que el que se necesita con la configuración actual; para la muestra
rectangular sería aún menor.
Tabla 6.1: Ganancia de cuentas de neutrones con la guía elegida, con respecto
a la línea de transmisión actual.
Proporción ganancia neutrones
Coeficiente
de reflexión
Muestra
Circular
Muestra
Rectangular
m=1
1.62
2.44
m=2
4.40
6.46
m=3
7.97
11.69
6.2 Tamaño necesario del banco de detectores
La incorporación de la guía de neutrones a la línea de transmisión
existente, requerirá de un re-diseño del banco de detectores de 3He, ya que su
tamaño actual sería insuficiente tal como lo revela el monitor PSD a partir de
una simulación en la cual se retiraron los slits 8, 9, 10 y 11 del tubo de vuelo 2,
a fin de poder determinar el tamaño del haz a la distancia a la que se
encuentran los detectores.
En la Figura 6.1 correspondiente a un PSD que muestra los rayos de
neutrones que llegan a la posición actual de los detectores de 3He, revela que
el banco debería tener un tamaño mínimo de 30 x 30 cm2. Una posibilidad sería
armar un banco de 5 cuerpos de detectores: uno central y otros cuatro a los
lados de éste, considerando la forma en que se distribuyen los rayos de
80
Ing. Sandra Ramírez
neutrones en la misma figura y el tamaño del haz. Los círculos azules denotan
ausencia de rayos en esas posiciones.
15
350
Y pos ition [c m ]
10
300
5
250
0
200
-5
150
100
-10
50
-15
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
0
15
Figura 6.1: PSD ubicado en la posición actual de los detectores de 3He.
Se repitió la simulación anterior, pero ahora retirado también el slit
correspondiente a la muestra circular. El PSD ubicado en la actual posición de
los detectores se muestra en la Figura 6.2. Como se puede observar, el haz
sigue teniendo el tamaño de 30 x 30 cm2, pero ahora revela una intensidad
mayor en la zona central con forma de cruz.
20
1800
15
1600
1400
Y pos ition [c m ]
10
1200
5
1000
0
800
-5
600
-10
400
-15
-20
-20
200
-15
-10
-5
0
5
X position [cm]
10
15
20
Figura 6.2: PSD ubicado en la posición actual de los detectores de 3He, retirado el
slit de la muestra.
81
Ing. Sandra Ramírez
6.4 Modificación de la línea de transmisión actual
Como se mencionó y analizó al final del capítulo 4 de este trabajo, para
cada simulación se estudió la evolución del haz en el trayecto que va desde la
STDV1 hasta la posición de los detectores. De ese estudio surgió como
conclusión que en el tramo correspondiente al TDV2 la presencia de los slits
corta el haz de neutrones transmitidos, tanto que a los detectores llega
únicamente un bajo porcentaje. Por este motivo sería conveniente rediseñar
también el TDV2, en caso de incorporar la guía de neutrones.
Tabla 6.2: Cuentas de neutrones y % que llegan a los monitores de posición y
a los detectores
5) GUIA TELESCÓPICA
Muestra
Muestra
Circular Rectangular
Energía
S8
S9
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S1
PSD8
PSD9
PSD2
PSD3
PSD4
PSD5
PSD6
PSD7
Detectores
E=1.8meV
Cuentas
655240
387410
655240
387410
655240
387410
655240
387410
528000
307320
364910
214700
342700
201640
284290
168510
268980
159640
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
80.58%
55.69%
52.30%
43.39%
41.05%
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
79.33%
55.42%
52.05%
43.50%
41.21%
Analizamos, en presencia de la guía elegida qué porcentaje de cuentas
de neutrones llega a cada monitor y a los detectores. En la Tabla 6.2 se
observa que a partir del monitor de posición PSD4 disminuye el porcentaje de
neutrones debido a la presencia de los dos slits que existen en el tramo final
del TDV2, y que al cortar el haz impiden que todos los neutrones transmitidos
lleguen a los detectores. Como vemos en la tabla, a los mismos sólo alcanzan
82
Ing. Sandra Ramírez
un 41% de los neutrones que emergieron por la STDV1, por lo que de no
eliminar estos dos slits terminales, se estaría perdiendo la optimización lograda
con la guía de neutrones.
6.5 Costos estimativos
En la Tabla 6.3 se muestran los costos proporcionados por dos
fabricantes de guías de neutrones.
Tabla 6.3: Proveedores y costos
Proveedor
Costo unitario
Swiss Neutronics
9,000 (€/m)
Mirrotron
10,000 (US$/m)
Cantidad
3.16 m
"
Costo total
28,440 €
31,600 US$
Debería considerarse también impuestos, transporte y montaje.
83
Ing. Sandra Ramírez
Capítulo 7
Continuación de este Trabajo – Mejoras a futuro
En este capítulo se sugieren brevemente algunas consideraciones que
podrían tenerse en cuenta a futuro para mejorar el modelo obtenido en este
trabajo de modo de lograr una optimización más acabada.
7.1 Diseño
En las conclusiones derivadas de este trabajo se mencionó que, al
incorporarse una primera guía en el tramo comprendido entre la fuente y la
muestra, será necesario modificar el tamaño y la configuración del banco de
detectores de 3He existente actualmente en la línea de transmisión. Otra opción
sería analizar la posibilidad de incorporar una segunda guía de neutrones en el
tramo comprendido entre la muestra y los detectores. Ver Figura 7.1. De este
modo se reenfocarían los neutrones transmitidos y se esperaría que el tamaño
del haz no aumente considerablemente como para necesitar rediseñar el banco
de detectores.
Detectores
Muestra
Fuente
Guía 1
Guía 2
Figura 7.1: Diseño de Línea de Transmisión con dos guías de neutrones.
7.2 Guía con canales internos
En este trabajo se inició el estudio de una guía telescópica con canales
internos. El software McStas permite simular, entre otros componentes, guía de
neutrones de sección uniforme con canales internos, sin embargo presenta la
dificultad de generar un resultado para guía telescópica con canales internos;
debido
a
esta
limitación
iniciamos
una
aproximación
mediante
una
programación en MATLAB (software que usamos también como interfaz
gráfica).
84
Ing. Sandra Ramírez
Es de esperar, en esta guía con canales una mejora en la divergencia,
de allí el interés en estudiarla. Ver Figura 7.2. Esta simulación no se concluyó
por razones de tiempo, sin embargo podría ser de utilidad continuarla a futuro.
Figura 7.2: Fotografía de una guía de neutrones subdividida con
canales
internos.
7.3 Mejoras del modelo
Para la verificación del modelo, realizamos experimentos basados en la
determinación del flujo neutrónico a la salida del tubo de vuelo 1 en la dirección
horizontal. Sería interesante repetir el experimento para obtener la variación del
flujo neutrónico en el sentido “y”.
También, en cuanto a las simulaciones, podrían estudiarse otras
posibilidades de elementos componentes más complejos que brinda como
opción el software McStas en cuanto a fuentes y monitores. En nuestro caso
utilizamos la alternativa más sencilla.
7.4 Otras energías
Podrían realizarse simulaciones para otros valores de energías de
interés, ya que el laboratorio desea implementar una fuente fría de neutrones.
85
Ing. Sandra Ramírez
8 Apéndices
8.1 Irradiación con Detectores de Trazas
En esta sección se describe un trabajo experimental que se realizó con
la finalidad de medir un perfil de flujo neutrónico, utilizando para ello detectores
de trazas.
Para los tiempos de irradiación a que expusimos las muestras, los
resultados obtenidos no han sido satisfactorios, presumiblemente debido a la
baja intensidad de nuestra fuente de neutrones.
. Sin embargo, realizamos una breve descripción del experimento
realizado y sus resultados.
8.1.1 Objetivos de la Medición
Determinar el tiempo de irradiación con neutrones, necesario para
evidenciar trazas en el detector que nos permitan evidenciar un cambio o
contraste proporcional al tiempo de exposición a la radiación.
8.1.2 Dispositivo de Detección
Consistió en un film compuesto por dos capas externas de ácido bórico y
una interna constituida por nitrato de celulosa. Al incidir un neutrón sobre la
capa externa, se generó la siguiente reacción:
B 10 + n → Li 7 + α
Las partículas α resultantes incidieron en la capa central generando
trazas. Éstas se hicieron visibles a través de un proceso de erosión química
denominado revelado.
8.1.3 Muestra
Se fragmentó el film y cada parte (muestra) fue expuesta a un haz de
neutrones a la salida del tubo de vuelo de transmisión del LINAC, a un tiempo
distinto. Las muestras eran indistinguibles, excepto por el hecho de que fueron
86
Ing. Sandra Ramírez
recortadas con forma distinta, para poder identificarlas y asociarlas, de acuerdo
con el tiempo de exposición que tuvo cada una al flujo neutrónico.
8.1.4 Experimento
Se colocó la placa de cadmio con la rendija de 14 mm x 4 mm a la
STDV1 y superpuesta a ella dos muestras en cada irradiación: una de ellas fue
cambiando a lo largo del experimento (pues era retirada y cambiada por otra
luego de un tiempo de exposición); la otra permaneció durante todo el ensayo
en un tiempo que resultó ser el acumulado de los anteriores.
8.1.4.1 Irradiación en el LINAC
En total se irradiaron las cinco muestras, durante los tiempos que se
exponen en la Tabla 8.1:
Tabla 8.1: Tiempos de Irradiación de las muestras
Muestra
Tiempo de
Irradiación
(min)
1
15
2
30
3
60
4
120
5
225
8.1.4.2 Proceso de Revelado
Las muestras irradiadas, primeramente, y de acuerdo con el proceso
explicado en [18], se limpiaron con detergente; posteriormente fueron llevadas
a una solución acuosa de soda cáustica (NaOH) 2.5 normal a una temperatura
del orden de los 52°C durante un tiempo de 40 minut os. Para lograr dicha
temperatura, se utilizó un horno en el que se introdujo un recipiente de vidrio,
conteniendo la solución con las muestras y un termómetro sumergido en él.
87
Ing. Sandra Ramírez
Luego del revelado, la reacción química fue detenida sumergiendo las
muestras en vinagre. Posteriormente fueron limpiadas con detergente y agua a
fin de retirar cualquier residuo graso.
8.1.4.3 Microscopio Óptico
A partir del proceso de revelado, y como las trazas no eran visibles a
simple vista; tampoco era distinguible un contraste o una diferencia de
tonalidad que nos permitiera identificar una diferencia de flujo, recurrimos en
una segunda etapa, a la observación de las muestras a través del microscopio
óptico. En la Figura 8.1 se muestra una fotografía ejemplo de una imagen bajo
el microscopio, en la que se observa la escala del mismo. La menor división de
dicha escala para 20 aumentos, representa 5µm.
Figura 8.1: Escala del microscopio óptico: 5µm/div
Se tomaron fotografías con el microscopio óptico de las 5 muestras
analizadas para 5, 10 y 20 aumentos. En la Figura 8.2 se observan las
imágenes obtenidas para 20 aumentos correspondientes al primer día, es decir,
luego de haber sometido las muestras a un proceso de revelado de 60 minutos.
Luego de transcurrido este tiempo, y como no se evidenció un contraste
notorio, decidimos aumentar el tiempo de revelado.
88
Ing. Sandra Ramírez
Al día siguiente volvimos a sumergir las muestras en la solución acuosa
de soda cáustica, bajo las mismas condiciones del día anterior, pero ahora
incrementando el tiempo de revelado, en 40 minutos, es decir, que las
muestras finalmente tuvieron un tiempo de revelado total de 120 minutos.
Tampoco se pudo apreciar un contraste a simple vista. En la Figura 8.3 se
muestran las fotografías obtenidas con el microscopio electrónico.
8.1.5 Resultados Obtenidos
Los resultados obtenidos no han sido favorables, debido a que las
escasas trazas evidencian que es necesario un mayor tiempo de irradiación
para poder apreciar un contraste de modo que sea distinguible una diferencia
de flujo entre una muestra y otra. La muestra 5 de la Figura 8.3, que ha tenido
el mayor tiempo de irradiación (225 minutos) y un tiempo de revelado de 120
minutos, muestra un daño tal que las trazas, de acuerdo con mediciones en el
microscopio, tienen un diámetro del orden de los 27 µm.
Conclusión: No se aprecian notables diferencias entre la muestra 1, que
estuvo expuesta 15 minutos, y la muestra 5 que estuvo expuesta 225 minutos.
Esto nos llevó a pensar que para lograr nuestro objetivo, será necesario un
tiempo de exposición de las muestras a un flujo de neutrones en un tiempo
considerablemente prolongado, incluso de varios días, por lo que optamos por
realizar la medición del perfil del flujo neutrónico de acuerdo con las técnicas
experimentales explicadas en el Capítulo 3 de este trabajo.
89
Ing. Sandra Ramírez
Sin irradiar
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Muestra 4
Muestra 5
Figura 8.2: Muestras con 20 aumentos – Día 1
90
Ing. Sandra Ramírez
Sin irradiar
Muestra 2
Muestra 4
Muestra 1
Muestra 3
Muestra 5
Figura 8.3: Muestras con 20 aumentos – Día 2
91
Ing. Sandra Ramírez
Anexos
Anexo I: Modelo en CAD
A continuación se expone el modelo a escala realizado en CAD. El plano
representa un corte longitudinal de la línea de transmisión actual del LINAC.
92
PSD1
(DETECTORES)
Slit11
PSD7
Slit10
PSD6
Slit9
PSD5
Slit8
PSD4
Slit7
PSD3
Slit5 (rendija)
PSD9
TUBO DE VUELO 2
FUENTE DE NEUTRONES
PSD8
Slit6
PSD2
Slit4
Moderador
Colimador
Slit3
TUBO DE VUELO 1
Slit1
Source
Slit2
Ø10,6
Ø12,5
Ø32
Arm1
9,4
23°
15
5
16,7
53,8
16,7
316,2
18
19,5
43
274
338,55
821,1
NOMBRE
MAESTRÍA EN INGENIERÍA: OPTIMIZACIÓN DE UNA LíNEA DE
ESPECTROMETRÍA NEUTRÓNICA DE TRANSMISIÓN APLICADA A
CIENCIA DE MATERIALES PARA EL ACELERADOR LINEAL DEL CAB.
Esc: 1:10
(Cotas en cm)
FECHA
REALIZÓ
RAMIREZ, Sandra
29/07/2010
REVISÓ
SANTISTEBAN, Javier
29/07/2010
ESQUEMA DE LA LINEA DE TRANSMISION DEL LINAC
Ing. Sandra Ramírez
Anexo II: Trabajo presentado en Congreso
J.R. Santisteban – S. Ramírez – Optimización de una Línea de
Espectrometría Neutrónica de Transmisión Aplicada a Ciencia de Materiales
para el Acelerador Lineal del Centro Atómico Bariloche. – XXXVI Reunión
Anual de la Asociación Argentina de Tecnología Nuclear – Buenos Aires –
Argentina 16 al 20 de Noviembre 2009.
Cabe aclarar, que este trabajo de Tesis fue presentado oportunamente,
hasta la etapa en la que se encontraba avanzado a esa fecha.
Referencias
[1] F. Cantargi, J.R. Granada, Thermal neutron cross-section libraries for
aromatic hydrocarbons, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, Volume 268, Issue 16,
15 (2010), 2487- 2491.
[2] F. Cantargi, J.J. Blostein, L. Torres, J.R. Granada, Thermal neutron cross
section of liquid and solid mesitylene, Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms,
Volume 248,
Issue 2, (2006), 340-342.
[3] F. Cantargi, J.R. Granada, S. Petriw, M.M. Sbaffoni, New scattering kernels
for some materials of interest as advanced cold neutron moderators, Physica B:
Condensed Matter, Volumes 385-386, Part 2, 15 November 2006, Pages 13121314.
[4] S. Petriw, J.R. Santisteban, J. Dawidowski, Porosity effects in the neutron
cross section of graphite, Journal of Nuclear Materials, 396 (2010) 181-188.
93
Ing. Sandra Ramírez
[5] J. Dawidowski, J. R. Santisteban, J.R. Granada,
dynamics
of
condensed
matter
through
neutron
Exploration of the
total
cross-section
measurements, Physica B 271 (1999) 212-222.
[6] J. R. Santisteban, L. Edwards , A. Steuwer and P. J. Withers, Time-of-flight
neutron transmission diffraction, Journal of Applied Crystallography 34 (2001),
289-297.
[7] A. Steuwer, P.J. Withers, J.R. Santisteban, L. Edwards, G. Bruno, M. E.
Fitzpatrick, M.R. Daymond, M.W. Johnson, Bragg Edge Determination for
Accurate Lattice Parameter and Elastic Strain Measurement, D. Q. Wang Phys.
Stat. Solidi (a) 185, (2001) 221-230.
[8] J. R. Santisteban, L. Edwards, A. Steuwer, P. J. Withers, M. E. Fitzpatrick
Engineering applications of Bragg edge neutron transmission, Appl. Phys. A 75
(2002) 1433-1436.
[9] C. G. Windsor, Pulsed Neutron Scattering, Book published by Taylor and
Francis, (1981).
[10] McStas version 1.12a - Risoe National Laboratory, 1997-2009, Institut Laue
Langevin, 2003-2009.
[11] Peter Kjær Willendrup, Erik Knudsen, Kim Lefmann and Emmanuel Farhi,
Component Manual for the Neutron Ray-Tracing Package, McStas, Version
1.12, Risø DTU, Roskilde, Denmark, (2008).
®
[12] MATLAB R2008a, The MathWorks, Natick, Massachusetts, USA.
[13] J. Dawidowski, Correcciones por inelasticidad y scattering multiple en
experimentos de dispersion de neutrones, Tesis Doctoral, Instituto Balseiro,
1993.
94
Ing. Sandra Ramírez
[14] E. Fermi, W. J. Sturm, and R. G. Sachs, The Transmission of Slow
Neutrons through Microcrystalline Materials, Phys. Rev. 71, 589–594 (1947).
[15] DrafSight – Nuevo CAD 2D de Dassault Systemes.
[16] A.J. Dianoux – ILL (Grenoble), G. Lander – ITU (Karlsruhe), Neutron Data
Booklet , Institut Laue-Langevin, 2002
[17] Swiss Neutronics, Optical Components & Instruments,
http://www.swissneutronics.ch/products/guides.html
[18] G. Campo, C. Camusso, G. De Cesco, D. Lanzilloti, Implementación de un
Proceso de Neutrografía Usando un Detector de Trazas y Posterior
Procesamiento de las Imágenes Obtenidas, Informe, Laboratorio de Ingeniería,
Carrera de Ingeniería Nuclear, Instituto Balseiro, 2003.
[19] G.L. Squires, Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering,
Cambridge 1978
[20] K.H. Beckurtz, K. Wirtz, Neutron Physics, Springer-Velarg, Germany, 1964
95
Ing. Sandra Ramírez
Agradecimientos
A mi madre
A mi Director Dr. Javier Santisteban por todo lo que me ha enseñado.
A mi Co-Director Dr. Roberto Mayer; por el valioso tiempo que me ha
dedicado procurando guiarme en todo lo que le fuera posible, cada vez
que lo requería.
Al Dr. Rolando Granada, por su generosidad, predisposición y afecto.
A los técnicos del Laboratorio de Neutrones y Reactores: Luis Capararo,
Máximo Snebelli, Pablo D’Avanzo, Yamil Moreira y Alberto Mansilla, por
su predisposición y calidez humana.
A mis compañeros de laboratorio. De todos ellos he recibido y aprendido
mucho: Dra. Florencia Cantargi, Dr. Luis Rodríguez Palomino, Dr.
Aureliano Tartaglione, Dr. Jerónimo Blostein, Ing. Damián (Nacho)
Márquez, Ing. Cristián Sepúlveda, Dr. Daniel Viñales, y Dr. Javier
Dawidowski.
Deseo destacar y agradecer especialmente a Florencia Cantargi, Luis
Rodríguez y Aureliano Tartaglione por su paciencia y colaboración para
explicarme tantos temas y evacuar dudas.
A todos los docentes, especialmente a: Dr. Víctor Hugo Ponce, Dra.
María Arribere, Dr. Alberto Baruj.
Al personal de la Biblioteca Leo Falicov, por su colaboración y calidez
humana.
A mis amigos que me han apoyado y acompañado en la concreción de
este sueño: Jirina, Gloria, Julián, Gustavo, José Juan, Epi, Andrea,
Raquel, Daniel, Silvina, Paty, Maricruz, Natalia, Víctor, Chiche y Javier.
A la familia que tengo en Bariloche: Marlys, Virginia y Fabiola. Quienes
me han acompañado, estando lejos de casa.
Al Sr. Decano de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional
del Nordeste, Dr. Ing. Jorge Pilar, por haber apoyado mi iniciativa de
realizar esta Maestría.
A mi familia: Mabel, Sonia, Nilda, Rocío y Gise.
A la Vida, por esta experiencia enriquecedora.
96