Valutazione preliminare dello spettro neutronico alla NEAR Station di n_TOF del CERN con tecniche di attivazione e metodi di unfolding Bayesiano

The purpose of this thesis work is to contribute to the measurement and reconstruction of the neutron energy spectrum of the n_TOF spallation source at CERN by means of the neutron activation method coupled with Bayesian unfolding techniques. The n_TOF facility is equipped with three experimental areas called EAR-1, EAR-2 and NEAR Station and is an important tool for studies of neutron-nucleus reactions, in a wide energy range from a few meV to about 1 GeV. In the NEAR Station, the neutron spectrometry is no longer based on the time-of-flight technique employed in EAR-1 and EAR-2, due to its proximity to the spallation target, and therefore it was decided to use the neutron activation technique. This method is based on the irradiation of appropriately selected foils of different isotopes to cover the wide energy range from the thermal region to the fast one and on the use of a Bayesian deconvolution software that, through Markov Chain Monte Carlo (MCMC) simulations, provides in output the neutron spectrum starting from the experimental activation data. A key part of the unfolding is the determination of the factors of self-shielding (self-absorption) of the neutron beam in the foils, used in input to the deconvolution software. Such factors can be obtained by means of Monte Carlo simulations, with neutron transport codes such as MCNP. The thesis, after a description of both the Bayesian deconvolution technique and the deconvolution algorithm employed, reports the application of the proposed method and the preliminary neutron spectrum obtained from experimental data collected during the September-October 2021 measurement campaign at the n_TOF Near Station.

Lo scopo di questa tesi è quello di contribuire alla misura e alla ricostruzione dello spettro energetico dei neutroni della sorgente di spallazione di n_TOF al CERN mediante il metodo di attivazione neutronica accoppiato con le tecniche bayesiane di unfolding. La facility n_TOF è dotata di tre aree sperimentali denominate EAR-1, EAR-2 e NEAR Station e viene impiegata per studiare le interazioni neutrone-nucleo in un ampio range energetico da pochi meV a circa 1 GeV. Per la spettrometria neutronica nella Near Station, non essendo possibile utilizzare la tecnica dei tempi di volo impiegata in EAR1 ed EAR2, a causa della sua vicinanza al target di spallazione, si è deciso di utilizzare il metodo dell’attivazione neutronica. Questa tecnica è basata sull’impiego di targhette di diversi isotopi opportunamente selezionati per coprire l’ampio range energetico dalla zona termica a quella veloce, e sull’uso di un software di deconvoluzione Bayesiano che, tramite simulazioni Markov Chain Monte Carlo (MCMC) fornisce in output lo spettro neutronico a partire dai dati sperimentali di attivazione. Una parte fondamentale dell’unfolding riguarda la determinazione dei fattori di self-shielding (auto-assorbimento) del fascio di neutroni nelle targhette richiesti in input dal software di deconvoluzione. Tali fattori si possono ottenere per mezzo di simulazioni Monte Carlo, con codici di trasporto dei neutroni quali MCNP. La tesi, dopo una descrizione sia della tecnica di deconvoluzione bayesiana che dell’algoritmo di deconvoluzione utilizzato, riporta l’applicazione del metodo descritto e lo spettro neutronico preliminare ottenuto utilizzando i dati sperimentali della campagna di misure settembre-ottobre 2021 presso la Near Station di n_TOF.