Rivelatori di diamante artificiale operanti ad alta temperatura per la diagnostica neutronica di plasmi termonucleari

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è un reattore sperimentale a fusione termonucleare a confinamento magnetico, basato sulla reazione deuterio-trizio, ed è il progetto che rappresenta il passaggio fra gli studi eseguiti fino a oggi sugli aspetti fisici e tecnologici della fusione e la realizzazione del primo reattore dimostrativo in grado di generare energia elettrica da fusione.
Fra i sistemi necessari per il monitoraggio e per il controllo del reattore riveste un ruolo importante la “neutron camera”, un sistema per la diagnostica del plasma basato sulla rivelazione dei neutroni veloci prodotti dalle reazioni di fusione, necessario per la ricostruzione spaziale e temporale della emissività neutronica del plasma, da cui si può determinare la distribuzione spaziale e temporale della densità di potenza di fusione nel reattore.
Le severe condizioni ambientali in cui tale sistema dovrà operare (intensi campi elettro-magnetici, alti flussi di radiazione gamma e neutronica, alta temperatura) limitano la scelta del tipo di rivelatori di neutroni utilizzabili, i quali devono avere buone qualità spettroscopiche per discriminare i neutroni in base all’energia, una bassa sensibilità ai raggi gamma, la capacità di discriminare il segnale derivante dalla rivelazione neutronica rispetto al fondo gamma, una efficienza di rivelazione neutronica adeguata per una buona statistica di conteggio e la capacità di sostenere dei ratei di conteggio elevati.
Le condizioni dell’ambiente in cui verranno sistemati tali rivelatori impongono inoltre che essi abbiano una scarsa sensibilità agli intensi campi magnetici, una notevole resistenza al danno da radiazione e che possano operare a temperature relativamente elevate (tra 100 e 120 °C).
La selezione dei rivelatori destinati alla neutron camera è in corso da molti anni, e tra i vari rivelatori proposti il diamante sembra tra i più promettenti.
Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di studiare le proprietà spettroscopiche dei rivelatori al diamante CVD in condizioni di alta temperatura sotto irraggiamento di particelle alfa e di neutroni veloci.
La caratterizzazione preliminare dei rivelatori monocristallini a diamante artificiale ad alta temperatura di funzionamento sotto irraggiamento di particelle alfa e di neutroni da 14 MeV costituisce la parte sperimentale ed originale del presente lavoro di tesi. In particolare le misure di spettrometria neutronica (ad alta temperatura) rappresentano una assoluta novità nel campo delle misure di neutroni.
Nel primo capitolo verranno descritte le caratteristiche peculiari del progetto ITER con particolare riferimento alla neutron camera.
Nel secondo capitolo verranno richiamate le proprietà fisiche del diamante, la sua struttura cristallina e i principali aspetti connessi con il trasporto dei portatori di carica elettrica nel cristallo. Nello stesso capitolo verranno poi descritti gli aspetti che modificano le proprietà di trasporto di carica del cristallo di diamante “perfetto”, utili per comprendere il comportamento reale del rivelatore, quali i difetti del reticolo cristallino, la giunzione con gli elettrodi metallici e gli stati di superficie del cristallo.
Il terzo capitolo è dedicato ai principali metodi di sintesi dei diamanti, in particolare la deposizione chimica da fase vapore assistita da plasma (MW-PECVD) che consente di ottenere diamanti di qualità sufficientemente elevata per la rivelazione di particelle.
Dopo aver parlato dei metodi per la produzione di quello che costituisce il “mezzo sensibile” del rivelatore, verranno illustrate le reazioni alla base della rivelazione neutronica nel diamante e le due configurazioni base dei dispositivi al diamante CVD, tra cui quella utilizzata per le misure che fanno parte del presente lavoro di tesi.
Nel quarto capitolo verranno riportati i principali risultati dello studio delle proprietà spettroscopiche dei film di diamante CVD sottoposti a irraggiamento con particelle alfa, al crescere della temperatura di funzionamento, con particolare attenzione alla variazione delle proprietà del trasporto delle cariche elettriche che si traducono in una variazione della efficienza di raccolta della carica, della risoluzione spettrale e della stabilità della risposta. La conoscenza di tali caratteristiche è fondamentale per poter valutare eventuali applicazioni ad alta temperatura dei rivelatori al diamante CVD.
Un ulteriore passo avanti nella valutazione delle proprietà spettroscopiche dei rivelatori al diamante CVD in relazione ad un loro eventuale impiego per la diagnostica del plasma in ITER, dopo la caratterizzazione ad alta temperatura mediante particelle alfa, è stato quello di studiare le loro prestazioni ad alta temperatura sotto irraggiamento di neutroni veloci (14 MeV).
A tal proposito, l’ultimo capitolo è dedicato alle misure di spettrometria neutronica ad alta temperatura realizzate mediante il generatore di neutroni FNG presso il CR ENEA di Frascati.