Simulación de un monitor de neutrones sobre la plataforma Geant4. Lorena Gayarre Peña

Transcripción

1 Simulación de un monitor de neutrones sobre la plataforma Geant4 Lorena Gayarre Peña

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3 Trabajo Fin de Máster Simulación de un monitor de neutrones sobre la plataforma Geant4 Lorena Gayarre Peña

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5 En memoria de quien más luchó por su vida que me ha enseñado a luchar por la mía, y a no rendirme nunca por muy difícil que parezca vencer. Siempre estás en mi corazón

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7 Agradecimientos Me gustaría agradecer a todos aquellos que me han ayudado en la elaboración de este libro, sin estas personas este trabajo no hubiera sido posible. Primeramente a Juan José Blanco Ávalos que me dio a conocer la herramienta Geant y me orientó en todo momento con todos los conceptos de física nuclear de este trabajo, algo totalmente desconocido para mí. También agradecer a Edwin Joe, por su paciencia en las respuestas a mis largos correos diarios. A mis compañeros de trabajo, que siempre están ahí cuando me surgen dudas tecnológicas, de programación, etc. Son ellos los que hacen posible el día a día. Por último a mi tutor de Trabajo Fin de Máster, Sebastián Sánchez Prieto, que no sólo me ayuda cada vez que hago un proyecto con él, sino que siempre está dispuesto a orientarme en todos los aspectos que rodean mi trabajo.

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9 Introducción Este trabajo nace como consecuencia del desarrollo del proyecto CaLMa. CaLMa consiste en el montaje y desarrollo de un monitor de neutrones en el parque tecnológico de Guadalajara por parte de la Universidad de Alcalá, en concreto el grupo SRG (Space Research Group). La simulación del proyecto antes de realizar su montaje permitirá conocer el alcance del mismo y los resultados que se pueden obtener. Además, la simulación nos permite probar otras formas de diseño del monitor para alcanzar el mayor rendimiento del sistema. En este Trabajo Fin de Máster realizamos la simulación del monitor de neutrones del proyecto CaLMa utilizando la herramienta Geant4. Para desarrollar una simulación de un entorno sobre una herramienta necesitaremos conocer primeramente en qué consiste el entorno y cómo orientar el uso de la herramienta a ese entorno. Este apartado de introducción pretende dar a conocer de forma muy genérica el entorno de trabajo y la herramienta a utilizar. En los siguientes capítulos haremos una descripción más profunda acerca de todos los conceptos aquí tratados. Como ya hemos dicho anteriormente, el proyecto que envuelve este trabajo, CaL- Ma, consiste en diseñar y montar un monitor de neutrones en el parque tecnológico de Guadalajara. El diseño y montaje de este monitor de neutrones se puede separar en dos partes diferenciadas; montaje físico del monitor de neutrones y adquisición de datos. Para desarrollar correctamente el sistema de adquisición necesitamos conocer qué partículas se van a adquirir, la energía de estas partículas, etc. Por este motivo nace este Trabajo Fin de Máster, que permitirá describir de forma teórica el comportamiento del sistema, entender y estudiar el monitor de neutrones, su estructura, los procesos físicos que ocurren en él, los productos de estos procesos fisicos, etc. Simular el proyecto es vital para entender su comportamiento y corregir sus fallos. La herramienta Geant4 permitirá simular de forma teórica el comportamiento de las partículas a su paso por el monitor de neutrones. Conociendo el comportamiento de estas partículas y simulando las reacciones nucleares que tienen lugar en el monitor de neutrones, se pueden contabilizar los productos de estas reacciones y sacar una proporción entre las partículas entrantes y los productos obtenidos. Éste es, básicamente, el funcionamiento de un monitor de neutrones. Este trabajo esta dividido en tres bloques diferenciados. El primer bloque lo compone el primer capítulo donde se hace un estudio teórico acerca de los diferentes detectores de partículas energéticas y las herramientas de simulación existentes hoy en día.

10 x El segundo y tercer capítulo explican de forma teórica el instrumento detector monitor de neutrones y la herramienta de simulación Geant4, utilizados en el desarrollo del proyecto. El segundo capítulo se centra en la estructura del monitor de neutrones y las interacciones que tienen lugar al ser atravesados por partículas de distintas energías. Además se explican los fundamentos físicos de estas interacciones. El capítulo tres se ha dedicado a explicar de forma teórica la estuctura de la herramienta Geant4 y la forma de simular un entorno de trabajo y sus procesos físicos asociados. Estos dos capítulos forman el segundo bloque. El tercer y último bloque está formado por los capítulos cuatro, cinco y seis donde se explica el trabajo desarrollado en este proyecto, los resultados obtenidos tras realizar las simulaciones y las conclusiones una vez terminado el trabajo.

11 Objetivos En este apartado se describe el objetivo principal de este Trabajo Fin de Master y los objetivos secundarios que se han ido alcanzando durante el desarrollo del mismo. Objetivo Principal 1. Desarrollar la simulación de un monitor de neutrones sobre la plataforma Geant4. Con este trabajo se quiere obtener una aplicación que simule el paso de partículas secundarias producidas en cascadas hadrónicas por las distintas capas que forman el monitor de neutrones, y monitorizar los resultados obtenidos. La cuantificación de estas partículas permite tener una estimación del flujo de rayos cósmicos en torno al GeV que hay en el espacio. Este trabajo no pretende crear un entorno simulado de un monitor de neutrones y realizar pruebas que ratifiquen que la simulación funciona correctamente para que, posteriormente, pueda ser utilizado en el estudio teórico de los monitores de neutrones. Objetivos Secundarios 1. Conocer los sistemas de detección de partículas altamente energéticas y, en concreto, los monitores de neutrones. Se ha realizado un estudio acerca de los diferentes tipos de detectores, ventajas y desventajas que muestran, para valorar y utilizar estas ventajas. 2. Estudiar los procesos físicos que sufren estas partículas, tanto al cruzar la atmósfera, como al atravesar el monitor de neutrones. Para realizar la simulación sobre una herramienta como Geant4, debe conocerse primeramente cada una de las interacciones que sufren las partículas a su paso por los diferentes materiales, muchas veces en función de su energía. Por este motivo es necesario estudiar y comprender los procesos físicos que ocurren tanto dentro como fuera del monitor de neutrones. 3. Estudiar la herramienta Geant4 y simular sobre ella el monitor de neutrones. El buen conocimiento de la herramienta es la base de un correcto desarrollo de la simulación. Se han dedicado horas de trabajo específicas a conocer la estructura del paquete de trabajo Geant4 para poder sacar el máximo provecho de todas las facilidades que ofrece.

12 xii 4. Caracterizar de forma teórica el funcionamiento del monitor de neutrones. Además de la física y la herramienta utilizada, se necesita conocer también el entorno de trabajo, en este caso el monitor de neutrones (también llamado en este trabajo MN). Se debe estudiar el instrumento de forma general, para poder caracterizar el específico que se usará en el proyecto; sus medidas, materiales, etc. y poder simularlo correctamente. 5. Preparar la aplicación para poder obtener los resultados de simulación en formato ASCII o similar. Una simulación no es fructífera sin unos resultados organizados que permitan el estudio teórico del sistema. Para ello necesitan mostrar los resultados correctamente en un formato compatible con aplicaciones de representación.

13 Índice general 1 Estado del arte Los rayos cósmicos Tipos de detectores de rayos cósmicos Monitores de neutrones Simulación de los monitores de neutrones El monitor de neutrones Introducción Componentes y procesos físicos en un MN MN en Guadalajara La plataforma Geant Diseño del MN sobre la plataforma Geant Archivos obligatorios Version1DetectorConstruction (.hh y.cc) SSNeutronPhysics (.hh y.cc) Version1PrimaryGeneratorAction (.hh y.cc) Archivos auxiliares Version1DetectorMessenger (.hh y.cc) v3steppingverbose (.hh y.cc) v2stackingaction (.hh y.cc) Macro Completo.mac Archivo principal V3.cc Resultados 27 6 Conclusiones 31 7 Trabajos futuros 33

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15 Índice de figuras 1.1 Herramienta FLUKA Herramienta Geant Cascadas hadrónicas Unidad cilíndrica de un MN Monitor de neutrones protegido y montado para su funcionamiento Resultado teórico de conteo de ionizaciones Geometría del moderador del MN Geometría de la capa productora formada por plomo Geometría del monitor de neutrones completo Geometría de los tubos tipo LNDsk Aplicación eclipse Órdenes Geant en modo ejecución Listado de archivos que forman la aplicación V Ejemplo de definición de capas en modo ejecución Simulación de la capa reflectora de polietileno Resultados simulación de la capa reflectora Resultado de simulación de un neutrón sobre el MN completo Resultado de simulación de un neutrón

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17 Índice de cuadros 2.1 Energías de los neutrones en función de la capa del MN Características de los tubos que forman el MN Procesos físicos definidos Órdenes de monitorización por pantalla Órdenes de Inicialización, acción y seguimiento Órdenes de visualización

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19 Capítulo 1 Estado del arte 1.1. Los rayos cósmicos Desde que se tiene conocimiento del espacio exterior, el ser humano ha tratado de estudiar y predecir cómo afectan los cambios en el espacio a la Tierra y a la vida en ella. La investigación espacial es una rama novedosa con respecto a otras ciencias pero, aún así, ha avanzado rápidamente en los últimos años debido tanto a enfrentamientos políticos (EEUU vs Unión Soviética) como a la curiosidad humana (la autora de este trabajo es un ejemplo de ello). Hoy en día la comunidad científica exprime al máximo los avances tecnológicos para investigar lo que ocurre en el espacio exterior. La evolución de la tecnología para el beneficio de la ciencia ha permitido estudiar cómo las fulguraciones solares principalmente (explosiones en la superficie solar que provocan el despendimiento de millones de partículas con energías muy variadas), dañan nuestros sistemas de comunicación pudiendo llegar a dejarlos inutilizables si estas partículas son muy energéticas. Si los sistemas de comunicación que rotan alrededor de la Tierra quedaran dañados, las comunicaciones dejarían de funcionar, la cobertura telefónica, internet, etc. Por este motivo, aparece la necesidad de estudiar este flujo de partículas energéticas, conocido como plasma; dónde y por qué se forma, cómo se comporta, cómo se transporta hasta la Tierra, etc. Para más información acerca de los daños típicos debidos a radiación espacial véase System efects of Single Event Upset [Fin89]. Hasta el día de hoy se sabe que la Tierra es bombardeada por plasma formado por partículas de muy distintos rangos de energía. La mayoría de ellas no consiguen atravesar la atmósfera, por lo que se hace necesaria la instalación de sistemas de detección en el espacio para poder contabilizarlas, clasificarlas, estudiar su origen, etc. Estos estudios son misiones científicas lanzadas por agencias espaciales que embarcan instrumentos de detección. Algunas misiones destacables son: SOHO: Observa el Sol constantemente y graba la eyecciones. El objetivo es predecir cuándo va a ocurrir una eyección solar en función de las manchas que tiene su superficie.

20 2 Estado del arte. Capítulo 1 WIND: Compuesta por toda una flota de detectores de campo magnético y partículas energéticas, almacena la información que se manda a Tierra y se representa en forma de gráficas. El objetivo es estudiar los procesos que sufre el plasma procedente del Sol en zonas cercanas a la Tierra [httc]. De la misma forma que las partículas menos energéticas se estudian desde el espacio exterior, existen otras de mayor energía que son capaces de atravesar la atmósfera y llegar hasta la superficie terrestre. A estas partículas altamente energéticas se les conoce como rayos gamma y rayos cósmicos. Los rayos gamma provienen, entre otros, de la formación de estrellas y galaxias, de las fulguraciones solares o de procesos de desintegración radiactiva, y tienen energías de miles de MeV. Éstos interaccionan con la atmósfera produciendo pares e+ /e y perdiendo energía hasta que se disipan antes de llegar a la superficie debido a otros efectos físicos. Los rayos cósmicos son las partículas más energéticas del espacio, provienen bien del espacio interestelar con energías de hasta ev, o bien de fulguraciones del Sol con energías de unos 10 9 ev. Los rayos cósmicos al llegar a la atmósfera chocan con los núcleos de oxígeno y nitrógeno del aire. El choque destruye la partícula energética y la molécula de aire y aparecen nuevas partículas en su lugar. La partícula energética que proviene del espacio se conoce con el nombre de primaria, y las resultantes del choque se denominan secundarias. Las nuevas partículas secundarias chocan de nuevo con moléculas de aire y producen a su vez más partículas, generando lo que se conoce como cascadas hadrónicas Tipos de detectores de rayos cósmicos Como se ha dicho anteriormente, la energía de los rayos cósmicos varía en muchos órdenes de magnitud, por lo que existen diferentes métodos experimentales para su detección. Cuando se trata de rayos cósmicos de bajas energías, típicamente los provenientes del Sol o de estrellas cercanas, es posible detectar la partícula primaria. Para registrar estas partículas antes de que reaccionen con la atmósfera se necesita transportar los detectores fuera de la atmósfera. Esto se hace mediante globos aerostáticos o satélites. Los instrumentos de detección de rayos cósmicos de bajas energías están formados por varias capas de un material conocido. Al atravesar el rayo cósmico este material, interacciona con él. El estudio de los productos resultantes permite conocer la energía que llevaba la partícula primaria o incluso la trayectoria de la partícula primaria. Véase [SM76], como ejemplo de detectores plásticos instalados en globos aerostáticos. Los rayos cósmicos de altas energías no pueden estudiarse con los métodos anteriores ya que, según descubrimientos realizados en el observatorio Pierre Auger (véase [httd]), cuanta más energía tienen los rayos cósmicos, menos abundancia hay en el universo, llegando a la cifra de una partícula primaria por kilómetro cuadrado cada siglo si se trata de energías del orden de ev. Por este motivo se desarrollan instrumentos de detección instalados en tierra que, como se ha explicado anteriormente, utilizan los productos de las cascadas hadrónicas para estudiar el flujo de rayos cósmicos de altas energías. Estos instrumentos tienen la ventaja de poder ocupar mucho espacio físico y, por lo tanto, mayor capacidad de detección. Por

21 1.2. Tipos de detectores de rayos cósmicos 3 otro lado tienen como desventaja la dificultad que conlleva caracterizar un primario a partir de las partículas detectados de la cascada hadrónica. Aún así son muchos los tipos de detectores que se instalan en la superficie terrestre para el estudio de los rayos cósmicos. Las técnicas más destacadas son: Detector de agua: Consiste en una caja cerrada rellena de agua con un fotomultiplicador. Cuando las partículas secundarias de las cascadas hadrónicas entran en la caja, aumenta su velocidad siendo ésta mayor que la de la luz. La onda de choque produce luz Cherenkov [Cet03], que es detectada por el fotomultiplicador. Detector fototubo multiplicador: Compuesto por un plástico centelleador y un fotomultiplicador. Cuando la partícula atraviesa el plástico, este reacciona produciendo un haz de fotones que es amplificado por el fotomultiplicador. Estos detectores son capaces de medir incluso la inclinación de las partículas secundarias si son lo suficientemente precisos, de donde se puede deducir la dirección y energía que portaba el primario. Detector centelleante: Formado por un plástico centelleador y un fotomultiplicador. Utiliza el mismo método que el detector fototubo multiplicador. Detector ojo de la mosca: Este tipo de detector capta la fluorescencia de las cascadas hadrónicas y enfoca toda la luz captada sobre un panal de células hexagonales. Estos detectores de luz son muy sensibles y permiten observar cascadas hadrónicas que están ocurriendo a kilómetros de distancia. Monitor de neutrones: A diferencia de los detectores anteriores, éste no capta los secundarios directamente sino que está formado por una serie de capas de distintos materiales. El secundario interacciona con estas capas produciendo al final neutrones de muy bajas energías conocidos como neutrones térmicos. Los monitores de neutrones actúan como contador proporcional de estos neutrones térmicos. Se caracterizan por su eficiencia, medida en función del número de neutrones de baja energía contabilizados con respecto a partículas secundarias que llegan al detector. En el siguiente capítulo se explicará con detalle el funcionamiento de los monitores de neutrones. Los sistemas de detección terrestre más conocidos son: Observatorio Pierre Auger Es el observatorio de rayos cósmicos más grande del mundo se encuentra en Argentina y cuenta con dos sistemas de detección: Detector de agua, formado por 3000 tanques de litros de agua cada uno y separados ente ellos 1.5 km. Se extienden por toda la superficie de La Pampa argentina. Detector de ojo de mosca, capaz de monitorizar cascadas a más de 15 km de distancia. Véase [httd] para más información

22 4 Estado del arte. Capítulo 1 Neutron Monitor DataBase (NMDB) Es una base de datos que recoge resultados de una red mundial de monitores de neutrones. Gracias a esta base de datos se puede caracterizar el flujo de partículas energéticas procedentes de la magnetosfera en función de su dirección de llegada y energía. Esta red realiza el seguimiento en tiempo real de los datos de 58 monitores de neutrones situados por toda la superficie del globo. Véase [httg] para más información Monitores de neutrones Un monitor de neutrones es un cilindro formado por varias capas dispuestas de forma concéntrica cuya función principal es frenar a las partículas secundarias que alcanzan su superficie mediante procesos físicos para obtener neutrones de baja energía. Estos neutrones interaccionan con el gas interno siguiendo un proceso físico conocido como captura de electrones. En esta interacción se producen partículas alpha y átomos de litio que ionizan al gas. Estas ionizaciones se contabilizan y, en función del número de cuentas obtenidas se conoce el número de secundarios que han alcanzado la superficie del monitor de neutrones. El monitor de neutrones fue inventado por el profesor Jonh A. Simpson de la universidad de Chicago en los años 50. Se puso en funcionamiento en 1957, y se utilizó como estándar de medición de rayos cósmicos durante el Año Internacional de la Geofísica (IGY en inglés). Este primer monitor de neutrones fue bautizado con ese nombre, IGY. En 1964 Carmichael desarrolló otro diseño que llamó NM64, más grande que IGY y con un número de cuentas mayor. Éste se utilizó como estándar en el Congreso Internacional Quiet Sun Year (IQSY) celebrado en 1964; de ahí su nombre (Neutron Monitor 64). IGY y NM64 son los dos tipos de monitores estandarizados que existen hoy en día. Como se ha explicado más arriba, el funcionamiento de un monitor de neutrones se basa en la ionización de un gas al reaccionar con los neutrones de baja energía que lo atraviesan. Los primeros monitores de neutrones utilizaban BF 3 dopado con Boro10 ( 10 B) pero con el tiempo este gas ha sido sustituido por Helio3 ( 3 He) por permitir un diseño más simple del instrumento. Los monitores de neutrones presentan varias desventajas: 1. Umbral de rigidez magnética: Determina la energía mínima que necesita una partícula para poder atravesar la atmósfera. Este valor es variable por lo que cada monitor de neutrones tendrá un umbral de rigidez característico en función de su situación en la superficie terrestre. 2. Ángulo de visión o dirección asintótica de incidencia: Es el cono imaginario por el cuál las partículas deben atravesar la magnetosfera para alcanzar un monitor de neutrones específico. Por esta razón, no toda la atmósfera está cubierta y monitorizada por los monitores de neutrones sino que solo se pueden localizar las partículas que entran dentro del cono de visión de un monitor de neutrones. A pesar de sus desventajas, son varias y muy grandes las ventajas con respecto a los detectores de partículas de altas energías embarcados en el espacio:

23 1.4. Simulación de los monitores de neutrones 5 1. No se saturan cuando hay una ráfaga intensa de partículas procedente de las fulguraciones solares. 2. Su frecuencia de conteo es mucho que sus similares situados en el espacio lo que permite monitorizar variaciones pequeñas a corto plazo y predecir así cambios en el clima espacial. 3. Son fiables y el conteo de partículas es fácil de automatizar. 4. No siguen los estrictos estándares espaciales, por lo que su coste es menor. 5. Fácil mantenimiento y posibilidad de reparación. Más información en [BJ10] y [httg] Simulación de los monitores de neutrones Para entender el funcionamiento de un monitor de neutrones se recurre a la simulación de su comportamiento mediante herramientas software. Este paso previo es necesario antes de la construcción física del mismo ya que, como se ha explicado con anterioridad, la situación del monitor de neutrones en la superficie terrestre es crucial para conocer la energía de las partículas que llegarán hasta él, en función de la rigidez magnética. Mediante la simulación del comportamiento del MN se puede conocer el conteo aproximado de partículas con respecto al número de secundarios que llegan a la superficie. Además, la simulación permite probar con diferentes anchuras para cada una de las capas que componen el monitor de neutrones. De esta forma se puede conseguir una mayor eficiencia en la construcción del monitor de neutrones. Existen dos paquetes informáticos que permiten simular los procesos físicos que ocurren en el espacio; FLUKA y Geant4. Ambos paquetes están compuestos por un conjunto de bibliotecas que simulan el comportamiento de todos los procesos físicos que existen. Simular un proyecto consiste en crear el entorno en el que se desarrollará el proyecto y aplicar sobre él los procesos físicos correspondientes utilizando las bibliotecas adecuadas. En las siguientes líneas se explican con más detalle ambos paquetes de trabajo. FLUKA Figura 1.1: Herramienta FLUKA Tal y como definen en su página web ([htte]) FLUKA es una herramienta de propósito general orientada a la simulación del movimiento de partículas y su interacción con el medio pudiéndose utilizar para todo tipo de aplicaciones. Asociadas a esta herramienta existen otras que permiten monitorizar el movimiento de las

24 6 Estado del arte. Capítulo 1 partículas, crear gráficos con los resultados obtenidos e incluso visualizar los procesos físicos que han ocurrido. FLUKA utiliza Fortran 77 para simular los procesos físicos y crear sus bibliotecas. Su estructura permite indexar sólo las bibliotecas que se necesiten en cada aplicación y generalmente no es necesario programar por parte del usuario. El equipo que ha desarrollado este paquete de trabajo está formado por científicos del CERN ([CER]) y del INFN ([httf]) Geant4 Figura 1.2: Herramienta Geant4 Geant4 ([htta]) es una herramienta para la simulación del paso de partículas a través de la materia. Al igual que FLUKA, está formado por bibliotecas que simulan los distintos procesos físicos, y se completa con una serie de herramientas externas que permiten visualizar, monitorizar y dibujar los resultados obtenidos. La diferencia con FLUKA radica principalmente en el lenguaje de programación utilizado, que en este caso es C++. El grupo de trabajo que desarrolla y realiza el mantenimiento de esta herramienta pertenece al instituto CERN, teniendo además muchas colaboraciones externas.

25 Capítulo 2 El monitor de neutrones 2.1. Introducción Un monitor de neutrones es un dispositivo capaz de detectar los neutrones secundarios que resultan de la interacción de la atmósfera con los rayos cósmicos procedentes del espacio interestelar y de los procesos de aceleración que tienen lugar en el Sol. Estas interacciones producen cascadas hadrónicas, obteniendo como resultado neutrones de energías más bajas que varían de los MeV a las decenas de GeV. La figura 2.1 muestra el proceso físico conocido como cascada hadrónica. Figura 2.1: Cascadas hadrónicas Los MN están formados por diferentes capas de materiales que frenan aún más a estas partículas mediante nuevas cascadas hadrónicas y choques elásticos. La sucesión de estos procesos producen neutrones de unos pocos ev (conocidos como neutrones de evaporación) que interaccionan produciendo núcleos cargados (alphas) detectables por el

26 8 El monitor de neutrones. Capítulo 2 MN. De esta forma el MN puede definirse como un contador proporcional de neutrones de bajas energías. Geométricamente hablando, un MN es un conjunto de tubos cilíndricos formados por capas de diferentes materiales. Normalmente los tubos se encuentran agrupados de 3 en 3 o de 6 en 6 para favorecer la producción de las partículas alpha. En el siguiente apartado se definen las distintas capas que forman el MN, el por qué de la existencia de cada una de ellas y los procesos físicos destacables que tienen lugar para conseguir la producción de las partículas alpha en el núcleo del MN. Las figuras 2.2 y 2.3 muestran un MN real. Figura 2.2: Unidad cilíndrica de un MN Figura 2.3: Monitor de neutrones protegido y montado para su funcionamiento

27 2.2. Componentes y procesos físicos en un MN Componentes y procesos físicos en un MN 1. Detector: Es la capa más interna y conforma el principio activo que permite la detección de los neutrones de evaporación. Se usan dos gases para rellenar esta capa, BF 3 y 3 He. En el proyecto CaLMa, esta capa tiene un diámetro de 21.3 cm y se rellena con BF 3. El gas reacciona con los neutrones de baja energía que llegan del exterior produciendo litio y partículas alpha. Además, este gas cumple otro papel importante ya que, al entrar en contacto con el litio y las alphas, se ioniza produciendo una cuenta. Una cuenta es la detección de un ión debido a que un neutrón de evaporación ha producido una partícula cargada alpha. Esta detección es posible gracias a un hilo de alto voltaje (-2800V) que recorre transversalmente el eje central del cilindro de un extremo al otro. De esta forma, cualquier ión producido en el gas es atraído por el voltaje negativo y se genera un pico de corriente detectable mediante un sistema de adquisición. Entrando más en detalle en las propiedades físicas del BF 3 : El BF 3 está dopado al 96 % con 10 B, para favorecer las reacciones nucleares con los neutrones. La sección eficaz del boro para esta reacción es de 3840 barn. La presión del gas BF 3 es de 0.27 atm. Las dos reacciones nucleares que se producen entre el 10 B y los neutrones térmicos de ev son: 10 5 B n > 7 3 Li α + 2,792MeV (2.1) 10 5 B n > 7 3 Li e α + 2,391MeV (2.2) Las curvas típicas de conteo de ionizaciones se muestran en la figura 2.4. Como se observa hay un pico de contabilización a MeV y también otro a MeV. Además se pueden encontrar picos a 1.47 MeV debido a efectos de discontinuidad. El pico de contabilización es mayor en el rango de MeV porque la probabilidad de que aparezca el litio en estado excitado es del 94 % ([BJ10]). La energía producida se reparte entre los productos de forma proporcional a la masa; 7/11 para las alphas y 4/11 para el Li. Hay que tener en cuenta que cuanta más velocidad llevan los neutrones, menos probabilidad existe de que se produzca esta reacción nuclear; es por esto por lo que interesa cubrir esta capa con otros materiales que aseguren un frenado del neutrón desde los MeV/GeV iniciales hasta los ev necesarios. Para más información acerca de las reacciones nucleares véase [F.00]. El proceso físico que produce esta reacción nuclear se llama interacción inelástica. Este proceso consite en el choque del neutrón con el núcleo molecular, produciendo la transformación del núcleo (boro se convierte en litio) y la emisión de una partícula alpha. En la simulación se hace el conteo de átomos de litio para comprobar que se están produciendo estas interacciones y se obtiene una gráfica con las energías de ionización.

28 10 El monitor de neutrones. Capítulo 2 Figura 2.4: Resultado teórico de conteo de ionizaciones 2. Moderador Es la capa que rodea al gas BF 3, y su objetivo es frenar a los neutrones que llegan hasta ella. El frenado se consigue produciendo choques elásticos. En estos choques, el neutrón rebota contra los núcleos del material perdiendo parte de su energía. Las colisiones elásticas son más frecuentes cuanto más hidrogenado esté el material, por eso se suele utilizar polietileno o parafina. En el caso del proyecto CaLMa se ha utilizado una capa de polietileno con un espesor de 4 cm. En un choque eficaz, un neutrón puede llegar a perder hasta la mitad de su energía. La elección de este espesor se explica de la siguiente manera: Los neutrones llegan a esta capa con energías aproximadas entre ev y deben salir de ella con energía cercana a los ev ideales que se necesitan para reaccionar con el BF 3. Calculando con la relación de pérdida de la mitad de su energía por cada choque, el neutrón debe chocar entre 6-12 veces durante su trayectoria por el polietileno. La figura 2.5 muestra la geometría de la capa moderadora. 3. Productor El productor es la tercera capa que conforma el MN comenzando desde el interior. El objetivo de esta capa es producir los neutrones de evaporación a la salida de esta capa a partir de los neutrones terrestres de mayores energías que llegan del exterior. Para conseguir este efecto se requiere un material denso y con núcleos de gran masa; así hay más probabilidad de interacción entre núcleos y consecuente frenado de los neutrones.

29 2.2. Componentes y procesos físicos en un MN 11 Figura 2.5: Geometría del moderador del MN Los materiales que suelen utilizarse con este objetivo son el bismuto y el plomo de alta pureza, siendo este último el más habitual por su gran efectividad pero también el más caro. En el proyecto CaLMa se ha utilizado el plomo como material productor, formando una capa de 5.1 cm. de espesor. La figura 2.6 muestra la geometría específica para este proyecto. Figura 2.6: Geometría de la capa productora formada por plomo El proceso físico que se observa consiste en la producción de choques inelásticos entre los neutrones y los núcleos de plomo. Como consecuencia, el neutrón pierde parte de su energía y se crea una cascada hadrónica. Los neutrones terrestres que llegan a esta capa tienen energías del orden de los MeV/GeV y los neutrones secundarios, resultantes de la cascada hadrónica, tienen una energía del orden del KeV. 4. Reflector El reflector es la capa más externa del MN y suele estar formado por el mismo material que el moderador; en este caso polietileno. Como ya se ha comentado anteriormente, el polietileno ofrece buenos resultados con neutrones de bajas energías,

30 12 El monitor de neutrones. Capítulo 2 del orden de los MeV. Atendiendo a esta propiedad, esta última capa tiene dos objetivos: No dejar entrar al detector los neutrones térmicos (bajas energías) que no son resultado del detector del MN. Reflejar hacia el interior neutrones reorientados hacia afuera que se han producido en procesos inelásticos o cascadas hadrónicas dentro del MN. El proceso físico presente en esta capa es el choque elástico entre núcleos de hidrógeno y neutrones entrantes; como las energías de los neutrones entrantes son del rango de los GeV, éstos no reaccionan con el polietileno, sino que pasan sin perder su energía. Al llegar al plomo reaccionarán con él, produciendo las cascadas hadrónicas. Son los neutrones secundarios de estas cascadas y los térmicos terrestres los que ven esta capa como una barrera para bien entrar (terrestres) o salir (secundarios) del MN. En el proyecto CaLMa, esta capa no acompaña a la geometría cilíndrica que se tenía hasta ahora sino que es una caja rectangular externa que abarca a los 3/6 tubos que se unen entre ellos mediante un brazo central formado también por plomo. En la figura 2.7 se muestra una representación gráfica del monitor de neutrones completo con las medidas de cada una de las capas. Figura 2.7: Geometría del monitor de neutrones completo La tabla 2.1 muestra una relación de las energías de entrada y salida de los neutrones en cada capa, así como los procesos físicos que provocan estas pérdidas de energías MN en Guadalajara El monitor de neutrones de Castilla-La Mancha (CaLMa) será el primer instrumento de su categoría instalado en España. Desarrollado por el Space Research Group (SRG) de la Universidad de Alcalá estará plenamente operativo a finales de 2011, inicialmente en el parque tecnológico de Guadalajara hasta su integración definitiva en el Instituto de Investigación Espacial (I2E).

31 2.2. Componentes y procesos físicos en un MN 13 Cuadro 2.1: Energías de los neutrones en función de la capa del MN Energía de entrada Energía de salida Proceso físico producido Detector ev *0 ev Procesos inelásticos Moderador 1 KeV ev Procesos elásticos Productor 600 KeV 1 KeV Procesos inelásticos Reflector 5 MeV 600 KeV No reaccionan Reflector 7-10 GeV 7-10 GeV Procesos elásticos *0eV indica que el neutrón desaparece al interaccionar con 10 B El MN del proyecto CaLMa está compuesto por tubos que se acogen al estándar NM64 (véase capítulo 1) y responde a la geometría explicada en el capítulo 2. Se pretende realizar una instalación inicial de 6 tubos del tipo BP28 (comercial) y posterirmente completar el sistema con otros 12 tubos más del tipo LND SK01479 (específico del proyecto CaLMa). La figura 2.8 muestra la geometría de los tubos LND SK01479 y la tabla 2.2 describe las características físicas de ambos junto con el modelo LND25373, también comercial. Cuadro 2.2: Características de los tubos que forman el MN BP28 LND25373 CALMA-LNDSK01479 Diámetro efectivo (cm) 14,85 4,97 15,24 Longitud efectiva (cm) 190,80 190,8 190,5 Material del cátodo acero inoxidable acero inoxidable acero inoxidable Voltaje operativo (V) DC DC DC Gas de relleno BF3 (96 % 10B) 97 % 3He+3 % CO2 BF3 (96 % 10B) Presión del gas (mmhg) El monitor de neutrones dispondrá de un sistema de adquisición de datos en tiempo real y, como ya se ha dicho anteriormente, estará situado en Guadalajara. Estas dos características lo convierten en una interesante propuesta para el proyecto NMDB, ([httg]). Guadalajara está situado a 640 m. sobre el nivel del mar en las coordenadas (40.66 o N, 3.16 o W) y tiene una rigidez magnética de 7 GV.

32 14 El monitor de neutrones. Capítulo 2 Figura 2.8: Geometría de los tubos tipo LNDsk

33 Capítulo 3 La plataforma Geant4 Geant4 es una herramienta de simulación del paso de partículas a través de la materia basada en el método de Montecarlo. El completo paquete de bibliotecas que forman esta herramienta hacen posible su utilización en infinidad de aplicaciones tanto terrestres como espaciales, pudiendo simular cualquier material y geometría gracias a su flexibilidad. El entorno de trabajo que se ha utilizado para desarrollar este proyecto está compuesto por la herramienta Geant4, que utiliza a su vez el paquete CLHEP, formado por una biblioteca de simulación de procesos altamente energéticos, y la aplicación Eclipse para programar, compilar y depurar los archivos que forman la simulación. Figura 3.1: Aplicación eclipse Como se ha dicho anteriormente, Geant4 está escrito en C++, por lo que cualquier aplicación se programa creando clases compuestas por una biblioteca archivo1.hh y la definición de la clase mediante el archivo1.cc de forma paralela. Para simular un proyecto en Geant4 se necesitan conocer tres conceptos, la geometría del detector u objeto que va a ser atravesado por las partículas, el tipo de partículas que atravesarán a esa geometría y los procesos físicos aplicables. Por esta razón, una

34 16 La plataforma Geant4. Capítulo 3 aplicación programada bajo las bibliotecas Geant4 requiere un archivo principal (main) y tres archivos (clases) obligatorios que declaran la geometría, los procesos físicos y el lanzamiento de partículas. Los dos primeros son clases de inicialización de simulación y el último es la clase que establece las acciones de lanzamiento que se llevan a cabo. A continuación se describen con mayor detalle: G4VUserDetectorConstruction (.cc,.h) Esta biblioteca define la geometría del objeto que será atravesado por las partículas. Generalmente este objeto es un detector de partículas, de ahí el nombre del archivo. En esta biblioteca se define la clase DetectorConstructor que engloba las funciones necesarias para definir los materiales de los que está formado las distintas partes del detector y el material que forma el espacio vacío (generalmente aire), la geometría del detector y su situación en el espacio simulado. Es necesario crear un mundo formado habitualmente por aire, agua o el vacío, y dentro de ese mundo crear la geometría del detector. Geant4 define geometría como una estructura con una forma física rellena de un material específico y situada en un lugar del eje de coordenadas. Por este motivo, tanto el mundo como cada una de las partes que forman el detector se definen como geometrías diferentes. Cada geometría se tiene que definir usando tres referencias: Geometría sólida: Define la estructura física y su tamaño. Geometría lógica: Define el material por el que está formado la geometría sólida. Geometría física: Ubica esta estructura en un punto específico del mundo. Una vez todas las partes o capas del detector han sido ubicadas en el mundo, ya se ha creado la estructura física del MN que se va a simular. G4VUserPhysicsList (.cc,.h) Esta biblioteca se utiliza para definir las partículas que se quiere que aparezcan en la simulación y los procesos físicos aplicables. La definición de partículas se hace en función de los procesos que vayan a suceder; si una partícula producto de un proceso no está definida, el proceso no ocurrirá porque la aplicación no tendrá definida la biblioteca de la partícula que necesita crear. Una vez definidas las partículas hay que asociar procesos físicos a cada una. El proceso físico básico es el llamado Transportation. Este proceso permite que la partícula pueda moverse por el medio. Transportation se aplica a todas las partículas por lo que está declarado de forma genérica. El resto de procesos se declaran asociados a una partícula específica. Cada proceso físico lleva asociadas ciertas variables que especifican cuándo debe aplicarse y cuándo no, éstas son: Modelo: Define el modelo matemático y se asocia a un rango de energía específico. Sección eficaz: Es el modelo matemático que se aplica para decidir si se produce o no interacción entre la partícula y el material.

35 17 Una vez hecho esto, se consideran definidos todos los procesos físicos aplicables en la simulación. G4VUserPrimaryGeneratorAction (.cc,.h) Esta biblioteca se utiliza para definir las partículas que atraviesan el detector. Se debe especificar el tipo de partículas, la energía y el origen de lanzamiento y el número de partículas que serán lanzadas. A veces resulta interesante que algunos de estos valores sean aleatorios, por ejemplo el origen de lanzamiento o la energía con la que llegan las partículas. Para ello se utilizan funciones de aleatoreidad definidas en la biblioteca Randomize.hh. Este es el último archivo que se ejecuta y la última orden ejecutada será la que defina la acción de lanzamiento (beamon). Una vez definidos estos tres archivos, es posible crear el archivo principal main.cc Geant4 dispone de un controlador de simulación llamado runmanager que se encarga de realizar la simulación completa. Escribir este archivo main.cc consiste en declarar el controlador rummanager e informarle de las clases que han sido creadas. Esto se hace declarando un objeto de cada clase creada y estableciéndoselo a runmanager como controlador de esa clase. La estructura secuencial del archivo se establace en el siguiente orden 1. Declaración del controlador. 2. Declarar los tres objetos de las clases obligatorias. 3. Establecer los tres objetos como inicializadores de sus clases en la estructura de runmanager. Esta estructura secuencial se describe con más detalle en el capítulo 4 utilizando como ejemplo el archivo principal de este trabajo. Cuando se ejecuta la aplicación, se realizan los pasos anteriores y se muestra por la línea de órdenes los resultados obtenidos en modo texto y el programa queda esperando la interacción por parte del usuario (modo Idle) en forma de órdenes. Estas órdenes permiten realizar muchas acciones como visualizar la simulación de forma gráfica, repetir lanzamientos, cambiar la energía y situación de las partículas lanzadas, eliminar procesos físicos, etc. El usuario puede crearse sus propias órdenes usando la biblioteca G4DetectorMessenger. Si se quieren visualizar por pantalla cuando la aplicación se está ejecutando se puede hacer introduciendo el comando help. La figura 3.2 muestra la línea de órdenes de una aplicación Geant4 donde se ha tecleado la orden Help para poder visualizar todas las opciones que ofrece Geant4 en modo ejecución. La opción número 13 (MN) ha sido creada específicamente en este proyecto para el control del monitor de neutrones. Para no escribir todos lo comandos cada vez que se ejecuta la aplicación, Geant4 permite crear macros (archivo.mac). Estos archivos pueden ser ejecutados desde la línea de comandos directamente y dentro de ellos se escriben todos los comandos que se quieren ejecutar. Generalmente se podría considerar que una aplicación está programada correctamente cuando se tienen los siguientes archivos creados:

36 18 La plataforma Geant4. Capítulo 3 Figura 3.2: Órdenes Geant en modo ejecución G4VUserDetectorConstruction (.cc y.hh) G4VUserPhysicsList (.cc y.hh) G4VUserPrimaryGeneratorAction (.cc y.hh) Main.cc Macro.mac A partir de aquí Geant4 ofrece infinidad de bibliotecas para mejorar la calidad y visualización de los resultados, así como las opciones en la simulación. Geant4 ofrece soporte desde su página web [httb], con el objetivo de que el usuario entienda y sepa utilizar las bibliotecas. En este mismo enlace dispone de un apartado específico donde enumeran todos los procesos físicos aplicables en función del tipo de partícula, los modelos y secciones eficaces llamado process/model catalog. En este trabajo no ha sido necesario el uso de todas las bibliotecas de Geant4, por lo tanto no se van a explicar. En el capítulo 4 se describen con detalle todas aquellas que se han utilizado.

37 Capítulo 4 Diseño del MN sobre la plataforma Geant4 La aplicación diseñada sobre Geant4 para la simulación del monitor de neutrones se llama V3 (ya que es la tercera versión desarrollada), y está formada por los siguientes archivos: Figura 4.1: Listado de archivos que forman la aplicación V3 Como se puede observar en la figura 4.1, Los archivos están ordenados en función del tipo. La carpeta include y la carpeta src contienen los archivos.hh y su respectivo.cc. El archivo.hh es la definición de la clase y el.cc la codificación de la misma, por este motivo estos archivos se explicarán de forma conjunta. A continuación se describe el contenido y utilidad de cada uno de los archivos. Primero los archivos obligatorios que hacen posible la ejecución, después las bibliotecas no obliga-

38 20 Diseño del MN sobre la plataforma Geant4. Capítulo 4 torias pero que añaden utilidades a la aplicación y por último las macros que permiten realizar diferentes simulaciones Archivos obligatorios Version1DetectorConstruction (.hh y.cc) En este fichero se definen: -Materiales: Fluoruro de boro, polietileno y plomo para definir el monitor de neutrones Aire para rellenar el resto del espacio. -Geometrías: Cada capa se define como una geometría diferente, en total cinco: Capa de polietileno externo o reflector Capa de plomo o productor Capa de polietileno interno o moderador Capa de fluoruro de boro o gas interno Espacio total conocido como mundo -Función para la creación de capas: En esta aplicación las capas del monitor de neutrones se han dejado sin definir en el espacio mundo para permitir la simulación por partes de las distintas capas que lo forman. Para poder definirlas en modo ejecución se ha creado esta función, que se llama utilizando la orden /MN/DefineLayerOfGeometry desde la línea de órdenes. Las órdenes se explicarán en la sección 4.3. Figura 4.2: Ejemplo de definición de capas en modo ejecución SSNeutronPhysics (.hh y.cc) Este archivo sustituye al nombrado en el apartado 3, G4VUserPhysicsList. Los procesos físicos que ocurren en este proyecto son procesos hadrónicos sobre neutrones que van perdiendo su energía conforme atraviesan las distintas capas del monitor de neutrones. Este archivo define todos los procesos físicos que ocurren dentro del monitor de neutrones con sus respectivas secciones eficaces y rangos de energía. Los procesos físicos definidos se describen en la tabla 4.1.

39 4.2. Archivos auxiliares 21 Cuadro 4.1: Procesos físicos definidos Proceso Físico Modelo asociado Sección eficaz Energías ElasticProcess ElasticModel elasticxc0, elasticxc1 20MeV-3GeV HPElasticModel HPElasticData 0-20MeV Inelastic Process LEPNModel InelasticXC0 e InelasticXC1 9.5GeV-25GeV TheBertiniModel Por defecto 19MeV-9.9 GeV TheHPInelasticModel TheHPInelasticData 0-20MeV NeutronFission TheLFissionModel Por defecto 20MeV-GeV TheHPFissionModel TheHPFissionData 0-20MeV NeutronCapture TheCaptureModel Por defecto 20MeV-GeV TheHPCaptureModel TheHPcaptureData 0-20MeV En cuanto a la definición de partículas, se crean todas las que existen. Se tomó esta decisión para que Geant4 no encontrara conflicto con los procesos físicos si estos necesitaban alguna partícula que no estaba definida. Véase capítulo 3 donde se explica este conflicto Version1PrimaryGeneratorAction (.hh y.cc) El objetivo de esta clase es definir las partículas que se lanzarán hacia el detector y lo atravesarán. Como se ha explicado con anterioridad, el proceso que se pretende estudiar en este trabajo es el paso de neutrones de altas energías a través del monitor de neutrones. En el capítulo 3 se describen los conceptos que se deben definir utilizando esta biblioteca: Tipo de partícula: Neutrones Energía de la partícula: 7 GeV pero puedo elegirlo el usuario por línea de órdenes usando la macro. (Véase 4.3) Origen y dirección de lanzamiento: Se definen en la función GeneratePrimaries (G4Event* anevent) de forma aleatoria pero siguiendo esta norma; con el objetivo de que crucen el MN, el origen estará en el primer cuadrante y el destino en el tercero. Número de partículas lanzadas: En esta aplicación no se define el lanzamiento de partículas. Esta acción se hará desde la macro y será la última orden ejecutada. Antes de ésta deben aparecer todas las de configuración. Las órdenes utilizadas en este trabajo se describen en el apartado (4.3) Archivos auxiliares Version1DetectorMessenger (.hh y.cc) Este archivo permite crear órdenes alternativas a las genéricos que Geant4 ofrece. La creacción de órdenes nuevas aumenta la flexibilidad de la aplicación ya que permite controlar más variables mientras se ejecuta la aplicación.

40 22 Diseño del MN sobre la plataforma Geant4. Capítulo 4 En esta simulación resulta interesante realizar varios cambios desde línea de órdenes: 1. Definir distintas capas del monitor de neutrones para simularlas por separado y observar los procesos físicos que ocurren en cada uno de ellos. 2. Activar/desactivar los distintos procesos físicos para poder simularlos por separado. 3. Establecer la energía de los neutrones lanzados para observar cómo cambia su comportamiento al atravesar los materiales. El segundo y tercer cambio están cubiertos por las órdenes genéricas de Geant4. El primero, al ser tan específico, no está contemplado en las opciones de Geant4 y ha sido necesario crearlo. Para ello se ha necesitado esta clase y las funciones utilizadas son las siguientes: Version1Detector(Version1Det) Se define la opción del menú de órdenes que aparecerá por pantalla junto las genéricas de Geant4. Esta orden se encuentra dentro de la carpeta MN y se llama DefineLayerOfGeometry. En la figura 3.2 del capítulo anterior se mostró el listado de órdenes de Geant4, entre ellas aparece la carpeta MN, y la figura 4.2 muestra un ejemplo de uso de la misma. SetNewValue(G4UIcommand* command,g4string newvalue) Esta función establece el nuevo valor de la variable asociada a la orden introducida por pantalla. GetCurrentValue(G4UIcommand * command) Esta función obtiene el valor actual de la variable controlada por la orden y la muestra por pantalla. UpdateGeometryList() Actualiza la lista de geometrías activadas. Esta función es llamada automáticamente cada vez que se establece un nuevo valor v3steppingverbose (.hh y.cc) Este archivo define la información que se imprime por pantalla en cada paso de la simulación. Se considera que ha habido un paso o step cuando la partícula que está siendo monitorizada cambia de geometría o, cuando dentro de una geometría, cambia de estado por ocurrir un proceso físico. Geant4 es una herramienta basada en simulaciones tipo Montecarlo. La simulación consiste en estudiar partícula a partícula el recorrido completo. Si esta partícula sufre un proceso físico y hay productos, se detiene la monitorización de la partícula primaria o madre y se realiza la monitorización de las secundarias o hijas. De esta forma la simulación comienza y termina en la partícula madre. Este proceso se repite con cada partícula madre.

41 4.3. Macro 23 La cantidad de información que se muestra en esta monitorización se puede controlar de dos maneras, bien programando este archivo v3steppingverbose y añadiendo las variables que interesa monitorizar en cada paso o bien desde la línea de órdenes utilizando /tracking/verbose que puede tener valores de 0 (no se muestra nada de información por pantalla) hasta 3 (se muestran por pantalla todos los datos que cambian de un paso a otro). En esta aplicación este archivo se ha usado durante el periodo de pruebas para monitorizar los procesos que ocurrían en cada capa, las energías de las partículas en esos procesos, los productos resultantes, etc. En la versión final en la macro aparece la orden /tracking/verbose 0 para no mostrar datos de monitorización ya que no es el objetivo del trabajo v2stackingaction (.hh y.cc) Este archivo es llamado internamente cada vez que aparece una nueva partícula en la simulación debido a un proceso físico. En esta aplicación este archivo se ha utilizado para realizar el conteo de neutrones de baja energía que llegan al gas interno y la cantidad de átomos de litio que se producen como resultado de la reacciones de ionización, véase ecuaciones 2.2 y 2.1. El objetivo de este trabajo es comprobar que se produce la ionización del gas del monitor de neutrones que, como se describe en el capítulo 1, se produce en los rangos de energía de MeV y MeV. Además se realiza un conteo de átomos de litio que representa el número de veces que se han producido estas interacciones nucleares. Para realizar el conteo se utiliza la biblioteca v2stackingaction. Las funciones que han sido programadas usando esta biblioteca son: v2stackingaction::classifynewtrack(const G4Track * atrack) Esta función es llamada cada vez que se crea una nueva partícula en la simulación. Aquí se comprueba si la partícula es un neutrón o un litio y, si es así, se contabiliza. void v2stackingaction::newstage() Esta función es llamada cuando una simulación termina. Se utiliza para mostrar por pantalla el conteo de neutrones y de átomos de litio del monitor de neutrones mediante los siguientes datos: 1. Número de átomos de litio producidos en este evento. 2. Número de neutrones producidos en este evento. 3. Porcentaje de átomos de litio con respecto a neutrones Macro Completo.mac Una macro es un fichero que agrupa una serie de órdenes para simplificar el trabajo del usuario. Escribir una macro consiste en establecer secuencialmente las órdenes de inicialización de simulación seguidas por las que definen las acciones.

42 24 Diseño del MN sobre la plataforma Geant4. Capítulo 4 Como su nombre indica, la macro Completo.mac tiene definidas todas las órdenes que resultan útiles en esta aplicación. Todas ellas están descritas en las tablas que vienen a continuación, agrupadas en función de su utilidad. Cuadro 4.2: Órdenes de monitorización por pantalla Orden Valores Funcionalidad /control/verbose 0-2 Establece el nivel de monitorización de las órdenes introducidas /run/verbose 0-3 Establece el nivel de monitorización de resultados del lanzamiento /tracking/verbose 0-3 Establece el nivel de monitorización del seguimiento de partículas Cuadro 4.3: Órdenes de Inicialización, acción y seguimiento Orden Valores Funcionalidad /MN/DefineLayerOfGeometry BF3 PolietilenoExterno Define las diferentes Plomo PolietilenoInterno capas del monitor de neutrones /gun/energy valor unidad Define la energía que ej: 6 GeV portan los neutrones lanzados /run/beamon Número de lanzamientos Establece el número de lanzamientos que se realizarán /control/savehistory No tiene Guarda el historial de la simulación en el fichero G4History.macro 4.4. Archivo principal V3.cc Éste es el archivo principal o main de la aplicación. Como se ha explicado en el capítulo 3, la programación de este archivo gira en torno a la declaración de runmanager. La estructura de v3 es la siguiente: //Objeto controlador de v3steppingverbose Crear objeto SteppingVerbose Instanciar objeto SteppingVerbose Crear runmanager //Crear clases obligatorias de inicialización; geometría y procesos físicos Crear objeto de DetectorConstruction Introducirlo en el controlador como objeto inicializador de simulación Crear objeto de SSNeutronPhysics Introducirlo en el controlador como objeto inicializador de simulación //Crear clase obligatoria de acción; Lanzamiento de partículas

43 4.4. Archivo principal V3.cc 25 Cuadro 4.4: Órdenes de visualización Orden Valores Funcionalidad /vis/open OGLIX Ancho x alto (pixels) Crea la pantalla de visualización /vis/drawvolume No tiene Dibuja la geometría definida /vis/viewer/set Valor Theta, Valor Phi, Unidad Establece el punto desde /viewpointthetaphi el que se visualiza la geometría /vis/viewer/zoom valor de zoom en tanto por uno Realiza un zoom de la visualización /vis/modeling/trajectories No tiene Crea controlador para poder /create/drawbyparticleid escoger los colores de cada partícula /vis/modeling/trajectories Partícula color Define el color de traza /drawbyparticleid-0/set para el tipo de partícula definido /vis/filtering/trajectories No tiene Crea un filtro para elegir las /create/particlefilter partículas que se dibujarán en el visualizador /vis/filtering/trajectories Partícula Añade la partícula al /particlefilter-0/add filtro para no mostrarla /vis/scene/add/trajectories tipo de línea Escoge el tipo de línea para dibujar las trayectorias /vis/scene/endofeventaction accummulate refresh Limpia o no el visualizador al final de cada lanzamiento Crear objeto de PrimaryGeneratorAction Introducirlo en el controlador como objeto generador de acción //Crear clases auxiliares de acción; StackingAction Crear objeto de StackingAction Introducirlo en el controlador como objeto generador de acción Inicializar simulación() If (Macro introducida) Leer macro else modo Idle a la espera de comandos if(exit) cerrar simulación

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45 Capítulo 5 Resultados Para conseguir los resultados que se muestran en este capítulo se han realizado muchas pruebas simulando cada capa por separado, cada proceso físico por separado, variando las energías de entrada, etc. El objetivo final era conseguir que la simulación diera resultados acordes con la teoría de funcionamiento de los monitores de neutrones, utilizando partículas de lanzamiento con energías coherentes a las encontradas en Guadalajara que, debido a la rigidez magnética de la atmósfera que cubre esta zona de la Tierra es de 7 GeV. Debido a esto, en este apartado se describen sólo dos pruebas: 1. La primera prueba es una simulación de una capa del monitor de neutrones. Simular las capas por separado ha servido para comprobar que los procesos físicos aplicados son los correctos y los rangos de energías de entrada y salida se corresponden con lo esperado teóricamente. La figura 5.1 muestra la visualización de una simulación. La figura 5.2 es una parte de los datos recogidos en la simulación asociada a la figura 5.1. En estos datos de describen los procesos físicos ocurridos, las energías de las partículas primarias y secundarias de las interacciones, las capas donde se producen, etc. No es objetivo de este Trabajo Fin de Máster estudiar el significado de estos datos, pero serán necesarios para posteriores estudios que se realicen con esta aplicación. 2. La segunda prueba corresponde a una simulación completa, con todas las capas del monitor de neutrones definidas. Esta simulación es imposible de visualizar porque la gran cantidad de partículas que se forman sobrecargan el sistema y la figura resulta incomprensible. La figura 5.3 son los resultados de la simulación del conteo de átomos de litio con respecto a los neutrones lanzados. Si utilizamos todas las órdenes que se han definido en la aplicación, se pueden visualizar las trayectorias de las partículas como se ha hecho en la primera simulación explicada. El físico Edwin Joe, actualmente trabajando en el proyecto CaLMa, ha utilizado estas órdenes para poder dibujar la gráfica de la figura 5.4. En esta gráfica se puede observar cómo, efectivamente, aparece un pico en el conteo del número de iones producidos a 1.47 MeV. Esta energía corresponde con la energía depositada al producirse una reacción de ionización (véase figura 2.4).

46 28 Resultados. Capítulo 5 Figura 5.1: Simulación de la capa reflectora de polietileno