Le condizioni di funzionamento previste sono le seguenti:

1. Nell'ambito della costruzione del complesso di macchine acceleratrici DAFNE è stata prevista la costruzione e l'esercizio di una facility volta all'utilizzo di fasci di elettroni a bassa intensità non superiore comunque a 103 e- s-1.I LNF hanno preso la decisione di aumentare l'intensità del fascio di elettroni fino a un massimo di 3.12 X 1010 e- s-1 allo scopo sia di effettuare le calibrazioni dei rivelatori di particelle, che di poterlo utilizzare in studi di tipo radioprotezionistico (dosimetria, schermature, taratura strumentazione, validazione di codici di Montecarlo nell'ambito della protezione di schermature, radiation damage, etc.) La facility in parola è costituita da una linea di trasporto sottovuoto, con elementi magnetici (due magneti e quattro quadrupoli) per la deflessione e la focalizzazione delle particelle, terminante appunto nell'area BTF.

2. Le condizioni di funzionamento previste sono le seguenti: Energia massima degli elettroni Ee-= 800 MeV Corrente massima di picco Ip = 10 mA Frequenza di ripetizione  = 1 ÷ 50Hz Durata dell'impulso  = 10 ns

4. Obbiettivi di progetto Gli obbiettivi di progetto, peraltro gli stessi del progetto DAFNE, prevedono che le dosi nelle aree esterne delle schermature frequentate dal personale siano mantenute al di sotto di 1-2 mSv/anno, nelle normali condizioni di lavoro. Eventuali discostamenti potrebbero al più provocare la classificazione di alcune aree come zone sorvegliate o controllate. Nelle normali condizioni di lavoro il rateo di equivalente di dose non dovrebbe superare qualche Sv/h mentre in condizioni non abituali si potrebbero accettare, per breve durata di tempo, valori fino a qualche decina di Sv/h. Ratei maggiori verrebbero eliminati dal sistema di controlloradiologico.

5. Campi di radiazione istantanea sono generati dalle perdite di fasci lungo le linee da vuoto degli acceleratori Perdite attese In particolare perdite parziali o totali sono attese intorno a componenti quali Setti di iniezione Collimatori Beam stoppers Pozzi di spegnimento Fenditure Perdite non attese Non attese sono le perdite dovute a malfunzionamenti malregolazioni

6. Quando un fascio di elettroni di alta energia colpisce un materiale targhetta, nel mezzo colpito si propaga una cascata elettromagnetica. Le particelle secondarie prodotte altro non sono che la radiazione istantanea di cui all’altra trasparenza. I campi di radiazioni al di la’ degli schermi sono essenzialmente costituiti da fotoni e da neutroni. A piu’ alte energie dell’ordine del GeV vanno considerati anche i muoni in un cono ristretto intorno alla direzione a zero gradi. La prossima figura da un esempio di quello che sono la dosi attese intorno a una targhetta

7. Rateo di equivalente di dose per unita’ di potenza atteso da un fascio di elettroni su una targhetta in assenza di schermature a 1 metro di distanza. L’ampiezza delle bande dipendono dal tipo di targhetta utilizzata e dal suo spessore

8. Ma vediamo come si sviluppa la cascata. L’energia critica Ec per un dato materiale definisce il confine fra le perdite di energia per collisione o per irraggiamento. Ne consegue che negli acceleratori di alta energia gli elettroni sono ad energie ben al di sopra dell’energia critica. Critical energy Ec: dE/dx|col = dE/dx|rad Ec [MeV] = 800/(Z + 1.2)

9. Un elettrone con energia E>>Ec genera un fotone dopo aver fatto un percorso X0 (g cm-2), chiamata lunghezza di radiazione, rilasciando una energia pari a (1-1/e)=0.63.Detto fotone genera una coppia e cosi’ via Brems  coppie  brems … ~1 X0for electons, ~9/7X0 for photons X0= lunghezza di radiazione ( l’energia di e- si riduce ad 1/e) La moltiplicazione cessa quando Ee scende al di sotto Ec

10. Cascata in W (E0 = 10 GeV) electrons positrons photons

11. S (barn/atom) Sezioni d’urto delle principali interazioni dei fotoni in rame. 1 barn=10-28 m2 Sono prodotti via fotoproduzione neutroni di varie energie. Alcuni di questi neutroni costituiscono la componente piu’ penetrante della radiazione determinando i livelli di dose al di la’degli schermi spessi.

12. Termini sorgente Ai fini della valutazione delle schermature vengono considerate le seguenti componenti: bremmsstrahlung neutroni della risonanza gigante neutroni di alta energia.

13. a) Bremmsstrahlung • Nel caso di bersagli spessi ad alto Z vengono assunte rispettivamente le seguenti espressioni a 0˚ e 90˚: • 0˚ (1) • 90˚ (2) • dove E0 rappresenta l'energia del fascio di elettroni incidente espresso in MeV. Per angoli intermedi (10˚ e 90˚) si può assumere una dipendenza dall'angolo 3/2.

15. Risonanza gigante La produzione di neutroni della risonanza gigante nel caso di bersagli spessi ad alto Z, può essere espressa trascurando l'autoassorbimento da: La distribuzione angolare di questi neutroni è isotropa e l'energia media è di qualche MeV.

17. Neutroni di alta energia Neutroni di alta energia a 400 MeV fra 0˚ e 30˚ 2.5x10-4 n sr/e- fra 30˚ e 60˚ 2.1x10-4 n sr/ e- fra 60˚ e 120˚ 1.2x10-4 n sr/ e- Lo steradiante e’l’angolo solido, che avendo il vertice al centro di una sfera, delimita sulla superficie di questa un’area pari a quella di un quadrato di lato uguale al raggio della sfera

18. I coefficienti di attenuazione sono stati scegli in maniera tale che l'approssimazione fosse del tutto conservativa.

21. m -2 - 1 = 1 . 8 / / f Sv h ncm s NHE

23. 1 watt = 1J/s 1 eV = 1.6 10-19 J

24. Nell'ipotesi che la distanza r del punto di interesse sia pari a 850 cm (direzione 0˚) di cui 780 cm fino al bordo del muro più 50 cm di calcestruzzo ordinario di spessore del muro piu' 20 cm di distanza dal muro del punto di interesse e che venga utilizzato uno schermo eterogeneo piombo+calcestruzzo l'andamento dell'attenuazione della componente elettromagnetica viene riportato nella figura

25. Attenuazione componente elettromagnetica a 0 gradi 6 10 0 cm Pb 10cm Pb 15 cm Pb Attenuazione componente elettromagnetica O gradi 20 cm Pb 4 10 6 10 0 cm Pb 10cm Pb 100 4 10 15 cm Pb 20 cm Pb 100 1 1 0.01 0.01 0.0001 0.0001 -6 10 0 100 200 300 400 500 -6 10 -8 10 -10 10 0 100 200 300 400 500 Equivalente di dose (µSv/h) Equivalente di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo ordinario Spessore calcestruzzo caricato

26. Attenuazione componente elettromagnetica a 90 gradi 0cm Pb+50cm ordinario+caricato 100 10cm Pb+50cm ordinario+caricato 15cm Pb+50cm ordinario+caricato 0cm Pb+50cm ordinario+ordinario 100 1 20cm Pb+50cm ordinario+caricato 10cm Pb+50cm ordinario+ordinario 30cm Pb+50cm ordinario+caricato 15cm Pb+50cm ordinario+ordinario 20cm Pb+50cm ordinario+ordinario 0.01 1 30cm Pb+50cm ordinario+ordinario 0.0001 0.01 -6 10 -4 10 -8 10 -6 10 -10 10 -8 10 -12 10 -14 10 -10 10 -16 10 -12 10 0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 150 200 250 300 350 50 Attenuazione componente elettromagnetica a 90 gradi Equivalente di dose (µSv/h) Equivalente di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo ordinario (cm) Spessore calcestruzzo caricato (cm) Figura 5

31. Attenuazione Totale 0 gradi 4 10 Htot (0 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (0 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (10 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) 6 10 Htot (15 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (15 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (20 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) 3 10 Htot (20 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (30 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (30 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) Htot (10 cm Pb+50 cm+ x cm caricato) 2 10 4 10 1 10 2 10 0 10 -1 10 0 10 -2 10 -2 10 -3 10 -4 10 -4 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Attenuazione totale 90 gradi Equivalente di dose totale (µSv/h) Equivalente totale di dose (µSv/h) Spessore calcestruzzo (cm) Figura 11 Spessore calcestruzzo (cm) Figura 12

32. Sulla base degli obbiettivi di progetto e delle curve di attenuazione sopra riportate la schermatura laterale prevista per il laboratorio BTF, funzionante alla massima potenza risulta essere pari a 1 m di calcestruzzo caricato (3.4 g/cm3) più 15 cm di piombo, sia nella direzione in avanti che a 90°, nell’ipotesi che sia sempre presente una schermatura preesistente di 50 cm di calcestruzzo ordinario. Gli spessori sopra indicati possono essere sostituiti da spessori equivalenti di altri materiali.

33. Skyshine Il laboratorio di test BTF ha un volume pari a 12.35x6.80x6.80 m3 Nella presente relazione per il calcolo dello skyshine si e' fatto uso della seguente formula tratta da dal lavoro di HIRAYAMA e BAN “Review of shielding problems concerning Electron Accelerators”. dove r è la distanza del punto di misura e  è il coefficiente di attenuazione in aria. Nella formula indicata si è supposto che la sorgente emetta su 2 .Nel caso del BTF si ha che l'emissione utile è su 2p/3.

34. A 100 m di distanza per 1010 ns-1 si avrà Il valore  = 600m probabilmente è un po' elevato rispetto all'energia dei neutroni che possiamo avere. Non si è considerato peraltro lo spessore di 39 cm di calcestruzzo (tetto dell'edificio). Facendo l'ipotesi che la radiazione incide a 30 lo spessore attraversato risulterà pari a 45 cm. Si avra' pertanto una attenuazione rispettivamente di un fattore moltiplicativo pari a 0.07 nel caso dei neutroni della risonanza gigante e 0.4 nel caso dei neutroni di alta energia. Il tetto risulta pertanto esser sufficiente alla eliminazione pressoché del problema dello skyshine.

35. PRODUZIONE DI GAS RADIOATTIVI La sala BTF ha un volume pari a 13x7x7m3=637m3. Le condizioni previste di funzionamento sono: Ee-= 800 MeV Ip = 10 mA  = 50Hz  = 10 ns e il percorso in aria previsto per gli elettroni max = 780 cm min = 400 cm Nei calcoli vengono considerati soltanto i fotoni perché la produzione di gas radioattivi da fotoni è molto maggiore di quella diretta degli elettroni (differente sezione d'urto).