Thermal/epithermal neutron detection via LiO$_{2}$-doped fiber bundles: A computational study through GEANT4 simulations

ملخص تقني: كشف النيوترونات الحرارية/الإبيثرملية عبر حزم الألياف المطعمة بـ LiO₂

بيان المشكلة
يعد الكشف عن النيوترونات الحرارية والإبيثرملية (فوق الحرارية) أمراً بالغ الأهمية في التطبيقات النووية مثل قياس الجرعات الفضائية، وتحليل التنشيط، وأجهزة قياس المفاعلات. ومع ذلك، فإن النيوترونات غير مشحونة وتتطلب عملية تحويل تتضمن التفاعل مع نواة لتوليد جسيمات ثانوية قابلة للكشف. وبينما يُعد الليثيوم مادة مفضلة نظراً لمقطع عرضي عالٍ لالتقاط النيوترونات وإنتاج جسيمات ثانوية ذات انتقال طاقة خطي (LET) مرتفع (أزواج ألفا-تريتون)، فإن دمج الليثيوم في هندسات كاشفة مرنة ذات مساحة سطح عالية يظل تحدياً قائماً. تعالج هذه الدراسة جدوى استخدام ألياف وميضية بلاستيكية مطعمة بالليثيوم للكشف عن النيوترونات الساقطة من خلال التقاط الجسيمات المشحونة الثانوية المتولدة أثناء عملية التقاط النيوترون.

المنهجية
استخدم المؤلفون محاكاة GEANT4 لنمذجة نظام حزمة ألياف يعتمد على ألياف Kuraray Y11-200(M). تضمنت المنهجية الجوهرية للبحث الخطوات التالية:

• تعديل المادة: تم تطعيم قلب البولي ستيرين للألياف بنسبة 10% وزناً من LiO₂. تم نمذجة الألياف كأسطوانات مزدوجة الكسوة بنصف قطر قلب يبلغ 0.5 مم، محاطة بكسوة من PMMA وPMMA المفلورة.
• فيزياء المحاكاة: استخدمت المحاكاة قائمة الفيزياء FTFP_BERT_HP للتفاعلات الهادرونية وEmStandardPhysics_option4 لتوليد الفوتونات الضوئية. تم تتبع تفاعل التقاط النيوترون $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2.05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2.73 \text{ MeV})$، حيث تقوم أزواج ألفا-تريتون الناتجة بترسيب طاقتها داخل قلب الليف.
• القراءة الضوئية: وُضعت شبكة مستشعرات ضوئية بكسلية (بكسلات بحجم 1.36 × 1.36 مم²) عند كلا طرفي حزمة الألياف لجمع فوتونات الوميض. تم تحديد عائد الوميض بـ 10 فوتونات ضوئية لكل كيلو إلكترون فولت، مع ثابت زمني قدره 10 نانو ثانية.
• التكوينات التجريبية:
  1. تحسين النيوترونات الحرارية: استُخدم شعاع أحادي الطاقة من النيوترونات الحرارية بقدرة 0.025 إلكترون فولت لتحديد العدد الأمثل لطبقات الألياف المطلوبة للكشف الفعال.
  2. التمييز بين النيوترونات الإبيثرملية: تم اختبار تكوينين للتمييز بين النيوترونات الإبيثرملية (1 إلكترون فولت) والنيوترونات الحرارية:
     • نظام حزمة الألياف المزدوجة المفصول بطبقة امتصاص من كربيد البورون (B₄C).
     • نظام حزمة الألياف المفردة مع طبقة امتصاص B₄C موضوعة فوق الألياف.
       تم تغيير سمك ممتص B₄C (من 0.5 مم إلى 2.0 مم) لتحسين نسبة النيوترونات الإبيثرملية المكتشفة إلى الحرارية.

النتائج الرئيسية

• مصفوفة الألياف المثلى: بالنسبة للنيوترونات الحرارية (0.025 إلكترون فولت)، أظهر عدد أزواج ألفا-تريتون المكتشفة عوائد متناقصة بعد 20 طبقة ليفية. تم تحديد حزمة مكونة من 20 طبقة (بواقع 34 ليفاً لكل طبقة) كعدد كافٍ، مما حقق كفاءة كشف دنيا تبلغ حوالي 30%.
• الكشف الإبيثرملي: في نفس تكوين الـ 20 طبقة بدون ممتص، أنتجت حوالي 15% من النيوترونات الإبيثرملية الساقطة بقدرة 1 إلكترون فولت أزواج ألفا-تريتون قابلة للكشف.
• التمييز عبر الممتصات:
  • نظام الحزمة المزدوجة: نجحت طبقة ممتص B₄C بسمك 0.5 مم في تقليل جزء اكتشاف النيوترونات الحرارية إلى النسبة المستهدفة (~5%) مع السماح بكشف إبيثرملي كبير (1637 نيوترون إبيثرمل مقابل 85 نيوترون حراري مكتشف في الحزمة السفلية).
  • نظام الحزمة المفردة: أثبت هذا التكوين أنه أكثر فعالية. أدى وضع ممتص B₄C بسمك 0.5 مم فوق حزمة الألياف إلى اكتشاف 6971 نيوترون إبيثرمل و450 نيوترون حراري، مع الحفاظ على النسبة الحرارية المرغوبة (~5%) وتقديم كفاءة كشف إبيثرملية أعلى مقارنة بنظام الحزمة المزدوجة.
• خصائص الإشارة: أظهرت المحاكاة أن المدى القصير لأزواج ألفا-تريتون يضمن ترسيب الطاقة بالكامل تقريباً داخل قلب الليف. وبناءً على ذلك، يتم احتجاز الفوتونات الضوئية المنبعثة داخل الليف المحدد، مما يسمح للقراءة البكسلية بربط ضربات بكسل معينة بأحداث التقاط النيوترون الفردية.

الأهمية والادعاءات
تخلص الدراسة إلى أن حزم الألياف الوميضية البلاستيكية المطعمة بـ LiO₂ تعد أداة صالحة للكشف عن النيوترونات الحرارية والإبيثرملية. ويدعي المؤلفون أن النظام المقترح يوفر تصميماً كاشفاً مرناً قادراً على التمييز بين النيوترونات الحرارية والإبيثرملية من خلال الاستخدام الاستراتيجي لطبقات ممتص B₄C. وتحديداً، تم تحديد تكوين حزمة الألياف المفردة مع ممتص B₄C بسمك 0.5 مم كحل أمثل لتعظيم كشف النيوترونات الإبيثرملية مع تقليل التداخل الحراري. وتؤكد الورقة أن هذه النتائج تدعم فائدة مثل هذه الحزم الليفية في تطبيقات متنوعة تتطلب كشف وتمييز النيوترونات الحرارية والإبيثرملية، دون اقتراح تنفيذات تجريبية مستقبلية محددة خارج نطاق هذه الدراسة الحسابية الحالية.