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

Technische Zusammenfassung: Detektion thermischer/epithermischer Neutronen mittels LiO₂-dotierter Faserbündel

Problemstellung
Die Detektion thermischer und epithermischer Neutronen ist entscheidend für nukleare Anwendungen wie die Weltraumdosimetrie, die Aktivierungsanalyse und die Reaktorkontrolle. Neutronen sind jedoch ungeladen und erfordern einen Konversionsprozess über eine Wechselwirkung mit einem Kern, um detektierbare Sekundärteilchen zu erzeugen. Während Lithium ein bevorzugtes Material ist, da es einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt besitzt und hochenergetische Sekundärteilchen (Alpha-Tritium-Paare) mit hoher linearer Energieübertragungsrate (LET) erzeugt, bleibt die Integration von Lithium in flexible Detektorgeometrien mit großer Oberfläche eine Herausforderung. Diese Studie untersucht die Machbarkeit der Verwendung von Lithium-dotierten Kunststoff-Szintillationsfasern zur Detektion einfallender Neutronen durch Erfassung der während des Neutroneneinfangs erzeugten Sekundärteilchen.

Methodik
Die Autoren verwendeten GEANT4-Simulationen, um ein Faserbündelsystem auf Basis von Kuraray Y11-200(M)-Fasern zu modellieren. Die Kernmethodik umfasste die folgenden Schritte:

• Materialmodifikation: Der Polystyrolkern der Fasern wurde mit 10 Gew.-% LiO₂ dotiert. Die Fasern wurden als doppelmantelierte Zylinder mit einem Kerndurchmesser von 0,5 mm modelliert, umgeben von PMMA- und fluorierten PMMA-Mantelschichten.
• Simulationsphysik: Die Simulation nutzte die FTFP_BERT_HP-Physikliste für hadronische Wechselwirkungen und EmStandardPhysics_option4 für die Erzeugung optischer Photonen. Die Neutroneneinfangreaktion $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2,05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2,73 \text{ MeV})$ wurde nachverfolgt, wobei die resultierenden Alpha-Tritium-Paare ihre Energie fast vollständig im Faserkern deponierten.
• Optische Auslese: Ein pixelisiertes Photosensor-Gitter (1,36 × 1,36 mm² Pixel) wurde an beiden Enden des Faserbündels platziert, um Szintillationsphotonen zu sammeln. Die Szintillationsausbeute wurde auf 10 optische Photonen pro keV festgelegt, bei einer Zeitkonstante von 10 ns.
• Experimentelle Konfigurationen:
  1. Optimierung thermischer Neutronen: Ein monoenergetischer Strahl von 0,025 eV thermischen Neutronen wurde verwendet, um die optimale Anzahl an Faserschichten für eine effiziente Detektion zu bestimmen.
  2. Diskriminierung epithermischer Neutronen: Zwei Konfigurationen wurden getestet, um epithermische Neutronen (1 eV) von thermischen Neutronen zu unterscheiden:
     • Ein Doppel-Faserbündel-System, getrennt durch eine Borcarbid (B₄C)-Absorberschicht.
     • Ein Einzel-Faserbündel-System mit einer B₄C-Absorberschicht oberhalb der Fasern.
       Die Dicke des B₄C-Absorbers wurde variiert (0,5 mm bis 2,0 mm), um das Verhältnis von detektierten epithermischen zu thermischen Neutronen zu optimieren.

Wichtigste Ergebnisse

• Optimales Faser-Array: Für thermische Neutronen (0,025 eV) zeigte die Anzahl der detektierten Alpha-Tritium-Paare jenseits von 20 Faserschichten abnehmende Erträge. Ein 20-lagiges Bündel (mit 34 Fasern pro Lage) wurde als ausreichend bestimmt und lieferte eine Mindestdetektionseffizienz von etwa 30 %.
• Epithermische Detektion: In derselben 20-Lagen-Konfiguration ohne Absorber erzeugten etwa 15 % der einfallenden 1 eV epithermischen Neutronen detektierbare Alpha-Tritium-Paare.
• Diskriminierung mittels Absorbern:
  • Doppel-Bündel-System: Eine 0,5 mm dicke B₄C-Absorberschicht reduzierte den Anteil der thermischen Neutronendetektion effektiv auf den Zielwert von ~5 %, während sie eine signifikante epithermische Neutronendetektion ermöglichte (1637 detektierte epithermische gegenüber 85 thermischen Neutronen im unteren Bündel).
  • Einzel-Bündel-System: Diese Konfiguration erwies sich als effektiver. Ein 0,5 mm dicker B₄C-Absorber oberhalb des Faserbündels führte zu 6971 detektierten epithermischen Neutronen und 450 thermischen Neutronen, wodurch der gewünschte thermische Anteil von ~5 % beibehalten und gleichzeitig eine höhere Gesamteffizienz der epithermischen Neutronendetektion im Vergleich zum Doppel-Bündel-Setup erreicht wurde.
• Signalcharakteristika: Die Simulation zeigte, dass die kurze Reichweite der Alpha-Tritium-Paare sicherstellt, dass die Energiedeposition fast vollständig innerhalb des Faserkerns erfolgt. Folglich werden die emittierten optischen Photonen innerhalb der spezifischen Ursasfaser gefangen, was eine pixelisierte Auslese ermöglicht, um spezifische Pixel-Treffer mit einzelnen Neutroneneinfangereignissen zu korrelieren.

Bedeutung und Ansprüche
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass LiO₂-dotierte Kunststoff-Szintillationsfaserbündel ein praktikables Instrument zur Detektion thermischer und epithermischer Neutronen darstellen. Die Autoren behaupten, dass das vorgeschlagene System durch den strategischen Einsatz von B₄C-Absorberschichten ein flexibles Detektordesign bietet, das in der Lage ist, zwischen thermischen und epithermischen Neutronen zu unterscheiden. Speziell wird die Einzel-Faserbündel-Konfiguration in Kombination mit einem 0,5 mm dicken B₄C-Absorber als die optimale Lösung identifiziert, um die Detektion epithermischer Neutronen zu maximieren und gleichzeitig die thermische Interferenz zu minimieren. Die Arbeit legt nahe, dass diese Ergebnisse die Nützlichkeit solcher Faserbündel für vielfältige Anwendungen unterstützen, die eine Detektion und Diskriminierung von thermischen/epithermischen Neutronen erfordern, ohne dabei spezifische zukünftige experimentelle Implementierungen über den Rahmen der aktuellen computergestützten Studie hinaus vorzuschlagen.