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

Resumen Técnico: Detección de Neutrones Térmicos/Epitérmicos mediante Paquetes de Fibras Dopadas con LiO₂

Planteamiento del Problema
La detección de neutrones térmicos y epitérmicos es crítica para aplicaciones nucleares como la dosimetría espacial, el análisis de activación y la instrumentación de reactores. Sin embargo, los neutrones no tienen carga y requieren un proceso de conversión que involucre la interacción con un núcleo para generar partículas secundarias detectables. Si bien el litio es un material preferido debido a su alta sección eficaz de captura de neutrones y a la producción de partículas secundarias de alto LET (transferencia lineal de energía), como pares alfa-tritón, la integración del litio en geometrías de detectores flexibles y de alta superficie sigue siendo un desafío. Este estudio aborda la viabilidad de utilizar fibras centelleadoras de plástico dopadas con litio para detectar neutrones incidentes mediante la captura de las partículas cargadas secundarias generadas durante la captura de neutrones.

Metodología
Los autores emplearon simulaciones de GEANT4 para modelar un sistema de paquetes de fibras basado en fibras Kuraray Y11-200(M). La metodología central consistió en los siguientes pasos:

• Modificación del Material: El núcleo de poliestireno de las fibras fue dopado con 10 % en peso de LiO₂. Las fibras se modelaron como cilindros de doble revestimiento con un radio de núcleo de 0,5 mm, rodeados por revestimientos de PMMA y PMMA fluorado.
• Física de la Simulación: La simulación utilizó la lista de física FTFP_BERT_HP para interacciones hadrónicas y EmStandardPhysics_option4 para la generación de fotones ópticos. Se rastreó la reacción de captura de neutrones $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2,05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2,73 \text{ MeV})$, donde los pares alfa-tritón resultantes depositan su energía dentro del núcleo de la fibra.
• Lectura Óptica: Una rejilla de fotodetectores pixelada (píxeles de 1,36 × 1,36 mm²) se colocó en ambos extremos del paquete de fibras para recolectar fotones de centelleo. El rendimiento de centelleo se fijó en 10 fotones ópticos por keV, con una constante de tiempo de 10 ns.
  Configuraciones Experimentales:

1. Optimización de Neutrones Térmicos: Se utilizó un haz monoenergético de neutrones térmicos de 0,025 eV para determinar el número óptimo de capas de fibra requerido para una detección eficiente.
2. Discriminación de Neutrones Epitérmicos: Se probaron dos configuraciones para distinguir neutrones epitérmicos (1 eV) de neutrones térmicos:
   • Un sistema de doble paquete de fibras separado por una capa absorbente de Carburo de Boro (B₄C).
   • Un sistema de paquete de fibras único con una capa de B₄C posicionada sobre las fibras.
     El espesor del absorbedor de B₄C se varió (de 0,5 mm a 2,0 mm) para optimizar la relación de neutrones epitérmicos detectados frente a los térmicos.

Resultados Clave

• Matriz de Fibras Óptima: Para neutrones térmicos (0,025 eV), el número de pares alfa-triton detectados mostró rendimientos decrecientes más allá de las 20 capas de fibra. Se determinó que un paquete de 20 capas (con 34 fibras por capa) es suficiente, proporcionando una eficiencia de detección mínima de aproximadamente el 30 %.
• Detección de Neutrones Epitérmicos: En la misma configuración de 20 capas sin absorbedor, aproximadamente el 15 % de los neutrones epitérmicos incidentes de 1 eV generaron pares alfa-tritón detectables.
• Discriminación mediante Absorbedores:
  • Sistema de Doble Paquete: Una capa absorbente de B₄C de 0,5 mm redujo eficazmente la fracción de detección de neutrones térmicos a la fracción objetivo del ~5 %, permitiendo al mismo tiempo una detección significativa de neutrones epitérmicos (1637 epitérmicos frente a 85 térmicos detectados en el paquete inferior).
  • Sistema de Paquete Único: Esta configuración resultó ser más efectiva. Un absorbedor de B₄C de 0,5 mm colocado sobre el paquete de fibras resultó en 6971 neutrones epitérmicos detectados y 450 neutrones térmicos, manteniendo la fracción térmica deseada de ~5 % y ofreciendo una mayor eficiencia de detección de neutrones epitérmicos en comparación con la configuración de doble paquete.
• Características de la Señal: La simulación demostró que el corto alcance de los pares alfa-tritón asegura que la deposición de energía ocurra casi por completo dentro del núcleo de la fibra. En consecuencia, los fotones ópticos emitidos quedan atrapados dentro de la fibra específica de origen, lo que permite que una lectura pixelada correlacione los impactos de píxeles específicos con eventos individuales de captura de neutrones.

Significancia y Reivindicaciones
El estudio concluye que los paquetes de fibras centelleadoras de plástico dopadas con LiO₂ son un instrumento viable para la detección de neutrones térmicos y epitérmicos. Los autores afirman que el sistema propuesto ofrece un diseño de detector flexible capaz de distinguir entre neutrones térmicos y epitérmicos mediante el uso estratégico de capas absorbentes de B₄C. Específicamente, se identifica la configuración de paquete de fibra único combinada con un absorbedor de B₄C de 0,5 mm como la solución óptima para maximizar la detección de neutrones epitérmicos minimizando la interferencia de neutrones térmicos. El artículo sostiene que estos hallazgos respaldan la utilidad de tales paquetes de fibras en diversas aplicaciones que requieren detección y discriminación de neutrones térmicos/epitérmicos, sin proponer implementaciones experimentales futuras específicas más allá del alcance del presente estudio computacional.