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

Résumé technique : Détection de neutrons thermiques/épithermiques via des faisceaux de fibres dopées au LiO₂

Énoncé du problème
La détection des neutrons thermiques et épithermiques est cruciale pour les applications nucléaires telles que la dosimétrie spatiale, l'analyse par activation et l'instrumentation de réacteurs. Cependant, les neutrons ne sont pas chargés et nécessitent un processus de conversion impliquant une interaction avec un noyau pour générer des particules secondaires détectables. Bien que le lithium soit un matériau privilégié en raison de sa section efficace de capture neutronique élevée et de la production de particules secondaires à haut transfert d'énergie linéique (paires alpha-triton), l'intégration du lithium dans des géométries de détecteurs flexibles à grande surface spécifique reste un défi. Cette étude traite de la faisabilité de l'utilisation de fibres scintillantes en plastique dopées au lithium pour détecter les neutrons incidents en capturant les particules chargées secondaires générées lors de la capture de neutrons.

Méthodologie
Les auteurs ont utilisé des simulations GEANT4 pour modéliser un système de faisceau de fibres basé sur des fibres Kuraray Y11-200(M). La méthodologie centrale comprenait les étapes suivantes :

• Modification du matériau : Le cœur de polystyrène des fibres a été dopé avec 10 % en poids de LiO₂. Les fibres ont été modélisées comme des cylindres à double gaine avec un rayon de cœur de 0,5 mm, entourés de gaines en PMMA et en PMMA fluoré.
• Physique de la simulation : La simulation a utilisé la liste de physique FTFP_BERT_HP pour les interactions hadroniques et EmStandardPhysics_option4 pour la génération de photons optiques. La réaction de capture neutronique $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2,05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2,73 \text{ MeV})$ a été suivie, les paires alpha-triton résultantes déposant leur énergie à l'intérieur du cœur de la fibre.
• Lecture optique : Une grille de photodétecteurs pixelisée (pixels de 1,36 × 1,36 mm²) a été placée aux deux extrémités du faisceau de fibres pour collecter les photons de scintillation. Le rendement de scintillation a été fixé à 10 photons optiques par keV, avec une constante de temps de 10 ns.
• Configurations expérimentales :
  1. Optimisation des neutrons thermiques : Un faisceau monoénergétique de neutrons thermiques de 0,025 eV a été utilisé pour déterminer le nombre optimal de couches de fibres requis pour une détection efficace.
  2. Discrimination des neutrons épithermiques : Deux configurations ont été testées pour distinguer les neutrons épithermiques (1 eV) des neutrons thermiques :
     • Un système à double faisceau de fibres séparé par une couche absorbante de carbure de bore (B₄C).
     • Un système à faisceau de fibres unique avec une couche de B₄C positionnée au-dessus des fibres.
       L'épaisseur de l'absorbeur de B₄C a été variée (de 0,5 mm à 2,0 mm) pour optimiser le rapport entre les neutrons épithermiques et thermiques détectés.

Résultats clés

• Réseau de fibres optimal : Pour les neutrons thermiques (0,025 eV), le nombre de paires alpha-triton détectées montre des rendements décroissants au-delà de 20 couches de fibres. Un faisceau de 20 couches (avec 34 fibres par couche) a été déterminé comme suffisant, produisant une efficacité de détection minimale d'environ 30 %.
• Détection épithermique : Dans la même configuration de 20 couches sans absorbeur, environ 15 % des neutrons épithermiques incidents de 1 eV ont généré des paires alpha-triton détectables.
• Discrimination par absorbeurs :
  • Système à double faisceau : Une couche absorbante de B₄C de 0,5 mm a efficacement réduit la fraction de détection des neutrons thermiques à la cible d'environ 5 % tout en permettant une détection épithermique significative (1637 neutrons épithermiques contre 85 neutrons thermiques détectés dans le faisceau inférieur).
  • Système à faisceau unique : Cette configuration s'est avérée plus efficace. Un absorbeur de B₄C de 0,5 mm placé au-dessus du faisceau de fibres a permis de détecter 6971 neutrons épithermiques et 450 neutrons thermiques, maintenant la fraction thermique souhaitée d'environ 5 % tout en offrant une efficacité de détection épithermique globale plus élevée que la configuration à double faisceau.
• Caractéristiques du signal : La simulation a démontré que la courte portée des paires alpha-triton garantit que le dépôt d'énergie se produit presque entièrement dans le cœur de la fibre. Par conséquent, les photons optiques émis sont piégés dans la fibre spécifique d'origine, permettant une lecture pixelisée de corréler les impacts de pixels spécifiques avec les événements de capture de neutrons individuels.

Signification et revendications
L'étude conclut que les faisceaux de fibres scintillantes en plastique dopées au LiO₂ constituent un instrument viable pour la détection des neutrons thermiques et épithermiques. Les auteurs affirment que le système proposé offre une conception de détecteur flexible capable de distinguer les neutrons thermiques des neutrons épithermiques grâce à l'utilisation stratégique de couches absorbantes de B₄C. Plus précisément, la configuration à faisceau de fibres unique combinée à un absorbeur de B₄C de 0,5 mm est identifiée comme la solution optimale pour maximiser la détection des neutrons épithermiques tout en minimisant l'interférence des neutrons thermiques. L'article affirme que ces résultats soutiennent l'utilité de tels faisceaux de fibres dans diverses applications nécessitant la détection et la discrimination des neutrons thermiques/épithermiques, sans proposer de futures mises en œuvre expérimentales spécifiques au-delà de la portée de l'étude computationnelle actuelle.