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

तकनीकी सारांश: LiO₂-डोपेड फाइबर बंडलों के माध्यम से थर्मल/एपिथर्मल न्यूट्रॉन का पता लगाना

समस्या विवरण
स्पेस डोसिमेट्री, एक्टिवेशन एनालिसिस और रिएक्टर इंस्ट्रूमेंटेशन जैसे परमाणु अनुप्रयोगों के लिए थर्मल और एपिथर्मल न्यूट्रॉन का पता लगाना महत्वपूर्ण है। हालांकि, न्यूट्रॉन अनावर्तित (uncharged) होते हैं और उन्हें एक पहचान योग्य द्वितीयक कणों को उत्पन्न करने के लिए नाभिक के साथ अंतःक्रिया के माध्यम से एक रूपांतरण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। जबकि लिथियम उच्च न्यूट्रॉन कैप्चर क्रॉस-सेक्शन और उच्च लीनियर एनर्जी ट्रांसफर (LET) द्वितीयक कणों (अल्फा-ट्राइटन जोड़े) के उत्पादन के कारण एक पसंदीदा सामग्री है, लचीले, उच्च-सतह-क्षेत्र वाले डिटेक्टर ज्यामिति में लिथियम को एकीकृत करना एक चुनौती बनी हुई है। यह अध्ययन थर्मल न्यूट्रॉन को पकड़ने के दौरान उत्पन्न होने वाले द्वितीयक आवेशित कणों को पकड़ने के लिए लिथियम-डोपेड प्लास्टिक स्किंटिलेटिंग फाइबर का उपयोग करने की व्यवहार्यता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने Kuraray Y11-200(M) फाइबर पर आधारित एक फाइबर बंडल सिस्टम को मॉडल करने के लिए GEANT4 सिमुलेशन का उपयोग किया। मुख्य कार्यप्रणाली में निम्नलिखित चरण शामिल थे:

• सामग्री संशोधन: फाइबर के पॉलिस्टायरीन कोर को 10 wt.% LiO₂ के साथ डोप किया गया था। फाइबर को 0.5 mm रेडियस वाले डबल-क्लैडेड सिलेंडर के रूप में मॉडल किया गया था, जो PMMA और फ्लोरिनेटेड PMMA क्लैडिंग से घिरा हुआ था।
• सिमुलेशन फिजिक्स: सिमुलेशन ने हैड्रोनिक इंटरैक्शन के लिए FTFP_BERT_HP फिजिक्स लिस्ट और ऑप्टिकल फोटॉन जनरेशन के लिए EmStandardPhysics_option4 का उपयोग किया। न्यूट्रॉन कैप्चर रिएक्शन $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2.05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2.73 \text{ MeV})$ को ट्रैक किया गया था, जिससे परिणामी अल्फा-ट्राइटन जोड़े फाइबर कोर के भीतर अपनी ऊर्जा जमा करते हैं।
• ऑप्टिकल रीडआउट: फाइबर बंडल के दोनों सिरों पर एक पिक्सेलेटेड फोटो-सेंसर ग्रिड (1.36 × 1.36 mm² पिक्सेल) रखा गया था ताकि स्किंटिलेशन फोटॉन एकत्र किए जा सकें। स्किंटिलेशन यील्ड को 10 ऑप्टिकल फोटॉन प्रति keV पर सेट किया गया था, जिसमें 10 ns का टाइम कांस्टेंट था।
• प्रायोगिक कॉन्फ़िगरेशन:
  1. थर्मल न्यूट्रॉन अनुकूलन: कुशल पहचान के लिए आवश्यक फाइबर परतों की इष्टतम संख्या निर्धारित करने के लिए 0.025 eV के मोनोएनर्जेटिक बीम का उपयोग किया गया था।
  2. एपिथर्मल न्यूट्रॉन भेदभाव (डिस्क्रिमिनेशन): थर्मल न्यूट्रॉन से एपिथर्मल न्यूट्रॉन (1 eV) को अलग करने के लिए दो कॉन्फ़िगरेशन का परीक्षण किया गया:
     • एक बोरोन कार्बाइड (B₄C) एब्जॉर्बर लेयर द्वारा अलग किया गया डबल फाइबर बंडल सिस्टम।
     • फाइबर के ऊपर एक B₄C एब्जॉर्बर लेयर वाला एक सिंगल फाइबर बंडल सिस्टम।
       एपिथर्मल से थर्मल न्यूट्रॉन के अनुपात को अनुकूलित करने के लिए B₄C एब्जॉर्बर की मोटाई को 0.5 mm से 2.0 mm तक बदला गया था।

मुख्य परिणाम

• इष्टतम फाइबर ऐरे: थर्मल न्यूट्रॉन (0.025 eV) के लिए, पता लगाए गए अल्फा-ट्राइटन जोड़ों की संख्या 20 फाइबर परतों के बाद घटते लाभ (diminishing returns) को दर्शाती है। एक 20-लेयर बंडल (34 फाइबर प्रति लेयर के साथ) को लगभग 30% की न्यूनतम पहचान दक्षता के साथ पर्याप्त माना गया।
• एपिथर्मल डिटेक्शन: बिना एब्जॉर्बर के उसी 20-लेयर कॉन्फ़िगरेशन में, लगभग 15% आपतित 1 eV एपिथर्मल न्यूट्रॉन ने पता लगाने योग्य अल्फा-ट्राइटन जोड़े उत्पन्न किए।
• एब्जॉर्बर के माध्यम से भेदभाव:
  • डबल बंडल सिस्टम: एक 0.5 mm B₄C एब्जॉर्बर लेयर ने थर्मल न्यूट्रॉन डिटेक्शन अंश को लक्षित ~5% तक प्रभावी ढंग से कम कर दिया, जबकि महत्वपूर्ण एपिथर्मल डिटेक्शन की अनुमति दी (निचले बंडल में 1637 एपिथर्मल बनाम 85 थर्मल न्यूट्रॉन का पता चला)।
  • सिंगल बंडल सिस्टम: यह कॉन्फ़िगरेशन अधिक प्रभावी साबित हुआ। फाइबर बंडल के ऊपर स्थित 0.5 mm B₄C एब्जॉर्बर के परिणामस्वरूप 6971 डिटेक्टेड एपिथर्मल न्यूट्रॉन और 450 थर्मल न्यूट्रॉन मिले, जिसने वांछित ~5% थर्मल अंश को बनाए रखते हुए डबल-बंडल सेटअप की तुलना में उच्च समग्र एपिथर्मल डिटेक्शन दक्षता प्रदान की।
• सिग्नल विशेषताएँ: सिमुलेशन ने प्रदर्शित किया कि अल्फा-ट्राइटन जोड़ों की कम रेंज यह सुनिश्चित करती है कि ऊर्जा निक्षेपण (energy deposition) लगभग पूरी तरह से फाइबर कोर के भीतर होता है। फलस्वरूप, उत्सर्जित ऑप्टिकल फोटॉन मूल के विशिष्ट फाइबर के भीतर ही ट्रैप हो जाते हैं, जिससे एक पिक्सेलेटेड रीडआउट व्यक्तिगत न्यूट्रॉन कैप्चर घटनाओं के साथ विशिष्ट पिक्सेल हिट्स को सह-संबंधित (correlate) कर सकता है।

महत्व और दावे
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि LiO₂-डोपेड प्लास्टिक स्किंटिलेटिंग फाइबर बंडल थर्मल और एपिथर्मल न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए एक व्यवहार्य उपकरण हैं। लेखक दावा करते हैं कि प्रस्तावित सिस्टम रणनीतिक रूप से B₄C एब्जॉर्बर लेयर्स के उपयोग के माध्यम से थर्मल और एपिथर्मल न्यूट्रॉन के बीच अंतर करने में सक्षम एक लचीला डिटेक्टर डिज़ाइन प्रदान करता है। विशेष रूप से, सिंगल फाइबर बंडल कॉन्फ़िगरेशन को 0.5 mm B₄C एब्जॉर्बर के साथ एपिथर्मल न्यूट्रॉन डिटेक्शन को अधिकतम करने और थर्मल न्यूट्रॉन हस्तक्षेप को न्यूनतम करने के लिए इष्टतम समाधान के रूप में पहचाना गया है। पेपर का तर्क है कि ये निष्कर्ष वर्तमान कम्प्यूटेशनल अध्ययन के दायरे से परे किसी विशिष्ट भविष्य के प्रायोगिक कार्यान्वयन का प्रस्ताव दिए बिना, थर्मल/एपिथर्मल न्यूट्रॉन डिटेक्शन और भेदभाव के विविध अनुप्रयोगों में ऐसे फाइबर बंडलों की उपयोगिता का समर्थन करते हैं।