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

Sintesi Tecnica: Rilevamento di Neutroni Termici/Epitemici tramite Bundles di Fibre Drogate con LiO₂

Definizione del Problema
Il rilevamento di neutroni termici ed epitemici è critico per applicazioni nucleari quali la dosimetria spaziale, l'analisi di attivazione e l'strumentazione da reattore. Tuttavia, i neutroni sono privi di carica e richiedono un processo di conversione mediante l'interazione con un nucleo per generare particelle secondarie rilevabili. Sebbene il litio sia un materiale preferito grazie alla sua elevata sezione d'urto di cattura neutronica e alla produzione di particelle secondarie ad alto trasferimento lineare di energia (LET) (coppie alfa-tritone), l'integrazione del litio in geometrie di rilevatori flessibili e ad alta superficie rimane una sfida. Questo studio affronta la fattibilità dell'utilizzo di fibre scintillanti in plastica drogate con litio per rilevare neutroni incidenti catturando le particelle cariche secondarie generate durante la cattura neutronica.

Metodologia
Gli autori hanno impiegato simulazioni GEANT4 per modellare un sistema di bundle di fibre basato su fibre Kuraray Y11-200(M). La metodologia principale ha previsto le seguenti fasi:

• Modifica del Materiale: Il nucleo di polistirene delle fibre è stato drogato con il 10% in peso di LiO₂. Le fibre sono state modellate come cilindri a doppia guaina con un raggio del nucleo di 0,5 mm, circondati da guaine in PMMA e PMMA fluorurato.
• Fisica della Simulazione: La simulazione ha utilizzato la lista di fisica FTFP_BERT_HP per le interazioni adroniche ed EmStandardPhysics_option4 per la generazione di fotoni ottici. La reazione di cattura neutronica $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2,05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2,73 \text{ MeV})$ è stata tracciata, con le coppie alfa-tritone risultanti che depositano la propria energia all'interno del nucleo della fibra.
• Lettura Ottica: Una griglia di fotosensori pixelata (pixel da 1,36 × 1,36 mm²) è stata posizionata ad entrambe le estremità del bundle di fibre per raccogliere i fotoni di scintillazione. La resa di scintillazione è stata impostata a 10 fotoni ottici per keV, con una costante di tempo di 10 ns.
• Configurazioni Sperimentali:
  1. Ottimizzazione per Neutroni Termici: Un fascio monoenergetico di neutroni termici da 0,025 eV è stato utilizzato per determinare il numero ottimale di strati di fibra necessari per un rilevamento efficiente.
  2. Discriminazione di Neutroni Epitemici: Due configurazioni sono state testate per distinguere i neutroni epitemici (1 eV) dai neutroni termici:
     • Un sistema a doppio bundle di fibre separato da uno strato assorbitore di Carburo di Boro (B₄C).
     • Un sistema a singolo bundle di fibre con uno strato assorbitore di B₄C posizionato sopra le fibre.
       Lo spessore dell'assorbitore di B₄C è stato variato (da 0,5 mm a 2,0 mm) per ottimizzare il rapporto tra neutroni epitemici e termici rilevati.

Risultati Chiave

• Array di Fibre Ottimale: Per i neutroni termici (0,025 eV), il numero di coppie alfa-tritone rilevate mostra rendimenti decrescenti oltre i 20 strati di fibra. Un bundle a 20 strati (con 34 fibre per strato) è stato determinato come sufficiente, fornendo un'efficienza di rilevamento minima di circa il 30%.
• Rilevamento Epitemico: Nella stessa configurazione a 20 strati senza assorbitore, circa il 15% dei neutroni epitemici incidenti da 1 eV ha generato coppie alfa-tritone rilevabili.
• Discriminazione tramite Assorbitori:
  • Sistema a Doppio Bundle: Uno strato assorbitore di B₄C da 0,5 mm ha ridotto efficacemente la frazione di neutroni termici rilevati al target del ~5%, consentendo al contempo un rilevamento significativo di neutroni epitemici (1637 epitemici contro 85 neutroni termici rilevati nel bundle inferiore).
  • Sistema a Singolo Bundle: Questa configurazione si è dimostrata più efficace. Un assorbitore di B₄C da 0,5 mm posizionato sopra il bundle di fibre ha portato al rilevamento di 6971 neutroni epitemici e 450 neutroni termici, mantenendo la frazione termica desiderata di circa il 5% offrendo un'efficienza di rilevamento epitemico complessiva superiore rispetto alla configurazione a doppio bundle.
• Caratteristiche del Segnale: La simulazione ha dimostrato che il breve raggio delle coppie alfa-tritone assicura che la deposizione di energia avvenga quasi interamente nel nucleo della fibra. Di conseguenza, i fotoni ottici emessi rimangono intrappolati all'interno della specifica fibra di origine, permettendo una lettura pixelata per correlare specifici hit di pixel con i singoli eventi di cattura neutronica.

Significatività e Rivendicazioni
Lo studio conclude che i bundle di fibre scintillanti in plastica drogate con LiO₂ sono uno strumento vitale per il rilevamento di neutroni termici ed epitemici. Gli autori affermano che il sistema proposto offre un design di rilevatore flessibile capace di distinguere tra neutroni termici ed epitemici attraverso l'uso strategico di strati assorbitori di B₄C. Nello specifico, la configurazione a singolo bundle di fibre combinata con un assorbitore di B₄C da 0,5 mm è identificata come la soluzione ottimale per massimizzare il rilevamento di neutroni epitemici minimizzando al contempo l'interferenza dei neutroni termici. Il documento sostiene che questi risultati supportano l'utilità di tali bundle di fibre in diverse applicazioni che richiedono il rilevamento e la discriminazione di neutroni termici/epitemici, senza proporre specifiche implementazioni sperimentali future oltre l'ambito dello attuale studio computazionale.