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

技術要約：LiO₂添加ファイバー束による熱中性子およびエピサーマル中性子の検出

問題提起
熱中性子およびエピサーマル（中間）中性子の検出は、宇宙線量測定、放射化分析、原子炉計装などの核応用において極めて重要である。しかし、中性子は電荷を持たないため、二次粒子を生成させるための原子核との相互作用を伴う変換プロセスが必要となる。リチウムは高い中性子捕獲断面積を持ち、高線エネルギー付与（LET）の二次粒子（アルファ粒子とトリトンのペア）を生成するため好ましい材料であるが、リチウムを柔軟で高表面積な検出器幾何学構造に統合することは依然として課題となっている。本研究では、入射中性子を捕捉して生成された二次荷電粒子を検出するために、リチウムをドープしたプラスチックシンチレーティングファイバーを利用することの実現可能性について検討する。

手法
著者らは、Kuraray Y11-200(M) ファイバーに基づいたファイバー束システムのGEANT4シミュレーションを用いた。主要な手法は以下のステップで構成される：

• 材料の改質： ファイバーのポリスチレンコアに10 wt.%のLiO₂をドープした。ファイバーは、コア半径0.5 mmの二重クラッド円筒としてモデル化され、PMMAおよびフッ素化PMMAのクラッドに囲まれている。
• シミュレーション物理： ハドロン相互作用にはFTFP_BERT_HP物理リストを、光子生成にはEmStandardPhysics_option4を使用した。中性子捕獲反応 $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2.05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2.73 \text{ MeV})$ を追跡し、生成されたアルファ・トリトン対がファイバーコア内にエネルギーを沈着させる様子をモデル化した。
• 光学的読み出し： ファイバー束の両端にピクセル化されたフォトセンサグリッド（1.36 × 1.36 mm² ピクセル）を配置して、シンチレーション光子を収集した。シンチレーション収率は10 optical photons/keVに設定し、時定数は10 nsとした。
• 実験構成：
  1. 熱中性子最適化： 効率的な検出に必要なファイバー層の数を決定するために、単一エネルギーの0.025 eV熱中性子ビームを使用した。
  2. エピサーマル中性子識別： 熱中性とエピサーマル中性子（1 eV）を区別するために、2つの構成をテストした：
     • 二炭化ホウ素（B₄C）吸収層によって分離された二重ファイバー束システム。
     • ファイバーの上にB₄C吸収層を配置した単一ファイバー束システム。
       吸収されたエピサーマル対熱中性子の比率を最適化するため、B₄C吸収層の厚さを0.5 mmから2.0 mmまで変化させた。

主な結果

• 最適なファイバーアレイ： 熱中性子（0.025 eV）に対し、検出されたアルファ・トリトン対の数は20層を超えると収穫逓減を示した。20層の束（各層34本のファイバー）が十分であると判断され、約30%の最小検出効率が得られた。
• エピサーマル中性子検出： 吸収層のない同じ20層構成において、入射した1 eVのエピサーマル中性子のうち、約15%が検出可能なアルファ・トリトン対を生成した。
• 吸収体による識別：
  • 二重束システム： 0.5 mmのB₄C吸収層は、熱中性子の検出割合を目標とする約5%に効果的に減少させると同時に、顕著なエピサーマル中性子検出を可能にした（下の束において、エピサーマル中性子1637個に対し、熱中性子85個を検出）。
  • 単一束システム： この構成の方がより効果的であった。ファイバー束の上に0.5 mmのB₄Cを配置した構成では、6971個のエピサーマル中性子と450個の熱中性を検出し、目標とする約5%の熱中性子割合を維持しつつ、二重束構成よりも高い全体的なエピサーマル中性子検出効率を実現した。
• 信号特性： シミュレーションにより、アルファ・トリトン対の飛程が短いため、エネルギー沈着のほぼすべてがファイバーコア内で発生することが示された。その結果、放出される光子は発生した特定のファイバー内に閉じ込められ、ピクセル化された読み出しによって、特定のピクセルヒットを個々の中性子捕獲イベントと相関させることが可能となる。

意義および主張
本研究は、LiO₂ドーププラスチックシンチレーティングファイバー束が、熱中性子およびエピサーマル中性子を検出するための実行可能な計器であることを結論付けている。著者らは、提案されたシステムが、B₄C吸収層を戦略的に用いることで熱中性とエピサーマル中性を区別できる柔軟な検出器設計を提供すると主張している。具体的には、0.5 mmのB₄C吸収層を組み合わせた単一ファイバー束構成が、熱中性の干渉を最小限に抑えつつエピサーマル中性子の検出を最大化するための最適なソリューションであると特定された。論文は、これらの知見が、現在の計算的研究の範囲を超えた具体的な将来の実験的実装を提案するものではないものの、熱中性子／エピサーマル中性子の検出および識別を必要とする多様なアプリケーションにおけるファイバー束の有用性を支持するものであると断言している。