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

Technische Samenvatting: Detectie van thermische/epithermische neutronen via LiO₂-gedoteerde vezelbundels

Probleemstelling
De detectie van thermische en epithermische neutronen is cruciaal voor nucleaire toepassingen zoals dosimetrie in de ruimte, activatieanalyse en reactorinstrumentatie. Neutronen zijn echter ongeladen en vereisen een conversieproces via interactie met een kern om detecteerbare secundaire deeltjes te genereren. Hoewel lithium een voorkeursmateriaal is vanwege de hoge neutronenabsorptie-doorsnede en de productie van secundaire deeltjes met een hoge lineaire energieoverdracht (LET) (alfa-tritonparen), blijft het een uitdaging om lithium te integreren in flexibele, oppervlakte-rijke detectorgeometrieën. Deze studie onderzoekt de haalbaarheid van het gebruik van lithium-gedoteerde plastic scintiërende vezels voor het detecteren van invallende neutronen door de secundaire geladen deeltjes te vangen die tijdens neutronenabsorptie worden gegenereerd.

Methodologie
De auteurs gebruikten GEANT4-simulaties om een vezelbundelsysteem te modelleren op basis van Kuraray Y11-200(M) vezels. De kernmethodologie omvatte de volgende stappen:

• Materiaalmodificatie: De polystyreen kern van de vezels werd gedoteerd met 10 gew.% LiO₂. De vezels werden gemodelleerd als dubbelgecladde cilinders met een kernradius van 0,5 mm, omgeven door PMMA en gefluoreerd PMMA cladding.
• Simulatiefysica: De simulatie maakte gebruik van de FTFP_BERT_HP physics list voor hadronische interacties en EmStandardPhysics_option4 voor de generatie van optische fotonen. De neutronenabsorptiereactie $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2,05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2,73 \text{ MeV})$ werd gevolgd, waarbij de resulterende alfa-tritonparen hun energie afzetten binnen de vezelkern.
• Optische uitlezing: Een gepixeliseerd fotosensorrooster (pixels van 1,36 × 1,36 mm²) werd aan beide uiteinden van de vezelbundel geplaatst om scintiërende fotonen te verzamelen. De scintiële opbrengst werd ingesteld op 10 optische fotonen per keV, met een tijdconstante van 10 ns.
• Experimentele configuraties:
  1. Optimalisatie van thermische neutronen: Een monoenergetische bundel van 0,025 eV thermische neutronen werd gebruikt om het optimale aantal vezellagen te bepalen voor efficiënte detectie.
  2. Epithermische neutronendiscriminatie: Twee configuraties werden getest om epithermische neutronen (1 eV) te onderscheiden van thermische neutronen:
     • Een dubbel vezelbundel systeem gescheiden door een Boriumcarbide (B₄C) absorberlaag.
     • Een enkel vezelbundel systeem met een B₄C absorberlaag gepositioneerd boven de vezels.
       De dikte van de B₄C absorber werd gevarieerd (van 0,5 mm tot 2,0 mm) om de ratio van gedetecteerde epithermische versus thermische neutronen te optimaliseren.

Belangrijkste Resultaten

• Optimale vezelarray: Voor thermische neutronen (0,025 eV) vertoonde het aantal gedetecteerde alfa-tritonparen een afnemend rendement boven de 20 vezellagen. Een bundel van 20 lagen (met 34 vezels per laag) werd als voldoende beschouwd, met een minimale detectie-efficiëntie van ongeveer 30%.
• Epithermische detectie: In dezelfde 20-lagen configuratie zonder absorber genereerden ongeveer 15% van de invallende 1 eV epithermische neutronen detecteerbare alfa-tritonparen.
• Discriminatie via absorbers:
  • Dubbel bundelsysteem: Een 0,5 mm B₄C absorberlaag reduceerde het fractie van gedetecteerde thermische neutronen effectief tot de doelstelling van ~5%, terwijl een significante detectie van epithermische neutronen werd toegestaan (1637 epithermische versus 85 thermische neutronen gedetecteerd in de onderste bundel).
  • Enkel bundelsysteem: Deze configuratie bleek effectiever. Een 0,5 mm B₄C absorber geplaatst boven de vezelbundel resulteerde in 6971 gedetecteerde epithermische neutronen en 450 thermische neutronen, waarbij de gewenste ~5% thermische fractie behouden bleef terwijl een hogere algehele epithermische detectie-efficiëntie werd geboden vergeleken met de dubbele bundelopstelling.
• Signaalkenmerken: De simulatie toonde aan dat het korte bereik van alfa-tritonparen ervoor zorgt dat de energieafzetting bijna volledig binnen de vezelkern plaatsvindt. Bijgevolg worden de uitgezonden optische fotonen gevangen binnen de specifieke vezel van oorsprong, waardoor een gepixeliseerde uitlezing kan correleren tussen specifieke pixel-hits en individuele neutronenabsorptie-gebeurtenissen.

Betekenis en Claims
De studie concludeert dat LiO₂-gedoteerde plastic scintiërende vezelbundels een levensvatbaar instrument zijn voor het detecteren van thermische en epithermische neutronen. De auteurs beweren dat het voorgestelde systeem een flexibel detectorontwerp biedt dat in staat is om tussen thermische en epithermische neutronen te onderscheiden door het strategisch gebruik van B₄C absorberlagen. Specifiek wordt de enkele vezelbundelconfiguratie gecombineerd met een 0,5 mm B₄C absorber geïdentificeerd als de optimale oplossing voor het maximaliseren van de epithermische neutrondetectie terwijl de thermische interferentie wordt geminimaliseerd. Het artikel stelt dat deze bevindingen het nut van dergelijke vezelbundels ondersteunen in diverse toepassingen die thermische/epithermische neutrondetectie en -discriminatie vereisen, zonder specifieke toekomstige experimentele implementaties voor te stellen buiten de reikwijdte van de huidige computationele studie.