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

Resumo Técnico: Detecção de Nêutrons Térmicos/Epitérmicos via Feixes de Fibras Dopadas com LiO₂

Definição do Problema
A detecção de nêutrons térmicos e epitérmicos é crítica para aplicações nucleares, tais como dosimetria espacial, análise de ativação e instrumentação de reatores. No entanto, os nêutrons não possuem carga e requerem um processo de conversão envolvendo a interação com um núcleo para gerar partículas secundárias detectáveis. Embora o lítio seja um material preferencial devido à sua alta seção de choque de captura de nêutrons e à produção de partículas secundárias de alto LET (transferência linear de energia) — pares alfa-tríton —, integrar o lítio em geometrias de detectores flexíveis e de alta área superficial permanece um desafio. Este estudo aborda a viabilidade de utilizar fibras cintiladoras plásticas dopadas com lítio para detectar nêutrons incidentes ao capturar as partículas carregadas secundárias geradas durante a captura de nêutrons.

Metodologia
Os autores empregaram simulações GEANT4 para modelar um sistema de feixe de fibras baseado em fibras Kuraray Y11-200(M). A metodologia central envolveu as seguintes etapas:

• Modificação do Material: O núcleo de poliestireno das fibras foi dopado com 10 % em massa de LiO₂. As fibras foram modeladas como cilindros de dupla camada (double-cladded) com um raio de núcleo de 0,5 mm, cercados por revestimentos de PMMA e PMMA fluorado.
• Física da Simulação: A simulação utilizou a lista de física FTFP_BERT_HP para interações hadrônicas e EmStandardPhysics_option4 para geração de fótons ópticos. A reação de captura de nêutrons $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2,05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2,73 \text{ MeV})$ foi rastreada, com os pares alfa-tríton resultantes depositando sua energia dentro do núcleo da fibra.
• Leitura Óptica: Uma grade de fotossensores pixelizada (pixels de 1,36 × 1,36 mm²) foi posicionada em ambas as extremidades do feixe de fibras para coletar fótons de cintilação. O rendimento de cintilação foi definido em 10 fótons ópticos por keV, com uma constante de tempo de 10 ns.
• Configurações Experimentais:
  1. Otimização de Nêutrons Térmicos: Um feixe monoenergético de nêutrons térmicos de 0,025 eV foi utilizado para determinar o número ideal de camadas de fibras necessário para uma detecção eficiente.
  2. Discriminação de Nêutrons Epitérmicos: Duas configurações foram testadas para distinguir nêutrons epitérmicos (1 eV) de nêutrons térmicos:
     • Um sistema de feixe duplo de fibras separado por uma camada absorvedora de Carbeto de Boro (B₄C).
     • Um sistema de feixe único de fibras com uma camada absorvedora de B₄C posicionada acima das fibras.
       A espessura do absorvedor de B₄C foi variada (de 0,5 mm a 2,0 mm) para otimizar a razão entre nêutrons epitérmicos e térmicos detectados.

Principais Resultados

• Matriz de Fibras Ótima: Para nêutrons térmicos (0,025 eV), o número de pares alfa-tríton detectados apresentou retornos decrescentes além de 20 camadas de fibras. Um feixe de 20 camadas (com 34 fibras por camada) foi determinado como suficiente, produzindo uma eficiência de detecção mínima de aproximadamente 30%.
• Detecção Epitérmica: Na mesma configuração de 20 camadas sem absorvedor, aproximadamente 15% dos nêutrons epitérmicos de 1 eV incidentes geraram pares alfa-tríton detectáveis.
• Discriminação via Absorvedores:
  • Sistema de Feixe Duplo: Uma camada absorvedora de B₄C de 0,5 mm reduziu efetivamente a fração de detecção de nêutrons térmicos para a meta de ~5%, enquanto permitiu uma detecção significativa de nêutrons epitérmicos (1637 nêutrons epitérmicos vs. 85 térmicos detectados no feixe inferior).
  • Sistema de Feixe Único: Esta configuração provou ser mais eficaz. Um absorvedor de B₄C de 0,5 mm colocado acima do feixe de fibras resultou em 6971 nêutrons epitérmicos detectados e 450 nêutrons térmicos, mantendo a fração térmica desejada de ~5% e oferecendo uma eficiência de detecção de nêutrons epitérmicos superior à do setup de feixe duplo.
• Características do Sinal: A simulação demonstrou que o curto alcance dos pares alfa-tríton garante que a deposição de energia ocorra quase inteiramente dentro do núcleo da fibra. Consequentemente, os fótons ópticos emitidos são aprisionados dentro da fibra específica de origem, permitindo que uma leitura pixelizada correlacione hits de pixels específicos com eventos individuais de captura de nêutrons.

Significância e Alegações
O estudo conclui que os feixes de fibras cintiladoras plásticas dopadas com LiO₂ são um instrumento viável para a detecção de nêutrons térmicos e epitérmicos. Os autores alegam que o sistema proposto oferece um design de detector flexível capaz de distinguir entre nêutrons térmicos e epitérmicos através do uso estratégico de camadas absorvedoras de B₄C. Especificamente, a configuração de feixe único de fibras combinada com um absorvedor de B₄C de 0,5 mm é identificada como a solução ideal para maximizar a detecção de nêutrons epitérmicos enquanto minimiza a interferência de nêutrons térmicos. O artigo afirma que estas descobertas apoiam a utilidade de tais feixes de fibras em diversas aplicações que exigem detecção e discriminação de nêutrons térmicos/epitérmicos, sem propor implementações experimentais futuras específicas além do escopo do presente estudo computacional.