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

技术摘要：通过 LiO₂ 掺杂纤维束进行热中子/超热中子探测

问题陈述
热中子和超热中子的探测对于空间剂量学、活化分析和反应堆仪表等核应用至关重要。然而，中子是不带电的，需要通过与原子核相互作用产生二次粒子来进行转换过程。虽然锂因其高中子俘获截面以及产生高线能量转移（LET）二次粒子（α-氚对）而成为首选材料，但将锂集成到柔性、高表面积的探测器几何结构中仍是一个挑战。本研究旨在探讨利用锂掺杂塑料闪烁纤维通过捕捉中子俘获过程中产生的二次带电粒子来进行中子探测的可行性。

方法论
作者采用 GEANT4 模拟来建模基于 Kuraray Y11-200(M) 纤维的纤维束系统。核心方法包括以下步骤：

• 材料改性： 纤维的聚苯乙烯芯部被掺杂了 10 wt.% 的 LiO₂。纤维被建模为双包层圆柱体，其芯径为 0.5 mm，周围由 PMMA 和氟化 PMMA 包层组成。
• 模拟物理过程： 模拟使用了用于强子相互作用的 FTFP_BERT_HP 物理列表以及用于光子生成的 EmStandardPhysics_option4。追踪了中子俘获反应 $^6\text{Li} + n \rightarrow ^4\text{He} (2.05 \text{ MeV}) + ^3\text{H} (2.73 \text{ MeV})$，并将产生的 α-氚对沉积的能量追踪在纤维芯内。
• 光学读取： 在纤维束的两端放置了一个像素化光电传感器网格（像素大小为 1.36 × 1.36 mm²）以收集闪烁光子。闪烁产额设定为每 keV 10 个光子，时间常数为 10 ns。
• 实验配置：
  1. 热中子优化： 使用 0.025 eV 的单能束流（热中子）来确定实现高效探测所需的最佳纤维层数。
  2. 超热中子判别： 测试了两种配置以区分超热中子（1 eV）与热中子：
     • 双纤维束系统，中间由碳化硼 (B₄C) 吸收层隔开。
     • 单纤维束系统，其 B₄C 吸收层位于纤维上方。
       通过改变 B₄C 吸收层的厚度（0.5 mm 至 2.0 mm）来优化检测到的超热中子与热中子的比例。

关键结果

• 最佳纤维阵列： 对于热中子 (0.025 eV)，检测到的 α-氚对数量在超过 20 层纤维后呈现收益递减。研究确定 20 层纤维束（每层 34 根纤维）已足够，其最小检测效率约为 30%。
• 超热中子检测： 在相同的 20 层配置且不使用吸收层的情况下，约 15% 的入射 1 eV 超热中子产生了可探测的 α-氚对。
• 通过吸收层进行判别：
  • 双纤维束系统： 0.5 mm 的 B₄C 吸收层有效地将热中子检测比例降低到了目标值 ~5%，同时允许显著的超热中子检测（底层束流中检测到 1637 个超热中子对比 85 个热中子）。
  • 单纤维束系统： 该配置证明更为有效。将 0.5 mm 的 B₄C 吸收层置于纤维束上方，导致 6971 个超热中子被检测到，而热中子为 450 个，在保持所需 ~5% 热中子比例的同时，提供了比双束配置更高的整体超热中子检测效率。
• 信号特性： 模拟表明，由于 α-氚对的射程较短，确保了能量几乎完全沉积在纤维芯内。因此，发射的光子被限制在特定的源纤维内，从而允许通过像素化读取将特定的像素命中与单个中子俘获事件相关联。

意义与主张
研究结论认为，LiO₂ 掺杂塑料闪烁纤维束是探测热中子和超热中子的可行仪器。作者声称，所提出的系统通过策略性地使用 B₄C 吸收层，提供了一种能够区分热中子和超热中子的柔性探测器设计。具体而言，单纤维束配置结合 0.5 mm B₄C 吸收层被确定为最大化超热中子检测并最小化热中子干扰的最佳方案。论文断言，这些发现支持了此类纤维束在需要热/超热中子探测及判别的多种应用中的实用性，并未超出当前计算研究范围提出具体的未来实验实施方案。