[論文レビュー] Boron-10 layers, Neutron Reflectometry and Thermal Neutron Gaseous Detectors

F. Piscitelli|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2014

Nuclear Physics and Applications参考文献 36被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ボロン-10 (10B) 層を中性子コンバーターとして用いた、新規のマルチブレード熱中性子気体検出器プロトタイプを提示する。このプロトタイプは中性子反射率測定および理論的モデリングにより最適化されており、マルチレイヤー 10B コatings とパルス波形解析を用いることで、高い検出効率と低いガンマ線感度を達成している。3He の世界的な不足に伴う 3He を用いた検出器の代替として実用的である。

ABSTRACT

Nowadays neutron facilities are going toward higher fluxes, e.g. the European Spallation Source (ESS) in Lund (Sweden), and this translates into a higher demand in the instrument performances. Because of its favorable properties,He-3 has been the main actor in thermal neutron detection for years. Starting in about 2001 the He-3 stockpile has been declining. The world is now experiencing the shortage of He-3. This makes the construction of large area detectors (several squared meters) not realistic anymore. A way to reduce the He-3 demand for those applications is to move users to alternative technologies, such as Boron-10. Although it is absolutely necessary to replace He-3 for large area applications, this is not the main issue for what concerns small area detectors for which the research is focused on improving their performances. Some technologies appear promising, though implementation would likely present technical challenges. There are several aspects that must be investigated in order to validate those new technologies; e.g. detection efficiency and gamma-ray sensitivity. Several detectors, based on Boron-10 layers, have been conceived, built and tested. We have laid a solid theoretical basis, confirmed by experiments, for the understanding of the main aspects of solid converter layers employed in neutron detectors. We also explored practically, by the construction and characterization of prototypes, a specific type of solid-converter-based neutron detector, the Multi-Blade, especially suited for application in neutron reflectometry.

研究の動機と目的

• 3He を用いた検出器の代替として、高効率かつ低ガンマ線感度の熱中性子気体検出器を開発すること。
• 理論的モデリングおよび中性子反射率測定を用いて、ボロン-10 層による中性子検出効率を最適化すること。
• パルス波形解析およびマルチレイヤー コンバーター設計を用いて、中性子検出におけるガンマ線バックグラウンドを低減すること。
• 空間分解能および時間分解能の向上を図るため、マルチブレード検出器構成をプロトタイピングおよび試験すること。

提案手法

• 入射角が浅い条件での 10B 層の反射率および吸収率をモデル化・最適化するために中性子反射率測定を実施した。
• Bethe-Bloch 公式および停止力則を用いて、固体コンバーター内でのエネルギー損失を計算した。
• 単色および多色の中性子分布を含む、マルチレイヤー中性子コンバーターの理論的枠組みを構築した。
• 実験的反射率および吸収率データに対して、機器補正（過照度、ずれ、正規化）を適用した。
• 空間分解能を実現するため、個々の読み出しチャネルを備えたマルチブレードプロトタイプ検出器を設計および製造した。
• GEANT4 シミュレーションおよび実験的測定を実施し、ガンマ線感度およびパルス波形識別性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボロン-10 層をマルチレイヤー構成で最適化することで、さまざまな中性子波長範囲における中性子検出効率をどのように向上させられるか？
• RQ2 基板材料および層の粗さが、10B を用いたコンバーターにおける中性子反射率および吸収率に与える影響は何か？
• RQ3 パルス波形解析を用いることで、10B を用いた気体中性子検出器におけるガンマ線バックグラウンドはどの程度低減可能か？
• RQ4 マルチブレード検出器の幾何学的形状は、従来の設計と比較して空間分解能および中性子フラックス測定の正確性をどのように向上させるか？
• RQ5 中性子反射率の理論的モデルは、実際の 10B コatings を施した検出器の性能を正確に予測できるか？

主な発見

• マルチレイヤー 10B コンバーター設計は、特に透過モードにおいて中性子検出効率を顕著に向上させ、最適化された層厚および層間隔が有効であることが示された。
• 理論的モデリングにより、多色中性子照射下では二重層構成が単層コンバーターと比較して、最大 30% の効率向上が可能であることが示された。
• パルス波形解析を用いることで、10B を用いた検出器では 3He を用いた検出器と比較してガンマ線感度が 50% 以上低減された。
• マルチブレードプロトタイプ V2 は、参照用の六角形 3He 検出器と比較して、中性子フラックス測定精度が 3% 以内に収まり、フラックスモニタとしての有効性が検証された。
• 過照度およびずれ要因を含む機器補正が、理論的反射率モデルと実験データの一致を図る上で極めて重要であった。
• 六角形 3He 検出器を用いて測定された正規化中性子フラックスが基準とされ、中央の 7 本のチューブにおける累積フラックスは、真のビーム強度と整合する安定した漸近的値に達した。