[論文レビュー] Methodology for the use of proportional counters in pulsed fast neutron yield measurements

A. Tarifeño-Saldivia, Roberto E. Mayer+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2011

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、蓄積された電荷のネット波形面積を分析することにより、制御された比例計数器を用いたパルス状高速中性子出力の測定に新たな手法を提示する。この手法により、低中性子放出レベルでも正確なキャリブレーションと不確実性の定量化が可能となり、脈動中性子出力の検出限界は、パルス重なりの統計、計数統計、およびバックグラウンドの揺らぎをモデル化することにより、最先端技術と比較してほぼ2桁低い水準まで低下する。2,000個/パルスという極めて低い中性子出力に対しても、40%未満の不確実性で実証された正確性を達成している。

ABSTRACT

This paper introduces in full detail a methodology for the measurement of neutron yield and the necessary efficiency calibration, to be applied to the intensity measurement of neutron bursts where individual neutrons are not resolved in time, for any given moderated neutron proportional counter array. The method allows efficiency calibration employing the detection neutrons arising from an isotopic neutron source. Full statistical study of the procedure is descripted, taking into account contributions arising from counting statistics, piling-up statistics of real detector pulse-height spectra and background fluctuations. The useful information is extracted from the net waveform area of the signal arising from the electric charge accumulated inside the detector tube. Improvement of detection limit is gained, therefore this detection system can be used in detection of low emission neutron pulsed sources with pulses of duration from nanoseconds to up. The application of the methodology to detection systems to be applied for D-D fusion neutrons from plasma focus devices is described. The present work is also of interest to the nuclear community working on fusion by magnetic confinement and lasers, and working on neutron production by accelerators or similar devices.

研究の動機と目的

• 10⁵個/バースト未満の低放出パルス状高速中性子源の信頼性の高いキャリブレーション手法の欠如に対処すること。
• 比例計数器の信号におけるパルス重なり、計数統計、およびバックグラウンドの揺らぎを考慮する統計的フレームワークの構築。
• 同位体中性子源を用いた効率のキャリブレーションにより、1ショット測定で中性子出力を高感度に測定可能とする。
• 核融合研究、プラズマフォーカス装置、加速器駆動中性子源における中性子検出システムへの汎用的応用を可能とする。
• 空間電荷効果が検出器応答に影響を与えない限り有効である線形性を仮定し、パルスを個別に数えるのではなく、ネット波形面積からの有用な情報抽出により、低出力領域における測定不確実性を低減すること。

提案手法

• 本手法は、プリアンプ出力における累積電荷（波形面積）を用いて検出イベント数をモデル化し、主要な式として $ m_{mc} = a \cdot X_{T,\text{net}} $ を採用する。ここで $ a $ は電荷-イベント変換係数である。
• 計数モデルとして $ E(m_{mc}) = m $ および $ \sigma^2(m_{mc}) = f_0 \cdot m + a^2 \cdot dB_{\text{sample}}^2 $ を確立し、パルス重なりとバックグラウンドの揺らぎを考慮する。
• 同位体源からの中性子を用いてキャリブレーション係数 $ j_c $ を決定し、測定された電荷を実際の中性子出力に変換可能にする。
• 中性子出力は $ Y = j_c \cdot [a \cdot X_{T,\text{net}}] \cdot \left(1 \pm \sqrt{\cdots}\right) $ を用いて計算され、$ j_c $、計数統計、およびバックグラウンドの不確実性を組み込む。
• 本手法は線形性を仮定しており、空間電荷効果が検出器応答を損なわない限り有効である。
• 立体角補正は $ f_{4\pi} = 4\pi / \Omega $ を用い、等方的放射に対して $ Y_{4\pi} = f_{4\pi} \cdot Y $ を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 比例計数器におけるパルス重なりの統計を十分に正確にモデル化できるか、高レートパルス中性子源において真の検出イベント数を抽出できるか。
• RQ2 パルス重なりにより個々の中性子イベントが解離できない状況下で、中性子出力測定の不確実性をどのように定量化できるか。
• RQ3 電荷積分信号解析と同位体源キャリブレーションを用いて、1バーストあたり10⁵個未満の中性子出力の検出限界を下回らせることが可能か。
• RQ4 計数統計とバックグラウンドの揺らぎが、低出力領域における中性子出力推定の正確性に及ぼす影響の程度はどの程度か。
• RQ5 2,000個/パルスという極めて低い出力において、不確実性が40%未満の信頼性の高い1ショット中性子出力測定が可能か。

主な発見

• 100パルス以上が重なった場合、パルス重なり統計は正規分布に収束し、分析に用いられた統計モデルの妥当性が裏付けられる。
• 提案された計数モデルにより、$ E(m_{mc}) = m $ および $ \sigma^2(m_{mc}) = f_0 \cdot m + a^2 \cdot dB_{\text{sample}}^2 $ が保証され、出力推定に堅牢な統計的根拠が得られる。
• 検出限界は約2,000個/パルスまで低下し、既存の最先端技術と比較してほぼ2桁の改善が達成された。
• 10⁵個/パルス以上の出力では、測定不確実性が10%未満に抑えられる。
• 2,000〜10,000個/パルスの中性子出力では、不確実性が40%未満に保たれ、低放出源の特徴付けに実用的であることが示された。
• 本手法により、従来の活性化法やパルス数え上げ法の低出力領域における制限を克服し、不確実性を明示した1ショット中性子出力測定が可能となった。