[論文レビュー] Single-Volume Neutron Scatter Camera for High-Efficiency Neutron Imaging and Spectroscopy

Joshua Brian Braverman, James S. Brennan+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2018

Nuclear Physics and Applications参考文献 6被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、大規模で連続的なシンチレーターと高分解能フォト検出器を用い、1つのアクティブボリューム内で二重散乱中性子事象を検出および再構成する単一ボリューム中性子散乱カメラ（SVSC）を提案する。これにより、従来の二重散乱系の低幾何的効率という課題を克服する。Geant4シミュレーションと最尤推定アルゴリズムを用いた研究により、核分裂エネルギーの中性子に対して約13.6％の検出効率を達成し、空間分解能は5 mm未満、時間分解能は150 ps未塔を達成した。

ABSTRACT

Neutron detection provides an effective method to detect, locate, and characterize sources of interest to nuclear security applications. Current neutron imaging systems based on double-scatter kinematic reconstruction provide good signal vs. background discrimination and spectral capability, but suffer from poor sensitivity due to geometrical constraints. This weakness can be overcome if both neutron-proton scattering interactions are detected and resolved within one large contiguous active detector volume. We describe here a maximum likelihood approach to event reconstruction in a single-volume system with no optical segmentation and sensitivity to individual optical photons on the surfaces of the scintillator. We present results from a Geant4-based simulation establishing the feasibility of this single-volume neutron scatter camera concept given notional performance of existing photodetector and readout technologies.

研究の動機と目的

• 空間的に分離したシンチレーター素子に依存する従来の二重散乱中性子イメージング系の低幾何的効率という課題を解決すること。
• 連続的なシンチレーターと高分解能フォト検出器を用いたコンactな単一ボリューム中性子散乱カメラ（SVSC）の実現可能性を示すこと。
• 1つの大きなアクティブボリューム内で2つの中性子-陽子散乱相互作用を検出し、位置を特定するための最尤イベント再構成アルゴリズムの開発および検証すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出効率、空間および時間分解能、画像・スペクトル再構成の正確性という観点からSVSCの性能を定量すること。
• 核セキュリティ分野への応用可能性、例えばスタンドオフ検出、貨物スクリーニング、軍備管理検証の分野でのSVSCの可能性を評価すること。

提案手法

• SVSCの設計では、2つの中性子-陽子散乱相互作用をすべて含む1つの大きな連続的有機シンチレーター体積が用いられる。
• ナノ秒未塔の時間分解能とミリメートルスケールの空間分解能（例：MCP-PMT）を有するフォト検出器が、検出器の境界におけるシンチレーション光子の到着時刻と位置を記録するために使用される。
• 最尤推定アルゴリズムにより、光子検出データに基づき2つの主要な陽子反動の空間的位置および時刻が推定される。
• 運動論的式を用いて中性子エネルギーと散乱角を計算する：$ E_n = E_{n'} + E_p $、$ E_{n'} = \frac{1}{2}m_n \left( \frac{d_{10}}{t_{10}} \right)^2 $、および $ \theta = \arccos\left( \sqrt{ \frac{E_{n'}}{E_n} } \right) $。
• 画像再構成には、リストモード最尤推定最大化（MLEM）が用いられ、最初の2つの相互作用が関連のある二重散乱事象であると仮定する。
• Geant4を用いたモンテカルロシミュレーションにより、中性子輸送、散乱、光子伝搬をモデル化し、現実的なフォト検出器の応答およびノイズ特性を反映する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的なシンチレーター体積が、高い効率で二重散乱中性子事象を再構成するのに十分な空間的および時間的分解能を達成できるか？
• RQ2 最新のフォト検出器技術を用いた単一ボリューム中性子散乱カメラにおける、核分裂エネルギーの中性子の実現可能な検出効率はどの程度か？
• RQ3 最尤推定アルゴリズムを用いた場合、SVSCは中性子エネルギースペクトルおよび方向性情報をどの程度正確に再構成できるか？
• RQ4 再構成誤差の主な要因は何であり、それらは相互作用の分離距離やエネルギー付加量とどのように相関するか？
• RQ5 パルス形状分離を実施しない状況下でも、時間的およびトポロジー的特徴に基づいて中性子事象とガンマ背景を区別できるか？

主な発見

• シミュレートされたSVSCシステムにおいて、入射する核分裂エネルギーの中性子の約13.6％が、300 keV以上のエネルギーを持つ少なくとも2つの陽子散乱相互作用を示した。
• 検出可能な二重散乱事象の約半数が、最尤アルゴリズムにより正常に再構成された。これは、実用的実装の強い可能性を示している。
• 最初の相互作用と2番目の相互作用の空間分解能はそれぞれ3 mm（5 mm）であり、時間分解能は80 ps（150 ps）であった。
• 再構成された中性子エネルギースペクトルは真のスペクトルと良好に一致したが、イベント選別および最初の2つの相互作用間の炭素散乱などのトポロジー的効果による歪みが生じた。
• リストモードMLEMを用いた画像再構成により、誤って再構成されたイベントがランダムに寄与しても、最小限のバイアスで明確な源の重心が得られた。
• 再構成における主な制限要因は、相互作用間の空間的および時間的分離が小さい場合であり、これによりレバーアームが短くなり、情報量が減少するためである。