[논문 리뷰] High Spatial-Resolution Fast Neutron Detectors for Imaging and Spectrometry

I. Mor|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 27.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두 가지 고공간해상도 고속 중성자 검출기, 즉 시간 간격을 두고 광신호를 읽는 방식을 사용하는 시간해상도 통합 광중성자(TRION) 검출기와 액체闪烁체를 충진한 섬유질 관구 검출기의 개발을 제시한다. TRION 검출기는 1–2 MHz 반복률에서 시간도행렬(ToF)을 통한 에너지 분辩 영상 촬영을 가능하게 하며, 액체闪烁체를 충진한 관구 검출기는 반동 수소핵의 궤적 길이와 빛 유량을 통해 이벤트별 중성자 에너지 재구성 기능을 제공한다. 두 검출기 모두 100 μm 이내의 위치 해상도를 확보하고, 펄스 중성자원을 이용한 에너지 분별 영상 촬영 및 스펙트로미터리 기능을 입증하였다.

ABSTRACT

Two detection systems based on optical readout were developed: a. Integrative optical detector A 2nd generation of Time-Resolved Integrative Optical Neutron (TRION) detector was developed. It is based on an integrative optical technique, which permits fast-neutron energy-resolved imaging via time-gated optical readout. This mode of operation allows loss-free operation at very high neutron-flux intensities. The TRION neutron imaging system can be regarded as a stroboscopic photography of neutrons arriving at the detector on a few-ns time scale. As this spectroscopic capability is based on the Time-of-Flight (TOF) technique, it has to be operated in conjunction with a pulsed neutron source, such as an ion accelerator producing 1-2 ns wide beam pulses at MHz repetition rates. TRION is capable of capturing 4 simultaneous TOF frames within a single accelerator pulse and accumulating them over all pulses contained within a finite acquisition time. The detector principle of operation, simulations and experimental results are described. b. Fibrous optical detector A fast neutron imaging detector based on micrometric glass capillaries loaded with high- refractive-index liquid scintillator has been developed. Neutron energy spectrometry is based on event-by-event detection and reconstruction of neutron energy from the measurement of the recoil proton track projection length and the amount of light produced in the track. In addition, the detector can provide fast-neutron imaging with position resolution of tens of microns. The detector principle of operation, simulations and experimental results obtained with a small detector prototype are described. Track-imaging of individual recoil protons from incident neutrons in the range of 2-14 MeV are demonstrated as well as preliminary results of detector spectroscopic capabilities. Keywords: Fast neutron resonance radiography; Time-of-Flight; Fast neutron imaging; Energy-resolved imaging; Neutron spectrometry; Capillary array; Liquid scintillator

연구 동기 및 목표

• 펄스 중성자 환경에서 영상 촬영 및 에너지 분별 검출을 위한 고공간해상도 고속 중성자 검출기 개발.
• 고동적 범위와 고속도에서의 손실 없는 작동이 가능한 시간 간격 광신호 읽기 방식을 활용한 에너지 분별 중성자 영상 촬영 기능 제공.
• 액체闪烁체를 충진한 관구 내에서 반동 수소핵 궤적의 이벤트별 재구성을 통해 정밀한 중성자 에너지 스펙트로미터리 실현.
• 프로토타입 검출기에서 100 μm 이내의 위치 해상도 및 스펙트로미터리 기능 입증.

제안 방법

• TRION 검출기는 가속기 펄스 당 다중 시간도행렬(ToF) 영상 촬영을 가능하게 하기 위해 산란광 신호를 시간 간격으로 읽는 방식을 사용한다. 이는 1–2 MHz 반복률에서 시간도행렬(ToF) 기반 에너지 분별 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 2세대 TRION 시스템은 다중 펄스 동안 신호를 통합하여 고동적 범위 확보 및 고중성자율에서의 손실 없는 작동을 실현한다.
• 섬유형 검출기는 고굴절률 액체闪烁체를 충진한 마이크로미터 크기의 유리 관구를 배열하여 고속 중성자로부터 발생하는 반동 수소핵을 검출한다.
• 개별 반동 수소핵의 투영 궤적 길이와 빛 유량을 이용해 이벤트별 검출 방식으로 중성자 에너지를 재구성한다.
• 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검출기 원리, 공간 해상도 및 에너지 반응 특성 등이 검증되었다.
• 두 시스템 모두 1–2 ns의 펄스를 발생시키는 이온 가속기 등 펄스 중성자원과의 작동을 고려해 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 간격 광신호 읽기 방식은 고동적 범위 확보와 함께 1–2 MHz 반복률에서 에너지 분별 고속 중성자 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ2 액체闪烁체를 충진한 관구 기반 검출기의 공간 해상도 및 에너지 해상도는 고속 중성자 스펙트로미터리에서 얼마나 달성 가능한가?
• RQ3 반동 수소핵 궤적의 이벤트별 재구성이 2–14 MeV 범위의 중성자 에너지 정확한 결정에 기여하는가?
• RQ4 TRION 검출기는 신호 손실 없이 가속기 펄스 당 다중 시간도행렬(ToF) 영상 촬영을 수행할 수 있는가?
• RQ5 섬유형 검출기는 고속 중성자 영상에서 100 μm 이내의 위치 해상도를 얼마나 달성할 수 있는가?

주요 결과

• TRION 검출기는 1–2 ns 이내의 가속기 펄스 내에서 네 개의 동시 시간도행렬(ToF) 영상 촬영에 성공하여 1–2 MHz 반복률에서 에너지 분별 영상 촬영이 가능함을 입증하였다.
• 시간 간격 광신호 읽기 방식 덕분에 고중성자율에서도 손실 없는 작동이 가능하여 신호 무결성이 유지됨을 입증하였다.
• 섬유형 관구 검출기는 수십 마이크로미터 수준의 위치 해상도를 확보하여 고해상도 영상 촬영에 적합함을 입증하였다.
• 2–14 MeV 범위의 중성자에서 발생하는 개별 반동 수소핵 궤적의 영상 촬영이 실험적으로 구현되었으며, 이벤트별 검출의 가능성 확인됨.
• 초기 결과로 빛 유량과 궤적 길이가 입사 중성자 에너지와 상관관계를 보이며, 중성자 에너지 스펙트로미터리 기능의 타당성 입증됨.
• 시뮬레이션과 프로토타입 실험을 통해 두 검출기 시스템 모두 고해상도 고속 중성자 영상 촬영 및 에너지 분별 검출에 실현 가능함이 확인됨.