[논문 리뷰] PGNAA neutron source moderation setup optimization

Jinzhao Zhang, Xianguo Tuo|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 05.

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한 줄 요약

이 연구는 몬테카를로 시뮬레이션(MCNP5)을 사용하여 PGNAA 중성자 원천을 최적화하여 열중성자 통량을 향상시킨다. 얇은 파라핀 층과 두꺼운 중수소물 중성자 조절체 및 반사재를 조합함으로써, 기존 설계 대비 열중성자 통량을 3.02배 증가시키고 탐지율을 3.27배 향상시켜 PGNAA 감도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Monte Carlo simulations were carried out to design a prompt γ-ray neutron activation analysis (PGNAA) thermal neutron output setup using MCNP5 computer code. In these simulations the moderator materials, reflective materials and structure of the PGNAA 252Cf neutrons of thermal neutron output setup were optimized. Results of the calcuations revealed that the thin layer paraffin and the thick layer of heavy water moderated effect is best for 252Cf neutrons spectrum. The new design compared with the conventional neutron source design, the thermal neutron flux and rate were increased by 3.02 times and 3.27 times. Results indicate that the use of this design should increase the neutron flux of prompt gamma-ray neutron activation analysis significantly.

연구 동기 및 목표

• 프롬프트 감마선 중성자 활성화 분석(PGNAA) 시스템에서 열중성자 통량을 향상시키기 위해.
• 252Cf 중성자 원천을 위한 최적의 조절체 및 반사재 재료를 규명하기 위해.
• 최대한의 열중성자 출력을 통해 탐지 감도를 향상시키기 위해.
• 시뮬레이션 기반 최적화를 활용한 컴act하고 효율적인 중성자 조절 설계를 위한.

제안 방법

• 중성자 이동 및 에너지 감쇠를 모델링하기 위해 MCNP5 코드를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 열중성자화 효율을 평가하기 위해 파라핀, 폴리에틸렌, 중수소수와 같은 다양한 조절체 재료를 평가하였다.
• 중성자 통량 최적화를 위해 조절체 및 반사체 층의 기하학적 구조를 체계적으로 변경하였다.
• 중성자 유출을 줄이기 위해 베릴륨 및 폴리에틸렌과 같은 반사재를 시험하였다.
• 각 설계 간 성능를 비교하기 위해 시료 위치에서의 열중성자 통량을 계산하였다.
• 최종 설계는 최적의 조절 및 반사 효과를 위해 얇은 파라핀 층과 두꺼운 중수소물 조절체를 조합하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PGNAA 시스템에서 열중성자 통량을 최대화하는 데 가장 적합한 조절체 및 반사재 재료 조합은 무엇인가?
• RQ2 조절체의 두께 및 다층 구조는 중성자 에너지 스펙트럼 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 PGNAA 감도 향상을 위해 최적의 중성자 원천 기하학적 구조는 무엇인가?
• RQ4 새로운 설계는 기존 PGNAA 원천 구성과 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 다층 구조에서 중수소수와 파라핀의 사용이 중성자 통량 및 탐지율을 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 얇은 파라핀 층과 두꺼운 중수소물 조절체의 조합이 가장 높은 열중성자 통량을 생성하였다.
• 최적화된 설계는 기존 설계 대비 열중성자 통량을 3.02배 증가시켰다.
• 향상된 통량으로 인해 중성자 탐지율이 3.27배 향상되었다.
• 중수소수가 252Cf 중성자를 열중성자로 변환하는 데 뛰어난 조절 효율성을 보였다.
• 반사재의 포함으로 인해 중성자 손실이 추가로 감소하고 통량 집중도 향상되었다.
• 시뮬레이션 결과는 새로운 설계가 PGNAA 시스템 성능을 크게 향상시킨다는 것을 확인하였다.