[논문 리뷰] The neutron tagging facility at Lund University

F. Messi, H. Perrey외 28명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 28.

Nuclear Physics and Applications참고 문헌 19인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 룬드 대학교의 뉴트론 태깅 시설을 소개한다. 이 시설은 헬륨-3이 없는 뉴트론 탐지기의 정합성을 검증하기 위해 방사성 원소에서 유도된 태깅된 뉴트론을 사용하는 저비용, 정밀한 뉴트론 비드 시스템이다. 뉴트론 태깅과 시간 도달 시간 측정을 조합함으로써, 시설은 정확하고 이벤트별로 뉴트론 에너지를 결정할 수 있으며, 유럽 스파라슬레이션 소스의 출시와 함께 헬륨-3 부족 상황 속에서 탐지기 개발을 위한 비용 효율적인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Over the last decades, the field of thermal neutron detection has overwhelmingly employed He-3-based technologies. The He-3 crisis together with the forthcoming establishment of the European Spallation Source have necessitated the development of new technologies for neutron detection. Today, several promising He-3-free candidates are under detailed study and need to be validated. This validation process is in general long and expensive. The study of detector prototypes using neutron-emitting radioactive sources is a cost-effective solution, especially for preliminary investigations. That said, neutron-emitting sources have the general disadvantage of broad, structured, emitted-neutron energy ranges. Further, the emitted neutrons often compete with unwanted backgrounds of gamma-rays, alpha-particles, and fission-fragments. By blending experimental infrastructure such as shielding to provide particle beams with neutron-detection techniques such as tagging, disadvantages may be converted into advantages. In particular, a technique known as tagging involves exploiting the mixed-field generally associated with a neutron-emitting source to determine neutron time-of-flight and thus energy on an event-by-event basis. This allows for the definition of low-cost, precision neutron beams. The Source-Testing Facility, located at Lund University in Sweden and operated by the SONNIG Group of the Division of Nuclear Physics, was developed for just such low-cost studies. Precision tagged-neutron beams derived from radioactive sources are available around-the-clock for advanced detector diagnostic studies. Neutron measurements performed at the Source Testing Facility are thus cost-effective and have a very low barrier for entry. In this paper, we present an overview of the project.

연구 동기 및 목표

• 헬륨-3 부족 상황과 유럽 스파라슬레이션 소스의 출시에 대비해 헬륨-3가 없는 뉴트론 탐지 기술에 대한 수요 증가에 대응하기 위해.
• 기존의 뉴트론 방출원소는 넓고 복잡한 에너지 스펙트럼과 높은 배경 수준을 유발하므로 이를 극복하기 위해.
• 태깅된 뉴트론을 활용해 이벤트별로 정밀한 에너지 측정이 가능한 저비용, 접근 용이한 플랫폼을 개발하여 고급 탐지기 진단을 가능하게 하기 위해.
• 연구자들이 접근 장벽을 최소화하고도 프로토타입 뉴트론 탐지기를 24시간 내내 테스트할 수 있는 실용적인 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 주요 뉴트론 원천으로 방사성 뉴트론 방출원소(예: 252Cf)를 사용한다.
• 원소의 붕괴에서 발생하는 관련 입자(예: 핵분열 파편 또는 즉각적 감마선)를 감지하여 뉴트론 이벤트를 식별함으로써 뉴트론 태깅을 구현한다.
• 태깅된 이벤트를 시점 기준으로 삼아 뉴트론이 원천에서 탐지기까지 도달하는 데 걸리는 시간 도달 시간(TOF)을 측정한다.
• TOF 정보를 활용해 각 탐지된 뉴트론의 에너지를 이벤트별로 결정한다.
• shielding 및 입자 감지 시스템을 통합하여 배경 방사선(예: 감마선, 알파 입자)을 억제한다.
• 룬드 대학교 핵물리학 부서의 소스-테스팅 시설을 운영하여 校정된 정밀 태깅 뉴트론 비드를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방사성 원소에서 유도된 태깅된 뉴트론이 새로운 헬륨-3가 없는 뉴트론 탐지기의 정합성 검증을 위해 충분한 에너지 해상도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 태깅된 뉴트론 기법이 방사성 원소를 사용한 뉴트론 탐지 실험에서 배경 간섭을 얼마나 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ3 이 시설이 탐지기 개발을 위한 비용 효율적이고 고정밀 뉴트론 비드 특성 분석을 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ4 소형 비가속기 기반 시스템에서 시간 도달 시간을 통한 이벤트별 뉴트론 에너지 측정이 신뢰성 있게 구현될 수 있는가?
• RQ5 에너지 해상도와 실험 접근성 측면에서 태깅 시스템의 성능이 기존 뉴트론 비드에 비해 어느 정도 뛰어난가?

주요 결과

• 이 시설은 방사성 원소를 이용해 정밀 태깅 뉴트론 비드를 성공적으로 생성하여, 시간 도착 시간을 통한 이벤트별 뉴트론 에너지 측정이 가능하다.
• 뉴트론 태깅은 관련 입자 감지를 통해 감마선 및 알파 입자와 같은 배경 방사선을 효과적으로 억제할 수 있다.
• 이 시스템은 저비용이며 24시간 내내 작동 가능한 뉴트론 탐지기 검증 솔루션을 제공하여 연구자들이 접근하는 데 있어 장벽을 크게 낮춘다.
• 이 방법은 헬륨-3가 없는 뉴트론 탐지기 프로토타입의 초도 및 고급 진단을 위한 충분한 에너지 해상도를 달성한다.
• 이 시설은 방사성 원소에서 유도된 태깅된 뉴트론을 가속기 기반 또는 원자로 기반 뉴트론 비드의 실용적인 대안으로 사용할 수 있음을 입증한다.
• 룬드 대학교의 소스-테스팅 시설은 현재 운영 중이며, 유럽 스파라슬레이션 소스와 헬륨-3 위기 상황 속에서 탐지기 개발을 적극적으로 지원하고 있다.