Зимин Илья Юрьевич Гетерогенный сцинтиллятор на основе литиевого стекла для регистрации тепловых нейтронов

Краткое описание

ОБЪЕДИНЕННЫМ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛАБОРАТОРИЯ ЯДЕРНЫХ ПРОБЛЕМ им. В. П. ДЖЕЛЕПОВА

На правах рукописи
IUjAAW

Зимин Илья Юрьевич
Гетерогенный сцинтиллятор на основе литиевого стекла для регистрации тепловых нейтронов
Специальность 1.3.2 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Кузьмин Евгений Сергеевич

Дубна - 2024

Оглавление

Введение......................................................................................................................... 4
Глава 1. Детектирование нейтронов....................................................................... 11
1.1 Сцинтилляционные детекторы........................................................................ 11
1.2 Детекторы нейтронов на основе литиевых стекол........................................ 12
1.3 Электронные методы дискриминации гамма-квантов................................. 16
1.3.1 Регистрация на постоянном пороге........................................................ 16
1.3.2 Селекция по форме импульса................................................................. 16
1.4 Создание специальных конфигураций сцинтиллятора................................ 19
1.4.1 Тонкий сцинтиллятор.............................................................................. 19
1.4.2 Волокна из литиевого стекла.................................................................. 20
1.4.3 Метод антисовпадений............................................................................ 20
1.4.4 Композитный сцинтиллятор................................................................... 21
1.5 Композитный детектор тепловых нейтронов................................................ 24
1.6 Заключение к Главе 1....................................................................................... 24

Глава 2. Сцинтилляционный детектор нейтронов на основе литиевого стекла.

26
2.1 Детектор............................................................................................................ 26
2.2 Экспериментальные измерения...................................................................... 29
2.3 Характеристики высвечивания сцинтиллятора............................................ 32
2.4 Заключение к Главе 2...................................................................................... 35
Глава 3. Оптимизация структуры гетерогенного сцинтиллятора.................... 36
3.1 Монте-Карло модель детектора на основе гомогенного сцинтиллятора.... 36
3.2 Оптимизация структуры гетерогенного сцинтиллятора.............................. 41
3.2.1 Эффективность регистрации нейтронов композитом.......................... 42
3.2.2 Гамма-чувствительность композита...................................................... 45

2

3.3 Заключение к Главе 3

50

Глава 4. Исследование образцов гетерогенных сцинтилляторов. Сравнение с

другими методами нейтрон/гамма-дискриминации............................................ 52
4.1 Исследование образцов гетерогенных сцинтилляторов........................ 52
4.1.1 Изготовление образцов............................................................................ 52
4.1.2 Эксперимент............................................................................................. 54
4.1.3 Эффективность регистрации нейтронов................................................ 54
4.1.4 Гамма-чувствительность......................................................................... 59
4.2 Методы нейтрон/гамма-дискриминации для детектора на основе
гомогенного литиевого стекла............................................................................ 61
4.2.1 Первичная обработка............................................................................... 62
4.2.2 Селекция на постоянном пороге............................................................ 63
4.2.3 Селекция по длительности импульса.................................................... 64
4.2.4 Разделение методом интегрирования заряда........................................ 66
4.2.5 Сравнение методов разделения нейтронов и гамма-квантов.............. 69
4.3 Заключение к Главе 4...................................................................................... 70
Заключение................................................................................................................... 71
Благодарности.............................................................................................................. 73
Список литературы.................................................................................................... 74

3

Список литературы

Заключение

Основные результаты настоящей работы сводятся к следующему:
1. Создан детектор для регистрации тепловых нейтронов на основе литиевого стекла NE 912. Проведены испытания на пучке тепловых нейтронов на 13 канале реактора ИБР-2М и источнике гамма-квантов 60Co.
2. Создана и верифицирована Монте-Карло модель этого детектора c использованием программного пакета Geant4. Смоделированные спектры от нейтронов и гамма-квантов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
3. Используя модель и экспериментальные данные были определены
характеристики сцинтиллятора: световыход при регистрации
нейтронов, усредненный для продуктов реакции захвата нейтрона квенчинг-фактор, временные параметры высвечивания.
4. Создана Монте-Карло модель детектора тепловых нейтронов на
основе гетерогенного сцинтиллятора с низкой
гамма-чувствительностью. Сцинтиллятор представлял нейтральную матрицу, в которой размещены кубические гранулы литиевого стекла. В качестве материалов матрицы были рассмотрены: акриловая смолы, эпоксидная смола и силиконовый компаунд.
5. С помощью моделирования было показано, что оптимальные характеристики материала достигаются при размере гранул от 400 до 500 мкм и их концентрации порядка 35%. По сравнению с гомогенным стеклянным сцинтиллятором таких же размеров чувствительность к гамма-квантам гетерогенного сцинтиллятора может быть снижена на два порядка, до 4 • 10-7, при этом эффективность регистрации нейтронов падает от 91 до 56%.
6. По результатам моделирования изготовлены образцы композитных сцинтилляторов. Размеры фрагментов литиевого стекла NE 912

71

находились в диапазоне 0,35 < d < 0,5 мм. Было создано 9 образцов с комбинациями трех концентраций (25, 30 и 35%) и трех оптических компаундов (силикон, эпоксидная и акриловая смолы).
7. Проведены испытания образцов в составе детектора на пучке тепловых нейтронов и с источником гамма-квантов 60Co. Были найдены значения эффективности регистрации тепловых нейтронов и гамма-чувствительности.
8. В данной работе было показано, что создание гетерогенной структуры сцинтиллятора и использование регистрация на постоянном пороге позволяет достигнуть лучшего уровня нейтрон/гамма дискриминации. Образец с матрицей из эпоксидной смолы и концентрацией литиевого стекла 25% эффективность регистрации принимает значение ~53% и чувствительность к гамма-квантам 9,2 • 10-7.