Proportional counters equipped with thin B4C conversion layers for the detection of slow neutrons

Abstract

Devido às suas propriedades únicas, a irradiação com neutrões é uma ferramenta ideal para estudar a estrutura e os processos dinâmicos que ocorrem na escala atómica da matéria. Nos últimos anos, foi feito um investimento considerável na ciência de neutrões, que se materializou na construção de novas instituições de investigação que apenas recentemente iniciaram a sua operação, ou que serão iniciadas num futuro próximo. Estas instituições modernas fornecem feixes de neutrões de elevado fluxo, aumentado os limites de desempenho de detetores de neutrões. Adicionalmente, nas últimas duas décadas, detetores de neutrões foram massivamente instalados em aplicações de segurança interna, para controlar o transporte ilícito de materiais nucleares especiais entre fronteiras internacionais. Ao mesmo tempo, a comunidade científica ligada à ciência de neutrões foi abalada por uma grave escassez de 3He, o gás considerado como o padrão de referência na deteção de neutrões. A procura por alternativas tecnológicas aos detetores baseados em 3He, é maioritariamente restringida pelo fato de que apenas alguns isótopos têm uma probabilidade de interação relevante ao atravessados por neutrões. Na maioria dos casos, o mecanismo físico envolvido na sua deteção é a reação de captura nuclear de neutrões, na qual um neutrão é absorvido por um núcleo que posteriormente se divide em dois iões pesados, facilmente detetáveis devido ao seu alto poder ionizante. Na prática, para além do 3He, os únicos isótopos que têm uma probabilidade significativa de interagir com neutrões pela reação descrita são o 6Li e o 10B. Neste trabalho, dois novos detetores de neutrões foram desenvolvidos, ambos baseados no uso de camadas micrométricas de carboneto de boro (B4C). Um deles é o detetor aerossol, que consiste num contador proporcional gasoso com micropartículas de B4C em suspensão, com dimensões suficientemente reduzidas para permitir que ambas as partículas secundárias emitidas na reação de captura dos neutrões escapem e depositem grande parte da sua energia inicial no gás envolvente, estendendo assim o espectro de energias do detetor para energias mais altas. Foram investigadas estratégias para a otimização da dispersão das partículas, e feitas medidas com irradiação de neutrões para analisar a viabilidade deste conceito de deteção. Os resultados indicaram que a deteção simultânea de ambos os produtos de reação da captura de neutrões em partículas suspensas é possível. No entanto, manter uma suspensão homogénea e contínua das micropartículas por longos períodos de tempo é tecnicamente difícil. Um detetor aerossol semelhante foi também desenvolvido para a deteção de raios-X duros, substituindo o B4C por nanopartículas com elevado Z, de modo a aumentar a probabilidade de ocorrência do efeito fotoelétrico, convertendo fotões de alta energia em fotoeletrões, raios-X característicos e eletrões de Auger, que têm maior probabilidade de serem detetados no volume gasoso. Usando nanopartículas de Bi2O3, um aumento de eficiência por um fator de 3.6 foi observado para fotões de 59.5 keV. O segundo detetor de neutrões apresentado é o detetor de coincidência, direcionado a aplicações que requerem boa resolução espacial. Este baseia-se numa camada de deteção composta por um filme fino de B4C depositado num substrato fino de Mylar, envolvido por um gás de deteção, e duas câmaras multifios em cada lado da camada. Como ambos os produtos da reação de captura de neutrões podem escapar simultaneamente da camada de conversão, o ponto de interação dos neutrões pode ser identificado quando ambas as partículas são detetadas em coincidência por cada uma das câmaras multifios. Através de simulações em GEANT4, verificou-se que mesmo com um número substancialmente inferior de neutrões detetados, a resolução espacial pode ser significativamente melhorada em comparação com detetores convencionais que usam camadas espessas de deteção. Para a mesma irradiação de neutrões, e considerando apenas a limitação de resolução espacial provocada pelo alcance das partículas secundárias da reação de captura de neutrões no gás, os resultados de simulação indicam uma melhoria de resolução espacial por um fator de 8.25.

Because of their unique properties, neutrons are an ideal probe to study the structure and dynamic processes that occur at an atomic scale in matter. In recent years, significant investments in neutron science have been made, which materialized in the construction of large-scale research facilities that only recently started operating or that are expected to do so in a near future. These modern facilities provide high neutron beam fluxes, and are pushing the performance limits of neutron detectors. Additionally, in the last two decades, neutron detectors have been massively deployed for homeland security, to control the illicit transportation of special nuclear materials across international borders. At the same time, the neutron research community was struck by a severe shortage of 3He, the gas that was considered the golden standard for neutron detection. The search for technological alternatives to 3He-based detectors is mostly constrained by the fact that only a few isotopes have a relevant interaction probability when traversed by neutrons. In most cases, the physical mechanism involved in their detection is the neutron capture reaction, in which a neutron is absorbed by a nucleus that subsequently breaks into two heavy charged particles, easily detectable due to their high ionizing power. In practice, other than 3He, the only isotopes that have a significant probability of interacting with neutrons via the described reaction are 6Li and 10B. In this work, two novel neutron detectors were developed, both based on the deployment of micrometric boron carbide (B4C) layers. One of these is the fine powder aerosol detector, which consists of a gaseous proportional counter with B4C microparticles in suspension, small enough to allow for both secondary particles from the neutron capture reaction to escape it and deposit a large fraction of their initial energy in the surrounding gas, extending the energy spectrum of the detector response to higher energies. Strategies for the optimization of particle dispersion were investigated, and neutron irradiation measurements were carried to access the feasibility of this detection concept. Results indicated that the simultaneous detection of both reaction products from neutron captures occurring in suspended particles is possible. However, keeping a homogeneous and continuous suspension of the fine powder for long periods is technically challenging. A similar aerosol detector was also developed for the detection of hard x-rays, replacing B4C with high-Z nanoparticles to increase the photoelectric effect probability, converting high energy photons into photoelectrons, characteristic x-rays and Auger electrons, which have a higher probability of being detected in the gas volume. Using Bi2O3 nanoparticles, an efficiency increase by a factor of 3.6 was observed for 59.5 keV photons. The second neutron detector presented is the coincidence detector, aimed at applications that require fine spatial resolution. This forsees the use of a detection layer composed of a thin B4C film deposited on a thin Mylar substrate, surrounded by a counting gas, and two MWPCs on each side of the layer. Because both secondary products from the neutron capture reaction can simultaneously escape the conversion layer, the position of the neutron interaction site can be pinpointed when both particles are detected in coincidence by each MWPC. Through GEANT4 simulations, it was verified that even for a substantially inferior number of detected neutrons, spatial resolution can be significantly improved when compared to conventional detectors that employ thick detection layers. For the same neutron exposure, and considering only the limitation of spatial resolution impinged by the range of the secondary particles of the neutron capture reaction in the gas at atmospheric pressure, simulation results indicate an improvement of spatial resolution by a factor of 8.25.