Neutron Imaging Detector with Ultra-Thin 10B Layers

Abstract

Desde os últimos 60 anos, os neutrões têm tido um papel importante na caracterização de materials devido às suas propriedades únicas. As novas aplicações têm levado à evolução da ciência de neutrões no que toca à sua deteção, investimento e novas instalações de pesquisa. No entanto, nas últimas duas décadas tem sido preocupante a escassez de 3He, que é o gás considerado como "golden standard" para deteção de neutrões. Esta crise é maioritariamente devida à aplicação massiva de detetores de neutrões para propósitos de segurança nacional. Por esta razão, técnicas alternativas têm sido estudadas, sendo que as mais apelativas são as reações de 6Li e 10B.Nesta dissertação, é discutida uma nova técnica de deteção de neutrões térmicos. O novo detetor consiste numa camada de deteção composta por um filme fino de B4C depositado num susbtrato fino de mylar, um meio gasoso e dois sistemas de deteção independentes (MWPCs) colocados em cada lado da camada. Da interação de um neutrão com um átomo de 10B, uma partícula alfa e um ião 7Li são emitidos na mesma linha, mas com direções opostas. O propósito de utilizar camadas muito finas de 10B é permitir que ambas as partículas secundárias escapem simultaneamente da camada de deteção. Desta forma, cada produto da reação é detetado em cada lado da camada de conversão por cada MWPC. Como são emitidos na mesma linha com direções opostas, a posição do neutrão pode ser reconstruída determinando o centróide do seu percurso no gás e a sua energia depositada através das duas MWPCs. Esta técnica melhora a resolução espacial quando comparada com detetores convencionais com camadas de deteção espessas. Através de simulações computacionais em Garfiedl++, a resolução espacial obtida é de 0,28 mm usando uma camada de B4C com uma espessura de 1 μm depositada num substrato de mylar de 0,9 μm de espessura.

Since the last 60 years, neutrons have played an important role in the characterization of materials because of their unique properties. Emerging applications have driven the evolution of neutron science in terms of detection technology, investment, and new large-scale research facilities. Notwithstanding, in the last two decades there has been a shortage of the considered golden standard gas for neutron detection: 3He. This crisis is mainly on account of the massive application of neutron detectors for homeland security purposes. For this reason, alternative techniques have been researched, being the reaction of 6Li and 10B the most attractive ones.A new technique of slow neutron detection is discussed in this thesis. This novel detector consists of a detection layer composed by a thin B4C film deposited on an also thin mylar substrate, a gas medium, and two independent readout systems (MWPCs) on each side of the layer. From the interaction between a neutron and a 10B atom, an alpha particle and a 7Li ion are emitted along the same line, but in opposite directions. The aim of using ultra-thin 10B layers is to allow both secondary particles to simultaneously escape the detection layer. So, each reaction product is detected on each side of the conversion layer by each MWPC. Since they are emitted back-to-back, the neutron position can be reconstructured by determining the particle's track centroid and its deposited energy recorded by the two readout systems. This technique improves the spatial resolution when compared to conventional detectors with thick detection layers. Through Garfield++ simulations, a spatial resolution of 0.28 mm using a B4C layer with thickness of 1 μm on a 0.9 μm mylar substrate.