ZnS(Ag) temelli nötron algılamanın incelenmesi, dedektör benzetimi, tasarımı ve aktif bir nötron dedektör sisteminin geliştirilmesi
Investigation of ZnS(Ag) based neutron detection, detector simulation, design and development of an active neutron detector system
Yazar: TUĞÇE GÜRDAL
Danışman: PROF. DR. HALUK YÜCEL
Ankara Üniversitesi / Nükleer Bilimler Enstitüsü / Medikal Fizik Ana Bilim Dalı / Medikal Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Tez kapsamında yavaş nötronları ölçen sistemin tasarımı ve taşınabilir prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Sistemin tasarımında MCNP kodu kullanılarak dedektör sistemi modellenmiş, simülasyonlar sonucunda kullanılacak malzemeler ve geometrik konfigürasyonlarına karar verilmiştir. Nötron nötral parçacık olduğundan direkt ölçümü mümkün değildir. Bu nedenle, 6Li(n,α) tepkimesinde açığa çıkan trityum(3H+) ve alfa(4He++) ikincil iyonlaştırıcı parçacıkların ZnS(Ag) sintilatöründe ürettiği sintilasyon ışığının uygun bir fotoçoğaltıcı tüp(PMT) ile elektrik sinyaline dönüştürülmesi ve ölçülmesi prensibi uygulanmıştır. Bu amaçla, 241Am-Be izotopik kaynaktan çıkan hızlı nötronların, yüksek hidrojen atom yoğunluğu olan, farklı kalınlıklardaki (3-20cm) polietilen yardımıyla yavaşlatılarak termalize(<0.5eV=ECd-cutoff) olmaları sağlanmıştır. Tezde transmatör olarak EJ-420(50.8mm çapx6.4kalınlık, 6Li+ZnS(Ag)) sintilatör, puls doğma zamanı kısa PMT'yle(Hamamatsu H1949-51) optik olarak bağlantılanarak optik siyah bantla ışık sızdırmazlığı ve contalı Al-kılıfla hava geçirmezliği sağlanmıştır. Termal nötron soğurma tesir kesiti 940b olan 6Li nötron soğurucu transmatör izotopun %95 zenginlikteki formunu içeren EJ-420 sintilatörü, pratikte aynı anda gama ve nötron bulunan karışık radyasyon alanlarında, nötronun dedeksiyonu lehine önemli avantaj sunduğu için tercih edilmiştir. EJ-420 bu yönüyle örneğin BF3 gazlı nötron dedektör tasarımından daha etkin nötron ölçümüne imkan vermektedir. Tezde nötron ve gama sinyallerinin ayırt edilmesi için "puls şekli ayırma" yöntemi uygulanmıştır. Bu amaçla, hızlı dijital osiloskop yardımıyla dedektör çıkışındaki pulslar eş zamanlı olarak tetiklenerek, verilere dijital filtreleme teknikleri uygulanarak nötron-gama kaynaklı pulslar ayırt edilerek, nicel sayım değerleri elde edilmiştir. Prototipi üretilen 6Li transmatör+ZnS(Ag) inorganik sintilatör temelli nötron dedeksiyon sistemi, 241Am-Be nötron kaynağında test edilerek bulgular tartışılmıştır.
Tez, Ankara Üniversitesi BAP Koordinatörlüğü FDK-2023-2869 kodlu "ZnS(Ag) temelli nötron algılamanın incelenmesi, dedektör benzetimi, tasarımı ve aktif bir nötron dedektör sisteminin geliştirilmesi" doktora tez destek projesinden  üretilmiş  ve tam olarak desteklenmiştir. 
Ağustos 2024, 110 sayfa  
Anahtar kelimeler: Nötron dedeksiyonu, nötron/gama ayrımı, termal nötron, puls şekli ayırma, MCNP6 modelleme, EJ-420

Abstract:
In this thesis, the design and development of a portable slow neutron detection system based on a 6LiF+ZnS(Ag) scintillator was carried out. 
The principle of converting and measuring the scintillation light produced by the tritium (3H+) and alpha (4He++) secondary ionizing particles released in 6Li(n,α) reaction in ZnS(Ag) scintillator into an electrical signal with a suitable photomultiplier tube (PMT) was applied. To achieve this, fast neutrons coming from 241Am-Be isotopic source are slowed down by high-density polyethylene(HDPE) having high hydrogen atomic density, using different thicknesses (3-20cm), so neutrons were thermalized (average energy <0.025eV, up to epithermal energy of  <0.5eV, where cadmium cut off is ECd-cutoff=0.50-0.55 eV @ 1mm Cd thick).
EJ-420 (50.8mm diameterx6.4thickness, 6Li+ZnS(Ag)) scintillator is used as transmator material, optically connected to a fast PMT (Hamamatsu H1949-51) with short pulse rise-time, light sealing with optical black tape and sealed Al-shield having air tightness feature. Due to high thermal neutron absorption cross section of 6Li  (941.2 b), EJ-420 scintillator enriched to 95% atom 6Li is practically expected more efficient in the detection of neutrons in mixed radiation fields, where gammas and neutrons present at the same time.And pulse shape discrimination (PSD) method is employed.
The detector system was modeled using Monte Carlo simulation code (MCNP). As a result of the simulation, PMT was supplied and the material properties/thicknesses were optimized for the best scintillator, where EJ-420 consisting of 95% 6Li dispersed in ZnS(Ag) was chosen because of its distinctive feature in view of high thermal neutron detection efficiency. Since Ej-420 offers a significant advantage in favor of neutron detection in mixed radiation fields. In this thesis, an electronic circuit that can employ "pulse shape discrimination (PSD)" method has been implemented to distinguish neutron and gamma signals. For this purpose, the pulses at the detector output are triggered simultaneously with the help of a fast digital oscilloscope and digital filtering techniques are applied to this data to distinguish the pulses arising from neutrons and gammas. Then, in a measuring setup, the pulse counting rates were obtained and evaluated. In conclusion, a prototype of a slow neutron detection system based on the 6Li transmator+ZnS(Ag) inorganic scintillator was designed, developed and tested in the mixed field of 241Am-Be neutron source, then the obtained results are discussed in detail.
This thesis is fully supported by "Ankara University BAP Project coded FDK-2023-2869 and entitled "Investigation of ZnS(Ag) based neutron detection, detector simulation, design and development of an active neutron detector system"  
August 2024, 110 pages   
Key Words: Neutron detection, neutron/gamma discrimination, thermal neutron, pulse shape discrimination, MCNP6 Modelling, EJ-420