Simulation et caractérisation d'un détecteur à neutrons à base d'un scintillateur liquide linear alkyl benzene (LAB) chargé en bore

Un scintillateur liquide à base du solvant linéaire alkyl benzène (LAB) et chargé en bore a été conçu pour l'utilisation dans un détecteur de neutrons dans un environnement de rayons gamma. Le détecteur est rendu robuste grâce à une fibre optique qui transporte la lumière du module scintillateur à un photomultiplicateur situé à distance. Nous décrivons ici un modèle de simulation GEANT4 pour l'optimisation de la conception du détecteur. Ce modèle comprend la physique de l'interaction des neutrons avec du bore-10, la scintillation lumineuse et le transport de lumière dans la fibre optique. Toutes les composantes du détecteur sont simulées dont le scintillateur et la fibre optique. Les résultats montrent que pour un faisceau unidirectionnel de neutrons thermiques, un petit détecteur de neutrons avec une efficacité de détection de 70% peut être atteint par le chargement du scintillateur avec 4.5% de bore-10 et en utilisant une fibre optique de 2 mètres. Le travail expérimental a permis en premier lieu de valider les calculs GEANT4 et de confirmer le principe de l'utilisation de LAB comme solvant d'un scintillateur liquide pour la détection du rayonnement nucléaire. Les mesures avec un faisceau de neutron ont permis d'observer, pour la première fois, dans le spectre énergétique un pic autour de 60 keV dû aux neutrons. Nous avons également trouvé que le scintillateur à base de LAB a une figure de mérite de 1.14 pour la discrimination entre les particules alpha et beta. Les mesures avec une fibre optique, quand à eux, ont montré la validité du concept suggéré dans ce travail même si la résolution énergétique se perd dans une telle configuration. Tous ces résultats expérimentaux montrent la possibilité de fabriquer un petit détecteur de neutrons à base du scintillateur liquide LAB qui est fonctionnel dans un fort champ de rayons gamma.

Abstract

A Boron-Loaded linear alkyl benzene (LAB) liquid scintillator (LS) neutron detector has been designed to detect neutrons in a high gamma field environment. The detector is made robust by piping the light from a remotely located LS module to the photomultiplier using an optical fibre. Here we describe a GEANT4 based simulation model to optimize the design of the LS detector. This model includes the physics of neutron interaction with Boron-10, light scintillation by the LAB and light transport in the optical fiber. All the detector components including the scintillator and the light guide are simulated. The results show that for unidirectional beam of thermal neutrons, a small detector with 70 % neutron detection efficiency can be achieved by loading the LAB with 4.5% Boron-10 and by using a 2 meter optical fibre. The simulated output results are compared to actual measurement. The experimental work validates the GEANT4 calculations and confirms the principle of the use of LAB as a solvent of a liquid scintillator to detect nuclear radiation. In the measurements with a neutron beam, we have observed, for the first time, a peak around 60 keV due to neutrons. We also found that the scintillator-based LAB has a figure of merit of 1.14 for the discrimination between alpha and beta particles. Measurements with an optical fiber showed the validity of the concept suggested in this work even if the energy resolution is lost in such configuration. All these results show the possibility of manufacturing with the liquid scintillator-based LAB, a small neutron detector functional in a strong field of gamma rays.