Determination of the Optimal Gadolinium Thickness for Thermal Neutron Detection in (Almost) Isotropic Thermal Neutron Fields
Thermal neutrons can be used to detect water on the Moon or Mars but also to detect fissile materials. 3He-filled proportional counter tubes are often used to detect thermal neutrons. However, it is becoming increasingly difficult to obtain this rare isotope. The aim of this work was to develop an alternative method for detecting thermal neutrons which is based on solid-state detectors on which thin layers of natural gadolinium (natGd) were deposited. The focus of this work lies on determining the optimal thickness of the gadolinium layer to detect thermal neutrons in a nearly isotropic neutron radiation field. To this end, we performed measurements with natGd using a moderated Ra-Be neutron source and compared them to Geant4 simulations of the measurement setup. Measurements and simulations showed excellent agreement that allowed us to use Geant4 simulations to determine the optimal thicknesses of natGd, 155Gd and 157Gd, and to understand and accurately model the influence of the strong background radiation in the Ra-Be source on the signals due to thermal neutrons. We also compared the detection efficiency of natGd at optimal thickness with that of Berthold’s neutron dose-rate meter LB 6411 which uses a cylindrical 3He proportional counter tube. We found that the detection efficiency of the LB 6411 can be achieved by solid-state detectors which are covered by 78 cm2 natGd at optimal thickness. The simulation-based approach to reduce the measurement background turned out to be too complex for practical purposes in the presence of an intense, high-energy background radiation field. This led us to propose a new method to determine this background based on 158 Gd, which has a very small cross section for capturing thermal neutrons. Preliminary studies of this method showed promising results.
Thermische Neutronen werden u.a. genutzt, um Wasservorkommen auf dem Mond oder Mars aufzuspüren, aber auch um spaltbares Material zu detektieren. Zur Messung thermischer Neutronen werden traditionell Zählrohre verwendet, die mit 3He gefüllt sind. Da dieses seltene Isotop allerdings immer schwieriger zu beschaffen ist, widmet sich diese Arbeit der Weiterentwicklung einer alternativen Methode für den (quantitativen) Nachweis thermischer Neutronen durch gadoliniumbeschichtete Halbleiterdetektoren. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Bestimmung der optimalen Gadolinium-Dicke für den Nachweis thermischer Neutronen in nahezu isotropen Feldern. Dazu wurden Messungen in einer moderierten Ra-Be-Neutronenquelle durchgeführt und mit Geant4-Simulationen für Gadolinium in seiner natürlichen isotopischen Zusammensetzung (natGd) verglichen. Messungen und Simulationen stimmten sehr gut überein. Mit den Geant4-Simulationen wurden die optimalen Dicken von natGd-, 155Gd- und 157Gd-Schichten ermittelt. Darüber hinaus wurde die Nachweiseffizienz von natGd bei optimaler Dicke mit der Neutronendosisleistungssonde LB 6411 von Berthold verglichen, die einen zylindrischen 3He-Proportionalzähler verwendet. Es wurde gefunden, dass die Nachweiseffizienz des LB 6411 durch eine Kombination von Halbleiterdetektoren mit einer Gesamtfläche von 78 cm2 natGd bei optimaler Dicke erreicht werden könnte. Der aufwändige simulationsgestützte Ansatz zur Hintergrundunterdrückung des intensiven, hochenergetischen Strahlungsfeldes erweist sich für die Anwendung in der Praxis als wenig praktikabel. Dieses führt zum Vorschlag einer auf 158Gd basierenden Unterdrückung des Hintergrundes, die sich als potenziell außerordentlich gut erwiesen hat.
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