Digital processing of output from radiation detectors of mixed field of neutrons and gamma

Mgr. Martin Veškrna

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Neutronové záření se v dnešní době používá v řadě aplikací jako jaderné reaktory, výroba radiofarmak, detekce nebezpečných látek při bezpečnostních kontrolách, experimentální fúzní reaktory a další. Dále se začíná využívat protonová terapie při léčbě rakoviny. Při léčbě protony interagující s tkání emitují neutrony, které mohou způsobit další poškození tkáně. Všechny tyto aplikace vyžadují kvalitní informace o neutronovém toku během jejich vývoje, případně i provozu. Informace o neutronovém toku pomáhají při výběru vhodných konstrukčních materiálů ať již u současných reaktorů nebo nově vyvíjených. Spektrometry používající Bonerovy sféry jsou schopny měřit vysoké energie používané například v protonové terapii, ale jejich energetické rozlišení je horší než v případě scintilačních detektorů. V současné době používané spektrometry se scintilačními detektory (například stilben nebo NE-213) jsou schopny měřit energie vyskytující se v experimentálních reaktorech. Energie používané pro protonovou terapii jsou přibližně desetkrát vyšší. Jedno z omezení scintilačních detektorů jsou nedostatečně popsané reakce vysokoenergetických neutronů uvnitř detektoru. Produktem těchto nedostatečně popsaných reakcí jsou například alfa částice. Tvar impulzu na výstupu detektoru způsobených těmito částicemi je rozdílný a současně používané metody pro tvarovou diskriminaci jsou částečně schopny odlišit tyto částice, ale jen v oblasti vysokého světelného výtěžku. Pokud se podaří produkty špatně popsaných reakcí odlišit pomocí tvarové diskriminace, nebudou muset být tyto reakce zahrnuty ve funkci odezvy detektoru a výpočet této funkce bude jednodušší. Mým cílem je za prvé sestavit spektrometrický systém pro směsná pole neutronů a gama záření a za druhé nalézt metody pro diskriminaci částic, které vznikají ve scintilačním detektoru jako produkty reakcí vysokoenergetických neutronů.

Abstract:

Neutron radiation is nowadays used in many applications like nuclear reactors, pharmaceutical production, detection of hazardous substances during security checks, experimental fusion reactors etc. Proton therapy starts to apply for cancer treatment. Proton interaction with tissue emits neutrons and it may cause secondary tissue damage. All these applications require quality information about neutron flux during their development and application. Knowledge of neutron flux for example helps to choose better construction materials. Spectrometers using Bonner spheres are able to measure in high energy range used for example in proton therapy, but their energetic resolution is worse than in case of scintillation detectors. Nowadays spectrometers with scintillation detectors such as Stilbene or NE-213 work in energetic range that occurs in research reactors but not higher. The energy used in proton therapy is about ten times greater. One of the limitations of scintillation detectors is inadequately described reactions of high energy neutrons with the mass of the detector. The products of these reactions are for example alpha particles. The pulse shape of the signal acquired at the output of the detector caused by these particles is different. Currently used methods for discrimination the response of photon and neutron are partially able to discriminate the response of these particles but only in area of high light yield of detector. If it manages to discriminate the products of these problematic reactions, these reactions cannot be included in response function of the detector and computing of this function will be simplified. Aims of this thesis is firstly to develop the digital spectrometer for mixed field of neutron and gamma ray, and second, to find methods to discriminate the response of particles which are the product of interactions of high energy neutrons with the mass of the detector.

Keywords

PSD, neutron, gamma, digitizer, pulse shape discrimination, spectrometer, stilbenne, NE-213

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 9. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 12. 1. 2016
• Reader: prof. Ing. Tomáš Čechák, CSc., prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Informatics / Embedded Systems