Optical filtering based neutron/gamma discrimination in a Phoswich detector

The task of detecting thermal neutrons widely exploits 3He to implement proportional counters capable of an effective rejection of the gamma contamination of the field. Over the last few decades, the diminishing in 3He availability has led to the research of new neutron counters based on different materials. For this purpose, modern scintillators sensitive to neutrons were developed, among which the LiCaAlF6 (LiCAF) offers the possibility of achieving high detection efficiency with low sensitivity to photons. Phoswich configurations of this crystal coupled with another scintillator sensitive to gamma have also been exploited to perform active rejection of photon induced events via Pulse Shape Discrimination. The aim of this work is to test a system able to perform a quasi-digital n/gamma discrimination without requiring active techniques of pulse analysis. The detectors implemented consisted of a phoswich configuration of a LiCAF(Eu) crystal sensitive to neutrons and one or two LuAG(Ce) sensitive to gamma. Optical filtering allows obtaining two separate acquisition channels, which selectively collect the light emitted by only one of the two crystals. Working in anticoincidence mode between these two channels it is possible to discard the photon induced events. The results obtained show that the technique proposed is actually capable of discarding gamma events, but the implemented setup downgrades the LiCAF response to such extent, that it is preferable to employ the LiCAF crystal alone as neutron counter, discarding the gamma events only on the basis of their amplitude, without setting the anticoincidence mode. Therefore, the system cannot be considered, at least in this configuration, a realistic replacement for 3He proportional counters. This happens because the glasses serving as filters contain impurities which capture neutrons lowering the system detection efficiency, and the imperfect optical coupling among elements worsens the system resolution hindering the discrimination. A Monte Carlo model was also implemented to replicate the system response and predict an optimal configuration for further developments.

La rivelazione di neutroni termici si basa principalmente sull'impiego di contatori proporzionali a 3He che sono in grado di rigettare efficacemente la contaminazione gamma del campo. Negli ultimi decenni, tuttavia, la ridotta disponibilità di 3He ha spinto alla ricerca di contatori per neutroni basati su materiali differenti. Per questo motivo sono stati sviluppati scintillatori innovativi sensibili ai neutroni, tra i quali il LiCaAlF6 (LiCAF) desta interesse per la possibilità di ottenere alte efficienze di rivelazione con moderate sensibilità ai gamma. Questo cristallo è stato anche impiegato in configurazione phoswich con altri scintillatori sensibili ai gamma per rigettare eventi da fotone attivamente attraverso la Pulse Shape Discrimination. Questo lavoro vuole testare un sistema in grado di effettuare una discriminazione n/gamma quasi-digitale, senza avvalersi di tecniche di analisi dell'impulso. I detector implementati consistono in una configurazione phoswich di un LiCAF(Eu) sensibile ai neutroni e uno o due LuAG(Ce) sensibili ai gamma. Il filtraggio ottico permette di ottenere due canali di acquisizione, che raccolgono selettivamente la luce emessa da uno dei cristalli. Il funzionamento in anticoincidenza permette di scartare gli eventi indotti da fotoni. I risultati ottenuti dimostrano l'efficacia della tecnica per la discriminazione, ma il setup implementato degrada il segnale prodotto dal LiCAF a tal punto, che risulta preferibile impiegare il solo LiCAF come contatore di neutroni e discriminare gli eventi da gamma soltanto in base alla loro ampiezza, piuttosto che sfruttare l'anticoincidenza. Pertanto, il sistema non può considerarsi, almeno in questa configurazione, un realistico sostituto del contatore proporzionale a 3He. Ciò dipende dalla presenza nei vetri usati come filtri ottici di veleni neutronici che penalizzano l'efficienza di rivelazione, e dall'accoppiamento ottico imperfetto tra i vari elementi che peggiora la risoluzione del sistema, ostacolando la discriminazione. Infine, è stato implementato un modello Monte Carlo che riproducesse la risposta del sistema nell'ottica di prevedere una configurazione ottimale per futuri sviluppi.