Characterization and integration of a ZnS(Ag)/B-10 scintillator into a REM counter: experimental analysis and geometric optimization

Neutron dosimetry for low-intensity radiation fields, such as environmental fields or those present in particle accelerator facilities outside shielding, requires the use of detectors with high sensitivity to obtain accurate measurements within reasonable times. Traditional Helium-3 counters, successfully used in recent decades, are facing growing limitations due to the price increase of this gas in recent years, and research is focusing on investigating alternative technologies. This work involves the analysis of an innovative detection system based on the prototype of an inorganic neutron scintillator made of ZnS (zinc sulphide), on which a thin layer of Boron-10 is spread to improve the efficiency of the device itself. ZnS is then linked to an acrylic light guide, which helps collecting the photons produced by the scintillator. The scintillator is coupled to a high-performance multichannel analyzer, MCA-2000 produced by Bridgeport Instruments, thanks to which it is possible to collect and analyze the generated signals. The project consists of two main phases: measurement processes with the device in several conditions, such as neutron, x-ray, and gamma fields, to understand how the instrument responds; and optimization analysis of the geometry of a REM-counter based on the described detector through Monte Carlo simulations with the program MCNPX (Monte Carlo N-particles eXtended). The focus of the first part of the experience was to test the capabilities of the MCA-2000’s integrated electronics to acquire single-pulse waveforms; to implement Pulse Shape Discrimination (PSD) algorithms to distinguish neutron signals from gamma background and handle the wide dynamic range of pulsed fields; to operate at high counting rates. Concerning the second half, the goal was to achieve a trade-off between the overall mass of detection system and the sensitivity of the instrument. The results indicate that the combination of scintillator and MCA-2000 constitutes a promising platform for active neutron detection in weak fields. The developed method ology, which combines laboratory measurements with advanced simulations, provides a clear pathway for the development of a compact neutron detector with wide dynamic range and insensitivity to photon fields, suitable for real-time applications in radiation protection and environmental measurements.

La dosimetria neutronica per campi di radiazioni poco intensi, come ad esempio quello ambientale o quelli presenti in strutture basate su acceleratori di particelle al di fuori delle schermature, richiede, al fine di ottenere misure accurate in tempi ragionevoli, l’impiego di rilevazione con elevata sensitività. I tradizionali contatori a Elio-3, impiegati con successo negli scorsi decenni, trovano limitazioni sempre maggiori a causa dell’incremento, negli ultimi anni, di prezzo di questo gas, portando di conseguenza la ricerca a concentrarsi sullo sviluppo di tecnologie alter- native. Questo lavoro di tesi prevede l’analisi di un sistema di rilevazione innovativo basato sul prototipo di uno scintillatore inorganico per neutroni costituito da ZnS (solfuro di zinco), sul quale è distribuito un sottile strato di Boro-10 che serve a migliorare l’efficienza del dispositivo. Lo ZnS è accoppiato a una guida di luce in acrilico, che favorisce la raccolta delle parti- celle cariche prodotte sullo scintillatore, connesso ad un analizzatore multicanale ad alte prestazioni, l’MCA-2000 prodotto da Bridgeport Instruments, grazie al quale è possibile studiare i dati di rilevazione. Il progetto si articola in due fasi principali: Misure dirette con lo strumento in diverse condizioni, come in campo di raggi X e campo gamma, per comprendere la risposta del dispositivo; Analisi di ottimizzazione geometrica del sistema di rilevazione attraverso simulazioni basate sul metodo Monte Carlo con il programma MCNPX (Monte Carlo N-Particle eXtended). L’obiettivo della prima parte dell’esperienza è stato testare le capacità dell’elettronica integrata dell’MCA-2000 di: acquisire forme d’onda di singoli impulsi; implementare algoritmi di Discriminazione della Forma d’Impulso (PSD) per distinguere i segnali neutronici dal fondo gamma e gestire l’ampia gamma dinamica dei campi pulsati; operare ad alte frequenze di conteggio. Per quanto riguarda la seconda parte, l’obiettivo è stato raggiungere un compromesso tra la massa complessiva del sistema di rilevazione e la sensitività dello strumento. Dai risultati emerge che l’accoppiata tra scintillatore ZnS con boro e MCA-2000 costituisce un nuovo orizzonte nella rilevazione attiva di neutroni in campi deboli. La metodologia sviluppata, che combina misure di laboratorio con simulazioni avanzate, fornisce un per- corso chiaro per lo sviluppo di un rilevatore compatto di neutroni, con ampia gamma dinamica e insensibile ai campi fotonici, adatto ad applicazioni in tempo reale nella radioprotezione e nelle misure ambientali.