Background: As neutron fields are always accompanied by gamma rays, it is essential to distinguish neutrons from gamma rays in the detection of neutrons. Neutrons and gamma rays can be separated by pulse shape discrimination (PSD) methods. Recently, we performed characterization of a stilbene scintillator detector and an EJ-301 liquid scintillator detector with a high-speed digitizer DT5730 and investigated optimized PSD variables for both detectors. This study is for providing a basis for developing fast neutron/gamma-ray dual-particle imager. Materials and Methods: We conducted PSD experiments using stilbene scintillator and EJ-301 liquid scintillator and evaluated neutron and gamma ray discriminability of each PSD method with a $^{137}Cs$ gamma source and a $^{252}Cf$ neutron source. We implemented digital signal processing techniques to apply two PSD methods - the charge comparison (CC) method and the constant time discrimination (CTD) method - to distinguish neutrons from gamma rays. We tried to find optimized PSD variables giving the best discriminability in a given experimental condition. Results and Discussion: For the stilbene scintillator detector, the charge comparison method and the constant time discrimination method both delivered the PSD FOM values of 1.7. For the EJ-301 liquid scintillator detector, both PSD methods delivered the PSD FOM values of 1.79. With the same PSD variables, PSD performance was excellent in $300{\pm}100keVee$, $500{\pm}100keVee$, and $700{\pm}100keVee$ energy regions. This result shows that we can achieve an effective discrimination of neutrons from gamma rays using these scintillator detector systems. Conclusion: We applied both PSD methods to a stilbene and a liquid scintillator and optimized the PSD performance represented by FOM values. We observed a good separation performance of both scintillators combined with a high-speed digitizer and digital PSD. These results will provide reference values for the dual-particle imager we are developing, which can image both fast neutrons and gamma rays simultaneously.
As the demand for the detection of special nuclear materials (SNMs) increases, the use of imaging instruments that can sensitively image both gamma-ray and neutron signatures has become necessary. This study compared the pulse shape discrimination (PSD) performance of gamma/neutron events when employing either a pixelated stilbene or a plastic (EJ-276) scintillator array coupled to a silicon photomultiplier (SiPM) array in a dual-particle imager. The stilbene array allowed a lower energy threshold above which neutron and gamma-ray events can be clearly distinguished. A greater number of events can, therefore, be used when forming both gamma-ray and neutron images, which shortens the time required to acquire the images by nearly seven times.
Kim, Chanho;Kim, Jaehyo;Hong, Wooseong;Yeom, Jung-Yeol;Kim, Geehyun
Nuclear Engineering and Technology
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제54권10호
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pp.3833-3840
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2022
A method for calibrating the energy scale and detection efficiency of stilbene scintillators is presented herein. This method can be used to quantitatively analyze the Compton continuum of gamma-ray spectra obtained using such scintillators. First, channel-energy calibration was conducted by fitting a semi-empirical equation for the Compton continuum to the acquired energy spectrum and a new method to evaluate the intrinsic detection efficiency, called intrinsic Compton efficiency, of stilbene scintillators was proposed. The validity of this method was verified by changing experimental conditions such as the number of sources being measured simultaneously and the detector-source distance. According to the energy calibration, the standard error for the estimated Compton edge position was ±1.56 keV. The comparison of the intrinsic Compton efficiencies calculated from the single- and two-source spectra showed that the mean absolute difference and the mean absolute percentage difference are 0.031 %p and 0.557%, respectively, demonstrating reasonable accuracy of this method. The feasibility of the method was confirmed for an energy range of 0.5-1.5 MeV, showing that stilbene scintillators can be used to quantitatively analyze gamma rays in mixed-radiation fields.
A dual-particle imager (DPI) is configured in a hand-held form factor, then one can efficiently and conveniently deploy the DPI to detect the presence of special nuclear materials (SNM) and identify any isotopic variations that differ from their natural abundances. Here we show that by maximizing the areal coupling between a pixelated scintillator array and the partitioned photosensor readout such as a silicon photomultiplier (SiPM), the information utilization of the gamma-ray and neutron information in the radiation field can be enhanced, thus enabling one to rapidly acquire spatial maps of the distributions on gamma-ray and neutron emitters.
We propose an overall procedure for measuring and unfolding fast neutron spectra using a trans-stilbene scintillation detector. Detector characterization was described, including the information on energy calibration, detector resolution, and nonproportionality response. The digital charge comparison method was used for the investigation of neutron-gamma Pulse Shape Discrimination (PSD). A pair of values of 600 ns pulse width and 24 ns delay time was found as the optimized conditions for PSD. A fitting technique was introduced to increase the trans-stilbene Proton Response Function (PRF) by 28% based on comparison of the simulated and experimental electron-equivalent distributions by the Cf-252 source. The detector response matrix was constructed by Monte-Carlo simulation and the spectrum unfolding was implemented using the iterative Bayesian method. The unfolding of simulated and measured spectra of Cf-252 and AmBe neutron sources indicates reliable, stable and no-bias results. The unfolding technique was also validated by the measured cosmic-ray induced neutron flux. Our approach is promising for fast neutron detection and spectroscopy.
In this study, we developed a neutron time-of-flight (nTOF) measurement system for a 1.7-MV tandem proton accelerator with a target covered with 300-nm-thick lithium (Li) layer. With implementation of beam chopping module after its ion source, the accelerator is configured to operate in pulsed-beam mode with a pulse width <50 ns at 20-kHz repetition rate. This enables the gamma flash-type nTOF measurement system to identify the neutron generated with 3-MeV proton beam energy. The nTOF system consists of a 30" cylindrical NaI(Tl) and four stilbene scintillation detectors. The NaI(Tl) scintillator is placed 50 cm from the Li target to measure the time of beam irradiation on the target, and the stilbene detectors are placed 2 and 2.4 m away to measure nTOF at each location. The nTOF system successfully measured the generated neutron energy at irradiated proton energies of 2.6 and 3.0 MeV with an average energy resolution of 15%.
The present work was aimed to show the possibility of using hydrogel (acrylic/boric acid) for evaluation of the neutron radiation shielding. The influence of acrylic acid concentration, different gamma doses and relative contents of boric acid were studied. The physical properties and the thermomechanical stability of the studied samples were investigated. The shielding property of the composite for neutron was tested by Pu-Be neutron source (5 Ci) under room temperature. The neutron fluence rates and gamma fluxes were measured using a stilbene organic scintillator. The macroscopic effective removal cross-section ΣR (cm-1) of fast neutrons and total attenuation coefficient μ (cm-1) of gamma rays has been studied experimentally. The transmission parameters, the relaxation length (??) and the half-value layer (HVL) were obtained. The obtained results indicated that the addition of boric acid to acrylic acid tends to increase the macroscopic effective removal cross-section ΣR (cm-1) to 0.141 compared to 0.094 of ordinary concrete.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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