³He, ⁴He 기체검출기의 고속중성자 검출특성 연구

Abstract

고속중성자 측정기술 개발을 위한 목적으로 열중성자 선원과 에너지 스펙트럼을 가지는 고속중성자 선원, 그리고 가속기를 이용하여 발생된 단색 고속중성자를 이용하여 ³He, ⁴He 기체검출기의 동작특성을 평가하였다. 또한 중성자 검출기의 중요한 요소 중 하나인 감마선 감도를 평가였다. 본 연구에서 감마선의 감도를 최소한으로 줄이기 위해서는 작은 shaping time을 가지는 신호처리장치를 사용하는 것이 좋으며 감마선 입사방향은 anode가 수평이 될 때 수직일 때 보다 0.6배 정도의 감도가 감소함을 확인하였다. 열중성자 선원에 대한 두 검출기의 응답은 반응단면적의 차이로 큰 차이가 남을 검증하였으며 ³He 검출기의 적정동작전압을 결정하였다. 또한 Amp의 shaping time이 스펙트럼에 영향을 주기 때문에 최적의 스펙트럼을 획득하려면 적절한 shaping time을 사용해야 함을 확인하였다. 평균에너지가 ~2 MeV인 ^(252)Cf 선원에 대한 ³He 검출기에 대한 반응성을 실험적으로 측정하기 위하여 중성자의 입사방향과 감속재의 유무에 따른 변화를 분석하였다. ³He 검출기에서 중성자의 입사방향은 큰 영향을 미치지 못했으며, 감속재의 유무에 따른 변화는 감속재가 장착되면 총 계수율이 약 10배정도 증가함을 정량적으로 확인하였다. ^(252)Cf 선원에 대한 ⁴He 검출기의 반응성은 입사방향에 따라 큰 차이를 보였는데 anode에 수직으로 입사할 경우가 약 3배정도 총계수율이 증가함을 확인하였다. 중성자 스펙트럼을 분석하여 입사중성자의 에너지 분포를 확인하려면 unfolding 분석과정이 필요하므로, 탄뎀 가속기를 이용하여 발생된 단색중성자에 대한 스펙트럼의 변화 및 에너지 선형성, 에너지 분해능, 검출효율 등의 검출기 반응성을 평가하였다. 두 검출기 모두 중성자 에너지에 대한 선형적인 스펙트럼을 보여주었으나 ³He 검출기의 경우 ⁴He 검출기에 비해 중성자 흡수반응에 의한 피크가 추가되어 복잡한 스펙트럼을 보여주었다. 검출효율은 MCNPX 프로그램을 이용하여 계산적으로 분석하였으며 그 결과는 ³He 와 ⁴He 원자의 반응단면적과 거의 유사하게 나타났다. 이 결과로 ⁴He 검출기가 중성자 에너지 평가 시 더 유용함을 검증하였다. 또한 단일 GEM 검출기에 ⁴He 기체를 충전하여 자체 제작하였으며 실험결과로부터 이 검출기를 고속중성자용 대면적 고 분해능 검출기로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다. ⁴He(80%)소멸가스인 CO₂(20%)를 혼합하여 GEM 검출기에 충전하고 ^(252)Cf 선원을 조사하였을 때 수집되는 전류의 량이 동일조건에서 Ar(70%)과 CO₂(30%)의 혼합가스를 채우고 저에너지 X-선을 조사하여 나온 전류보다 상대적으로 작긴 하지만 중성자의 유무를 판단할 수 있는 결과를 보여주었다. 이것은 ⁴He 기체와 GEM 검출기를 이용하여 중성자 측정을 할 수 있다는 것을 보여주는 결과로 고속중성자용 대면적 고 분해능 검출기의 개발을 위한 기초참고자료로 활용할 수 있을 것으로 예상된다.; Characteristics of ³He and ⁴He gas detector were studied and compared for fast neutron detection with thermal, fast and mono-energy neutron generated through Tandem Van de Graff accelerator. And a gamma-ray sensitivity as essential factor of neutron detectors was measured. The gamma-ray contribution can be minimized by using signal processing module with small shaping time and was confirmed that gamma-ray sensitivity was decreased as 0.6 times when gamma ray was irradiated with perpendicular directions to anode wire. It was verified that the responses for thermal neutron was all the difference between ³He and ⁴He gas detector because of these cross section for thermal neutron and the proper operation voltage of ³He gas detector was determined. And to obtain optimum spectrum of neutron, proper shaping time should be used. The changes of spectrum for neutron irradiation direction and a built-in moderator was analyzed so that i measured experimentally the response of ³He detector for ^(252)Cf with ~2 MeV as average energy. The response of ³He detector for ^(252)Cf neutron source was same regardless of neutron irradiation direction and was increased as 10 times in case detector was is fitted with moderator. It was conformed that the response of ⁴He detector for ^(252)Cf neutron source was increased as 3 times when neutron source irradiated perpendicularly anode of detector. The detector responses for mono-energetic neutron generated through Tandem accelerator such as changes of spectrum, linearity in neutron energy, energy resolution and detection efficiency etc were evaluated because to verify energy distribution of incident neutron by analyzing neutron spectrum, unfolding analysis process was needed. The energy spectrums of mono-energetic neutron for both ³He and ⁴He detector showed linear changes but in case of ³He detector had more complex spectrums of mono-energetic neutron than those of ⁴He detector. The detection efficiencies were analyzed by using MCNPX program and these results were similar to reaction cross section of ³He and ⁴He. It was verified that ⁴He detector was more available than ³He detector because of result from these experiments. Also gas detector equipped with single GEM and filled with ⁴He gas was fabricated and it was conformed that this gas detector was possible to use large area and high resolution gas detector for fast neutron. The current collected by using GEM detector filled with ⁴He(80%) and CO₂(20%) mixing gas when ^(252)Cf neutron source was irradiated was smaller relatively than current collected by using GEM detector filled with Ar(70%) and CO₂(30%) mixing gas when ^(55)Fe low energy X-ray source was irradiated but these small current could judge existence of neutron. This results showed that GEM detector filled with ⁴He gas can detect fast neutron and were expected to utilize base reference data for development of large area and high resolution gas detector for fast neutron.