Characterisation of the B-RAD radiation survey meter and development of new probes
Caractérisation du radioamètre B-RAD et développement de nouvelles sondes
Résumé
The B-RAD is a commercial device for dose rate monitoring andγ-ray spectrometry in high intensity magnetic fields. It consists of an active probe and a central unit: the probe is equipped with a LaBr3 crystal coupled with a Silicon Photomultiplier (SiPM) array, the central unit houses the main electronic circuit and the battery. Its response is only slightly affected by the magnetic field when the central unit is inside the field (variation<10%). It is linear between 1μSv/h and 2 mSv/h and it has a good energy resolution (<5% at 662 keV) and a wide operational energy range (30 keV–1.5 MeV). A stilbene and an EJ-276 plastic scintillator were selected for dose rate measurements of fast neutrons. The stilbene shows a higher Figure of Merit (FOM) for the Pulse Shape Discrimination (PSD) (1.5 vs 0.9) and a higher detection efficiency (12% vs 9%). Both detectors show a good linearity of the count rate up to 1 mSv/h with a137Cs source and 1.5 mSv/h with an Am-Be source. In the -10°C to 40°C temperature range, both detectors show a variation of the neutron count rate of 10%. Other two probes were investigated based on Cs2LiYCl6:Ce3+(CLYC). The first employs CLYC-6(enriched in6Li) for thermal neutron detection. CLYC-6 shows an excellent n/γdiscrimination capability (FOM>2) and a high neutron detection efficiency per unit volume. The second probe employs a CLYC-7(enriched in7Li) suitable for fast neutron spectrometry. A proton/α-particle discrimination method is here proposed and tested, which improves the CLYC spectrometry capability up to around 6 MeV. A new passive n/γdiscrimination method for CLYC was studied, based on the selection of the Core-to-Valence (CVL) scintillation light by optical filtering. According to the literature, CVL is only excited by γ-rays and emits in a different wavelength range than the other scintillation mechanisms. We verified that the intensity of the CVL under X andγ-ray irradiation is constant in the 17–662 keV range and the CVL is effectively quenched by neutrons. However, a residual signal of the CVL was detected also under neutron irradiation. A new thermal neutron source for the CERN Calibration Laboratory was designed, built and characterised. The source consists of a polyethylene cylindrical moderator and a polyethylene reflector. The optimum dimensions of the source were provided by Monte Carlo simulations. The new source provides a thermal neutron fluence of around 6000 cm−2s−1.
Le B-RAD est un détecteur commercial pour la mesure du débit de dose et la spectrométrie des rayons γ, capable de fonctionner dans les champs magnétiques intenses. Il est constitué d’une sonde et d’une unité centrale : la sonde est équipée d’un cristal de LaBr3 couplée à une matrice de photomultiplicateurs au silicium (SiPM), l’unité centrale abrite le circuit électronique principal et la batterie. Sa réponse est faiblement affectée par le champ magnétique lorsque l’unité centrale est à l’intérieur du champ (variation <10%). Sa réponse est linéaire entre 1 µSv/h et 2 mSv/h. Le B-RAD possède une bonne résolution en énergie (< 5% à 662 keV) et une large gamme d’énergie (30 keV–1.5 MeV). Deux scintillateurs, stilbène et EJ-276, ont été sélectionnés pour développer une sonde destinée aux mesures de débit de dose des neutrons rapides. Le stilbène a une figure de mérite (FOM) plus élevée pour la discrimination des neutrons/rayons γ (n/γ) via la Pulse Shape Discrimination (PSD) (1.5 contre 0.9) et une meilleure efficacité de détection (12% contre 9%). Les deux détecteurs montrent une bonne linéarité du taux de comptage jusqu’à 1 mSv/h avec une source de 137Cs et 1.5 mSv/h avec une source Am-Be. Entre -10°C et 40°C, les deux détecteurs montrent une variation du taux de comptage des neutrons de 10%. Une sonde basée sur le stilbène est actuellement en développement.Deux autres sondes ont été étudiées sur la base de scintillateurs Cs2LiYCl6 :Ce3+ (CLYC). La première utilise un CLYC-6 (enrichi en 6Li) pour la détection des neutrons thermiques. Le CLYC-6 présente une excellente capacité de discrimination n/γ (FOM > 2) et une grande efficacité de détection des neutrons par unité de volume. La deuxième sonde utilise un CLYC-7 (enrichi en 7Li) adapté à la spectrométrie des neutrons rapides. Une discrimination proton/particule α a été proposée et testée, ce qui améliore la capacité de spectrométrie du CLYC jusqu’à 6 MeV. Une nouvelle méthode de discrimination passive n/γ pour le CLYC a été développée, basée sur la sélection de la lumière de scintillation Core-to-Valence (CVL) par filtrage optique. D’après la littérature, la CVL est excitée seulement par les rayons γ et apparaît dans une gamme de longueurs d’onde différente de celle des autres mécanismes de scintillation. Nous avons montré que l’intensité de la CVL sous irradiation aux rayons X et γ est constante dans la gamme 17–662 keV et que la CVL est efficacement réduite par les neutrons. Cependant, un résidu de la CVL a été détectée également sous irradiation neutronique.Une nouvelle source de neutrons thermiques pour le laboratoire d’étalonnage du CERN a été conçue, construite et caractérisée. La source se compose d’un modérateur cylindrique et d’un réflecteur en polyéthylène. Les dimensions optimales de la source ont été déterminées par des simulations Monte Carlo. La nouvelle source fournit une fluence de neutrons thermiques de 6000 cm−2s−1.
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