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Simulation der Neutronenantwortfunktion von Diamantdetektoren

16.12.2016

In Diamantdetektoren werden Neutronen über ihre Wechselwirkung mit den Atomkernen von Kohlenstoff nachgewiesen. Abhängig von der Energie der einfallenden Neutronenstrahlung En  können durch schnelle Neutronen eine Reihe von Kernreaktionen verursacht werden. Dies kann z. B. die elastische Streuung an Kohlenstoffkernen sein, aber auch Kernreaktionen, die die Emission von Protonen oder Deuteronen bewirken, z. B. die Reaktionen 12C(n,p)12B und 12C(n,d)11B. Abhängig von der Dicke des Diamantkristalls deponieren die geladenen Reaktionsprodukte entweder einen Teil oder ihre ganze kinetische Energie aus der Reaktion im Kristalls. Im Allgemeinen werden schmale Peaks in den gemessenen Pulshöhenverteilungen in solchen Fällen beobachtet, in denen bei der Reaktion nur geladene Endprodukte im Ausgangskanal entstehen. Die Reaktionen, bei denen im Ausgangskanal wiederum Neutronen einen Teil der Reaktionsenergie übertragen bekommen führen zu breiten Verteilungen mit charakteristischen Kanten. Ein Beispiel für zwei Pulshöhenverteilungen, die in monoenergetischen Neutronenreferenzfeldern aufgenommen wurden, ist in Abbildung 1 gezeigt.

Da eine vollständige experimentelle Bestimmung der Antwortfunktionen für den ganzen relevanten Energiebereich nicht möglich ist, sind detaillierte Simulationsrechnungen der Neutronenantwort von Diamant nötig. Verfügbare Neutronentransportprogramme wie MCNP sind für diese Aufgabe nicht geeignet, da sie Teilchen mit einer Masse größer als die von α-Teilchen nicht „transportieren“ können. Durch diese Einschränkung sind solche Programme für die Simulation der Antwortfunktion von Diamantdetektoren, bei denen z. B. für Neutronenenergien En > 7,2 MeV in der Reaktion 12C(n,α)9Be geladene 9Be Ionen entstehen, nicht geeignet.

Mit einer modifizierten Version des Monte Carlo Teilchentransportprogramms NRESP wurden die Antwortfunktionen für Diamantdetektoren im Energiebereich von 7 MeV < En < 16 MeV berechnet. Das Programm NRESP, das ursprünglich an der PTB für die Berechnung der Antwortfunktion von Szintillationsdetektoren entwickelt wurde, ist für diesen Zweck entsprechend angepasst und weiterentwickelt worden.

Die berechneten Antwortfunktionen wurden mit 9 Messungen von quasi-monoenergetischen Neutronen verglichen, die an der PTB Ionenbeschleunigeranlage durchgeführt wurden. Die Erzeugung der Neutronenfelder erfolgte mit einem Deuteronenstrahl aus dem Zyklotron der PTB und einem Deuterium-Gastarget. Quasi-monoenergetische Neutronen wurden mit der Flugzeitmethode aus den in der Reaktion D(d,n)3He erzeugten Neutronen ausgewählt. Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der berechneten und der gemessenen Pulshöhenverteilungen für eine Neutronenenergie von En = 16,0 MeV.

Der Vergleich zeigt, dass die Reaktionen mit zwei geladenen Reaktionsprodukten, wie 12C(n,α)9Be, 12C(n,p)12B und 12C(n,d)11B gut durch die Rechnungen beschrieben werden. Signifikante Abweichungen zeigen sich bei den Berechnungen der breiten Verteilungen, die die gemessenen Spektren nicht gut beschreiben. Mit der in NRESP implementieren genauen Modellierung der einzelnen die Neutronen erzeugenden Reaktionen wird allerdings eine wesentlich bessere Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Pulshöhenverteilungen erreicht als in bisher hierzu veröffentlichten Arbeiten. Allerdings werden bessere differentielle Wirkungsquerschnittsdaten für die Reaktion mit drei α Teilchen im Ausgangskanal benötigt. Für ein besseres Verständnis der experimentellen Pulshöhenverteilungen ist zusätzlich eine realistischere Simulation notwendig, die auch die Ladungssammlungseigenschaften im Diamantdetektor berücksichtigt.

Abb. 1: Zwei experimentell bestimmte Pulshöhenverteilungen, gemessen in monoenergetischen Neutronenreferenzfeldern mit einer Energie von En = 13,7 MeV und 16,0 MeV. Die einzelnen neutroneninduzierten Reaktionen sind entsprechend den Strukturen, die sie in der Pulshöhenverteilung verursachen, beschriftet. Im unteren Bild sind die Verschiebung bei zunehmender Neutronenenergie und das Auftreten weiterer Peakstrukturen deutlich erkennbar. Diese Peaks werden durch die beiden Reaktionen 12C(n,p)12B und 12C(n,d)11B  verursacht, die ab einer Neutronenenergie von En = 15,1 MeV bzw. En = 15,8 MeV auftreten können.

Abb. 2: Vergleich der mit NRESP berechneten Pulshöhenverteilung (schwarze Linie) mit einer bei einer Neutronenenergie von En = 16,0 MeV experimentell bestimmten Pulshöhenverteilung (graue Linie). Die farbigen Linien bezeichnen die Beiträge der verschiedenen Reaktionen zur gesamten Pulshöhenverteilung, sortiert nach der ersten Wechselwirkung des einfallenden Neutrons.