SpectroGEM: a novel neutron spectrometer

Abstract

In this dissertation a novel gaseous detector for neutron spectrometry is presented. The device, called SpectroGEM, was designed, constructed and tested in order to measure neutron spectra in the energy range from thermal to 100 MeV. Having planar geometry, the main advantages are a response over a wide energy range, reasonable counting efficiency, short irradiation time and low weight. The read-out of the spectrometer is performed with a triple GEM detector, whose efficiency for neutron detection is demonstrated via experimental activities and simulations using several methods. The SpectroGEM consists of a neutron conversion board divided in regions, each one being dedicated to a specific energy range, and the neutron spectrum is acquired by unfolding the counts from each region. Its design in terms of geometry and material was performed via Monte Carlo simulations with the FLUKA code. Operational tests and spectra measurements are discussed following the construction of the spectrometer and possible applications based on the directional design of the spectrometer are introduced.

Σκοπός της διατριβής είναι η παρουσίαση ενός νέου ανιχνευτή αερίου γεμίσματος για φασματοσκοπία νετρονίων. Η επονομασμένη ως SpectroGEM συσκευή σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε, και χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση φασμάτων νετρονίων από θερμικές ενέργειες έως 100 MeV. Τα κύρια πλεονεκτήματά του είναι η απόκριση σε ευρύ ενεργειακό φάσμα, ικανοποιητική ανιχνευτική ικανότητα, βραχύ χρονικό διάστημα μέτρησης και χαμηλό βάρος. Η ανάγνωση του φασματόμετρου πραγματοποιείται με έναν τριπλό GEM ανιχνευτή, του οποίου η ανιχνευτική ικανότητα νετρονίων αποδεικνύεται μέσω πειραματικών διαδικασιών και προσομοιώσεων. Το SpectroGEM έχει επίπεδη γεωμετρία και στην ενεργό περιοχή του διακρίνονται περιοχές, καθεμία από τις οποίες αποκρίνεται σε συγκεκριμένο εύρος ενέργειας νετρονίων. Για τη μέτρηση του φάσματος νετρονίων χρησιμοποιείται αλγορυθμικός κώδικος αναδίπλωσης των δεδομένων που προκύπτουν από κάθε περιοχή. Ο σχεδιασμός του φασματόμετρου πραγματοποιήθηκε μέσω του κώδικα FLUKA, ο οποίος βασίζεται σε μέθοδο τυχαίων αριθμών, και η απόκριση του φασματόμετρου ελέγθηκε σε διάφορους τύπους φασμάτων νετρονίων. Βαση της γεωμετρίας του, εφαρμογές του φασματόμετρου προτείνονται στον τομέα προστασίας από τη ραδιενέργεια.