Development of a segmented detector for reactor antineutrinos

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2020
Yazarlar
Kandemir, Mustafa
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Özet
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Nuclear reactors have played a central role in the development of antineutrino physics as an artificial antineutrino source. Although the interaction probability of antineutrinos with matter is extremely low, the high antineutrino flux emitted from a reactor allows the detection of this particle near a reactor. Since the first observation of neutrinos in 1956, many fundamental particle physics experiments have been conducted to comprehend the nature of antineutrino. The experience gained from these studies let the use of this particle for a practical purpose. The power and fissile content of a nuclear power plant could be monitored from outside the containment building using antineutrinos. The main motivation of this thesis is to design and develop an antineutrino detector for reactor monitoring applications. Monte Carlo-based Geant4 simulation toolkit has been used for this purpose. This thesis focuses on the use of plastic-based scintillation detectors to detect reactor antineutrinos on the ground level for near-field nuclear safeguard applications. Modular design concept of the plastic-based detectors ensures background suppression at surface level. Improved safety and deployment characteristics of the plastic scintillators make this type of detector as an attractive tool for International Atomic Energy Agency for independent verification of the power history and fissile inventory of a reactor core. Two prominent experiments specifically designed for this purpose, Panda (Plastic antineutrino detector array) and Cormorad (Core monitoring by reactor antineutrino detector), have been examined in this thesis and taken as the basis for developing new design concepts. The following outlines the content of each chapter of this dissertation. In Chapter $\ref{CH2}$, the simulation of optical photon transportation, transmission, and detection has been carried out with plastic antineutrino detector modules, each consisting of a plastic scintillator bar connected to photomultipliers from both ends via light guides. A number of parameters affecting the light collection efficiency (LCE) and hence the energy resolution of the detector have been investigated. These are the choice of reflector type and its applying method onto scintillator surfaces, the reflectivity coefficient of the reflector, the degree of scintillator surface roughness, and the geometry of the light guide. The results demonstrate that light guide shape, reflectivity of reflecting material, and wrapping method show a prominent effect on the LCE, whereas scintillator surface polishing level and the choice of reflector type exhibit relatively less impact. In Chapter $\ref{CH3}$, we have presented a new design concept of the existing antineutrino detectors based on hexagonal plastic bars. The proposed detector is formed by combining identical hexagonal modules into a honeycomb fashion, and it is named HSP, an acronym for Hexagonal Shaped Packing. Detector simulation has been carried out to estimate the detection and light collection efficiency of each detector type. The results demonstrate that the LCE of the Cormorad is less than the efficiencies of Panda and HSP, while the highest detection efficiency is obtained with Cormorad design. In terms of light collection, the best performance has been obtained with the HSP since it achieves the same LCE by using 9$\%$ fewer PMTs compared to Panda. In addition, the neutron capture time, which is the most important parameter for background reduction, is reduced by 8$\%$ with respect to Panda. All these improvements arise from the honeycomb structure of the detector. Choosing hexagonal bars minimizes the surface area of the bars and thus reduces the number of PMTs required to readout a given detector volume. Finally, the impact of key design parameters on the performance of the detectors has been examined, and a summary table has been given comparatively. In Chapter $\ref{CH4}$, an antineutrino signal analysis has been developed for the proposed detector in Chapter $\ref{CH3}$. The most significant challenge for above-ground detection is to eliminate backgrounds from the true antineutrino interactions. Most of the backgrounds can be reduced by the delayed coincidence method. Owing to the segmented structure of the detector, each passing track leaves a unique energy deposition pattern in the detector. Analysis of the patterns leads to further background reduction. Inverse beta decay characteristic of the proposed detector has been investigated, and a list of selection criteria has been established to precisely identify antineutrino interactions. Detection efficiency of 10$\%$ has been found with the applied selection cuts. In addition, it has been shown that fast neutrons, which constitute the most dangerous background source for above-ground detection, can be eliminated effectively with the considered selection conditions.
Nükleer reaktörler antinötrino fiziğinin gelişmesinde antinötrino kaynağı olarak ana rol oynar. Antinötrinoların madde ile etkileşme olasılığı düşük olmasına rağmen, bir reaktörden yayınlanan yüksek antinötrino akısı bu gizemli parçacıkları algılama olanağı sağlar. Bu yüzden antinötrinonun ilk deneysel gözlemi bir reaktör yakınında gerçekleşmiştir. Bu keşiften sonra bu parçacıkların doğasını anlamaya yönelik birçok temel fizik deneyi yürütülmüştür. Bu çalışmalardan elde edilen bilgi daha sonra, bu parçacıkları pratik bir amaç için kullanma fikrini ortaya çıkartmıştır. Bir reaktörün çekirdeğindeki bilgi, reaktör koruma binasının dışına sadece antinötrinolar ile taşınır. Bir reaktör yakınında kurulan bir dedektör ile nötrinolar sayılarak veya enerjileri ölçülerek o reaktörün çekirdeğindeki aktiviteler canlı olarak takip edilebilir. Bu tezin asıl amacı, bir reaktörün termal gücünü ve fisyon izotoplarının envanterini izlemeye aday yeni bir antinötrino detektörü tasarlayıp geliştirmektir. Monte Carlo temelli Geant4 parçacık simülasyon paketi bu amaç için kullanılmıştır. Bu tez, reaktörden yayınlanan antinötrinoları yerüstünde algılamak için plastik bazlı sintilasyon dedektörlerinin kullanımına odaklanmaktadır. Plastik tabanlı dedektörlerin modüler tasarım konsepti, yüzey seviyesinde arka plan olaylarının bastırılmasını sağlar. Plastik sintilatörlerin reaktör yakınlarında herhangi bir tehlike oluşturmadan güvenle çalışabilmesi ve kolay koşullanma özellikleri, bu dedektörleri Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı için bir reaktörün güç geçmişini ve fisil envanterini bağımsız bir şekilde doğrulamada cazip bir araç haline getirir. Bu tezde bu amaç için özel olarak yürütülen iki önemli deney olan Panda (Plastik antinötrino dedektör dizisi) ve Cormorad (Reaktör antinötrino dedektörü ile çekirdek izleme) ele alınmış ve yeni tasarım konseptleri geliştirmek için bu deneylerde kullanılan tasarım baz alınmıştır. Antinötrinoları algılamak için en iyi bilinen mekanizma ters beta bozunum etkileşmesidir: $\overline{\nu}+p \rightarrow e^+ + n $. Bu etkileşmede, reaktörden gelen bir antinötrino, dedektörün aktif hacmi içinde bir proton ile zayıf kuvvet aracılığıyla etkileşerek bir pozitron ve bir nötron oluşturur. Sintilatör tabanlı bir dedektörde, pozitron iyonizasyon süreciyle enerjisini hemen bırakırken, nötron dedektör içinde elastik saçılmalar yaparak önce termalize olur, daha sonra hidrojen çekirdeği veya dedektöre katılmış nötron yakalayıcı bir çekirdek tarafından yutulur. Her iki süreçte de son parçacık olarak fotoçoğaltıcılar tarafından algılanabilen optik fotonlar oluşur. Bu tezde, ilk olarak optik fotonların taşınımı ve algılanması sintilatör-ışık kılavuzu-fotoçoğaltıcı tüp üçlemesinden oluşan tek bir antinötrino dedektör modülü içinde simüle edilmiş ve dedektörün ışık toplama verimliliğini etkileyen parametreler incelenmiştir. İncelenen parametreler yansıtıcı tipinin seçimi ve bu yansıtıcının sintilatör yüzeyini kaplama yöntemi, yansıtıcının yansıtma katsayısı, sintilatör yüzeyinin pürüzlülük derecesi ve son olarak ışık kılavuzunun geometrik şeklidir. Işık kılavuzunun şekli, yansıma katsayısı ve yansıtıcının sintilatör yüzeyine uygulanma yönteminin ışık toplama verimliliği üzerinde önemli bir etkisi olduğu görülürken, sintilatör yüzeyinin pürüzlülük seviyesi ve yansıtıcı tipinin seçiminin nispeten daha az etkili olduğu bulunmuştur. Her ne kadar bu bulgular, reaktör antinötrino dedektörlerinin tipik bir deneysel düzenlemesi için bulunsa da, elde edilen sonuçlar, plastik sintilatör-ışık kılavuzu-fotoçoğaltıcı tüp üçlemesini kullanan herhangi bir düzenek için de geçerlidir. Üçüncü bölümde, antinötrino algılamak için ters beta bozunum etkileşmesini kullanan, plastik sintilatör tabanlı, çok bölmeli, olabildiğince kompakt olarak tasarlanan Panda ve Cormorad dedektörleri modellenmiştir. Ayrıca, bu detektörlere alternatif, klasik dikdörtgen şekilli plastik çubuklar yerine altıgen sintillatör çubukların tercih edildiği yeni bir antinötrino detektörü tanıtılmıştır. Önerilen dedektör birbirinden bağımsız eş dedektör modüllerin bir araya getirilip paketlenmesiyle oluşturulmuştur. Paketlenme yöntemine göre farklı modül sayılı iki farklı tasarım deseni elde edilmiştir: Bunlar 93 modülden oluşan Dikdörtgen şekilli paketleme (RSP) ve 91 modülden oluşan Altıgen şekilli paketlemedir (HSP). Önerilen dedektör nötron yakalama zamanı, nötron yakalama verimi, antinötrino algılama verimi ve enerji çözünürlüğü gibi önemli tasarım parametreleri dikkate alınarak mevcut dedektörlerle karşılaştırılmıştır. En yüksek algılama verimi Cormorad dedektörü ile elde edilmiş, bu tasarımın ışık toplama veriminin Panda ve HSP-RSP tasarımına göre oldukça düşük olduğu görülmüştür. Işık toplama verimi açısından en iyi performans ise HSP ile elde edilmiştir; çünkü aynı ışık toplama verimi Panda'ya kıyasla $\%$ 9 daha az optik okuyucu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, arka plan reddi için en önemli parametre olan nötron yakalama süresi Panda'ya göre $\%$ 8 daha azaltılmıştır. Tüm bu iyileştirmeler dedektörün bal peteği şeklinde inşa edilmesinden kaynaklanmıştır. Bu yeni yaklaşımla eşit boyutlardaki dedektör modüllerinin mümkün olan en sıkı düzenlemesi elde edilmiştir. Bu şekilde, optik okuyucuların monte edildiği yüzey alanları minimize edilmiş ve böylece belirli bir dedektör hacmini okumak için gerekli olan fotoçoğaltıcı tüp sayısını azaltılmıştır. Önerilen dedektör için en büyük zorluk yer üstünde antinötrino olaylarını arka plan olaylarından ayırt etmektir. Dedektörün bölmeli yapısı, dedektörde etkileşen her parçacık için benzersiz bir olay topolojisi ve enerji birikim profili elde etmemizi sağlar. Bu enerji birikim profillerinin analizi dedektörden geçen parçacıkları tanımlamama imkanı sunar. Tezin son bölümünde, üçüncü bölümde tanıtılan dedektör için antinötrino sinyal analizi geliştirilmiştir. Önerilen dedektörün antinötrino sinyalini tanıma yeteneği ve arka plan olaylarından ayırma kabiliyeti araştırılmıştır. Bunun için dedektörün ters beta bozunum olay karakteristiği incelenmiştir. Pozitrondan kaynaklı anlık sinyal ve nötron kaynaklı gecikmiş sinyalin olay topolojine ve gerçekleşme zamanına bakılarak bir grup seçim kriteri belirlenmiştir. Seçim kriterleri simülasyon verilerine uygulandığı durumda $\%$10'luk bir algılama verimi elde edilmiştir. Daha sonra, en önemli arka plan kaynağını oluşturan kozmik ışınların indüklediği hızlı nötronlar simüle edilmiştir. Dedektörün, tek bir hızlı nötronun ve çoklu nötronların oluşturduğu sinyalleri gerçek antinötrino olaylarından ayırma verimi araştırılmıştır. Tek bir nötronun oluşturduğu arka plan olayları için $\%$96, çoklu nötronların oluşturduğu olaylar için $\%$98'lik bir reddetme verimi bulunmuştur. Bu tezin uzun vadeli amacı, bu tezde geliştirilen dedektörü Türkiye'nin ilk güç santrali olacak olan Akkuyu Nükleer Güç santrali yakınında kurmaktır. Böylece, bu dedektör ile hem nötrino salınımı çalışmaları yapmak hem de reaktör çekirdeğinin gücünü ve fisil envanterini görüntülemek mümkün olacaktır.
Anahtar kelimeler
Nükleer reaktörler, Nuclear reactors
Alıntı