Capture cross sections for fast neutrons /

Work performed at the Argonne National Laboratory.

Chronic radiation hazards; an experimental study with fast neutrons,

Includes bibliographies.

The interaction of fast neutrons with shielding and fusion blanket materials

In the present work the neutron emission spectra from a graphite cube, and from natural uranium, lithium fluoride, graphite, lead and steel slabs bombarded with 14.1 MeV neutrons were measured to test nuclear data and calculational methods for D - T fusion reactor neutronics. The neutron spectra measured were performed by an organic scintillator using a pulse shape discrimination technique based on a charge comparison method to reject the gamma rays counts. A computer programme was used to analyse the experimental data by the differentiation unfolding method. The 14.1 MeV neutron source was obtained from T(d,n)4He reaction by the bombardment of T - Ti target with a deuteron beam of energy 130 KeV. The total neutron yield was monitored by the associated particle method using a silicon surface barrier detector. The numerical calculations were performed using the one-dimensional discrete-ordinate neutron transport code ANISN with the ZZ-FEWG 1/ 31-1F cross section library. A computer programme based on Gaussian smoothing function was used to smooth the calculated data and to match the experimental data. There was general agreement between measured and calculated spectra for the range of materials studied. The ANISN calculations carried out with P3 - S8 calculations together with representation of the slab assemblies by a hollow sphere with no reflection at the internal boundary were adequate to model the experimental data and hence it appears that the cross section set is satisfactory and for the materials tested needs no modification in the range 14.1 MeV to 2 MeV. Also it would be possible to carry out a study on fusion reactor blankets, using cylindrical geometry and including a series of concentric cylindrical shells to represent the torus wall, possible neutron converter and breeder regions, and reflector and shielding regions.

Elastic and inelastic scattering of fast neutrons in fusion reactor materials

In this work, the angular distributions for elastic and. inelastic scattering of fast neutrons in fusion .reactor materials have been studied. Lithium and lead material are likely to be common components of fusion reactor wall configuration design. The measurements were performed using an associated particle time-of- flight technique. The 14 and 14.44 Mev neutrons were produced by the T(d,n} 4He reaction with deuterons being accelerated in a 150kev SAMES type J accelerator at ASTON and in.the 3. Mev DYNAMITRON at the Joint Radiation Centre, Birmingham respectively. The associated alpha-particles and fast. neutrons were detected.by means of a plastic scintillator mounted on a fast focused photomultiplier tube. The samples used were extended flat plates of thicknesses up to 0.9 mean-free-path for Lithium and 1.562 mean-free-path for Lead. The differential elastic scattering cross-sections were measured for 14 Mev neutrons for various thicknesses of Lithium and Lead in the angular range from zero to; 90º. In addition, the angular distributions of elastically scattered 14,.44 Mev .neutrons from Lithium samples were studied in the same angular range. Inelastic scattering to the 4.63 Mev state in 7Li and the 2.6 Mev state, and 4.1 Mev state in 208Pb have:been :measured.The results are compared to ENDF/B-IV data files and to previous measurements. For the Lead samples the differential neutron scattering:cross-sections for discrete 3 Mev ranges and the angular distributions were measured. The increase in effective cross-section due to multiple scattering effects,as the sample thickness increased:was found to be predicted by the empirical .relation ....... A good fit to the exoerimental data was obtained using the universal constant............ The differential elastic scattering cross-section data for thin samples of Lithium and Lead were analyzed in terms of optical model calculations using the. computer code. RAROMP. Parameter search procedures produced good fits to the·cross-sections. For the case of thick samples of Lithium and Lead, the measured angular distributions of :the scattered neutrons were compared to the predictions of the continuous slowing down model.

A study of the scattering of fast neutrons in large samples

In the present work, the elastic scattering of fast neutrons from iron and concrete samples were studied at incident neutron energies of 14.0 and 14.4 Mev, using a neutron spectrometer based on the associated particle time-of-flight technique. These samples were chosen because of their importance in the design of fusion reactor shielding and construction. Using the S.A.M.E.S. accelerator and the 3 M v Dynamitron accelerator at the Radiation Centre, 14.0 and 14.4 Mev neutrons were produced by the T(d, n)4He reaction at incident deuteron energies of 140 keV and 900 keV mass III ions respectively. The time of origin of the neutron was determined by detecting the associated alpha particles. The samples used were extended flat plates of thicknesses up to 1.73 mean free paths for iron and 2.3 mean free paths for concrete. The associated alpha particles and fast neutrons were detected by means of a plastic scintillator mounted on a fast focused photomultiplier tube. The differential neutron elastic scattering cross-sections were measured for 14 Mev neutrons in various thicknesses of iron and concrete in the angular range from zero to 90°. In addition, the angular distributions of 14.4 Mev neutrons after passing through extended samples of iron were measured at several scattering angles in the same angular range. The measurements obtained for the thin sample of iron were compared with the results of Coon et al. The differential cross-sections for the thin iron sample were also analyzed on the optical model using the computer code RAROMP. For the concrete sample, the angular distribution of the thin sample was compared with the cross-sections calculated from the major constituent elements of concrete, and with the predicted values of the optical model for those elements. No published data could be found to compare with the results of the concrete differential cross-sections. In the case of thick samples of iron and concrete, the number of scattered neutrons were compared with a phenomological calculation based on the continuous slowing down model. The variation of measured cross-sections with sample thickness were found to follow the empirical relation σ = σ0 eαx. By using the universal constant "K", good fits were obtained to the experimental data. In parallel with the work at 14.0 and 14.4 Mev, an associated particle time-of-flight spectrometer was investigated which used the 2H(d,n)3He reaction for 3.02 Mev neutron energy at the incident deuteron energy of 1 Mev.

Experiments in Neutrino Mass and Mixing: Part I - New Limits on Heavy Neutrino Emission in Nuclear Beta Decay. Part II - Fast Neutron Backgrounds for the San Onofre Neutrino Detector

In Part I of this thesis, a new magnetic spectrometer experiment which measured the β spectrum of ^(35)S is described. New limits on heavy neutrino emission in nuclear β decay were set, for a heavy neutrino mass range between 12 and 22 keV. In particular, this measurement rejects the hypothesis that a 17 keV neutrino is emitted, with sin^2 θ = 0.0085, at the 6δ statistical level. In addition, an auxiliary experiment was performed, in which an artificial kink was induced in the β spectrum by means of an absorber foil which masked a fraction of the source area. In this measurement, the sensitivity of the magnetic spectrometer to the spectral features of heavy neutrino emission was demonstrated.

In Part II, a measurement of the neutron spallation yield and multiplicity by the Cosmic-ray Underground Background Experiment is described. The production of fast neutrons by muons was investigated at an underground depth of 20 meters water equivalent, with a 200 liter detector filled with 0.09% Gd-loaded liquid scintillator. We measured a neutron production yield of (3.4 ± 0.7) x 10^(-5) neutrons per muon-g/cm^2, in agreement with other experiments. A single-to-double neutron multiplicity ratio of 4:1 was observed. In addition, stopped π^+ decays to µ^+ and then e^+ were observed as was the associated production of pions and neutrons, by the muon spallation interaction. It was seen that practically all of the π^+ produced by muons were also accompanied by at least one neutron. These measurements serve as the basis for neutron background estimates for the San Onofre neutrino detector.

Étude de la réponse du détecteur ATLAS-MPX aux neutrons rapides

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC.

Détection des événements de "Minimum Bias" et neutrons avec les détecteurs ATLAS-MPX par simulations

Un réseau de seize détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Les détecteurs ATLAS-MPX sont sensibles au champ mixte de radiation de photons et d’électrons dans la caverne d’ATLAS et sont recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons thermiques et des neutrons rapides respectivement. Les collisions à haute énergie sont dominées par des interactions partoniques avec petit moment transverse pT , associés à des événements de “minimum bias”. Dans notre cas la collision proton-proton se produit avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse avec une luminosité de 10³⁴cm⁻²s⁻¹ telle que fixée dans les simulations. On utilise la simulation des événements de "minimum bias" générés par PYTHIA en utilisant le cadre Athena qui fait une simulation GEANT4 complète du détecteur ATLAS pour mesurer le nombre de photons, d’électrons, des muons qui peuvent atteindre les détecteurs ATLASMPX dont les positions de chaque détecteur sont incluses dans les algorithmes d’Athena. Nous mesurons les flux de neutrons thermiques et rapides, générés par GCALOR, dans les régions de fluorure de lithium et de polyéthylène respectivement. Les résultats des événements de “minimum bias” et les flux de neutrons thermiques et rapides obtenus des simulations sont comparés aux mesures réelles des détecteurs ATLAS-MPX.

Time of Flight Measurements for Neutrons Produced in Reactions Driven by Laser-Target Interactions at Petawatt level

Abstract Short intense pulses of fast neutrons were produced in a two stage laser-driven experiment. Protons were accelerated by means of the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) method using the TITAN facility at the Lawrence Livermore National Laboratory. Neutrons were obtained following interactions of the protons with a secondary lithium fluoride (LiF) target. The properties of the neutron flux were studied using BC-400 plastic scintillation detectors and the neutron time of flight (nTOF) technique. The detector setup and the experimental conditions were simulated with the Geant4 toolkit. The effects of different components of the experimental setup on the nTOF were studied. Preliminary results from a comparison between experimental and simulated nTOF distributions are presented.

Detector for imaging and dosimetry of laser-driven epithermal neutrons by alpha conversion

An epithermal neutron imager based on detecting alpha particles created via boron neutron capture mechanism is discussed. The diagnostic mainly consists of a mm thick Boron Nitride (BN) sheet (as an alpha converter) in contact with a non-borated cellulose nitride film (LR115 type-II) detector. While the BN absorbs the neutrons in the thermal and epithermal ranges, the fast neutrons register insignificantly on the detector due to their low neutron capture and recoil cross-sections. The use of solid-state nuclear track detectors (SSNTD), unlike image plates, micro-channel plates and scintillators, provide safeguard from the x-rays, gamma-rays and electrons. The diagnostic was tested on a proof-of-principle basis, in front of a laser driven source of moderated neutrons, which suggests the potential of using this diagnostic (BN+SSNTD) for dosimetry and imaging applications.

Mesure des champs de radiation dans le détecteur ATLAS et sa caverne avec les détecteurs au silicium à pixels ATLAS-MPX

Les collisions proton-proton produites par le LHC imposent un environnement radiatif hostile au détecteur ATLAS. Afin de quantifier les effets de cet environnement sur la performance du détecteur et la sécurité du personnel, plusieurs simulations Monte Carlo ont été réalisées. Toutefois, la mesure directe est indispensable pour suivre les taux de radiation dans ATLAS et aussi pour vérifier les prédictions des simulations. À cette fin, seize détecteurs ATLAS-MPX ont été installés à différents endroits dans les zones expérimentale et technique d'ATLAS. Ils sont composés d'un détecteur au silicium à pixels appelé MPX dont la surface active est partiellement recouverte de convertisseurs de neutrons thermiques, lents et rapides. Les détecteurs ATLAS-MPX mesurent en temps réel les champs de radiation en enregistrant les traces des particules détectées sous forme d'images matricielles. L'analyse des images acquises permet d'identifier les types des particules détectées à partir des formes de leurs traces. Dans ce but, un logiciel de reconnaissance de formes appelé MAFalda a été conçu. Étant donné que les traces des particules fortement ionisantes sont influencées par le partage de charge entre pixels adjacents, un modèle semi-empirique décrivant cet effet a été développé. Grâce à ce modèle, l'énergie des particules fortement ionisantes peut être estimée à partir de la taille de leurs traces. Les convertisseurs de neutrons qui couvrent chaque détecteur ATLAS-MPX forment six régions différentes. L'efficacité de chaque région à détecter les neutrons thermiques, lents et rapides a été déterminée par des mesures d'étalonnage avec des sources connues. L'étude de la réponse des détecteurs ATLAS-MPX à la radiation produite par les collisions frontales de protons à 7TeV dans le centre de masse a montré que le nombre de traces enregistrées est proportionnel à la luminosité du LHC. Ce résultat permet d'utiliser les détecteurs ATLAS-MPX comme moniteurs de luminosité. La méthode proposée pour mesurer et étalonner la luminosité absolue avec ces détecteurs est celle de van der Meer qui est basée sur les paramètres des faisceaux du LHC. Vu la corrélation entre la réponse des détecteurs ATLAS-MPX et la luminosité, les taux de radiation mesurés sont exprimés en termes de fluences de différents types de particules par unité de luminosité intégrée. Un écart significatif a été obtenu en comparant ces fluences avec celles prédites par GCALOR qui est l'une des simulations Monte Carlo du détecteur ATLAS. Par ailleurs, les mesures effectuées après l'arrêt des collisions proton-proton ont montré que les détecteurs ATLAS-MPX permettent d'observer la désintégration des isotopes radioactifs générés au cours des collisions. L'activation résiduelle des matériaux d'ATLAS peut être mesurée avec ces détecteurs grâce à un étalonnage en équivalent de dose ambiant.

Potentialities and practical limitations of absolute neutron dosimetry using thin films of uranium and thorium applied to the fission track dating

Neutron dosimetry using natural uranium and thorium thin films makes possible that mineral dating by the fission-track method can be accomplished, even when poor thermalized neutron facilities are employed. In this case, the contributions of the fissions of (235)U, (238)U and (232)Th induced by thermal, epithermal and fast neutrons to the population of tracks produced during irradiation are quantified through the combined use of natural uranium and thorium films.If the Th/U ratio of the sample is known, only one irradiation (where the sample and the films of uranium and thorium are present) is necessary to perform the dating. However, if that ratio is unknown, it can be determined through another irradiation where the mineral to be dated and both films are placed inside a cadmium box.Problems related with film manufacturing and calibration are discussed. Special attention is given to the utilization of thin films having very low uranium content. The problems faced suggest that it may be better to substitute these films by uranium doped standard glasses calibrated with thicker uranium films (thickness greater than 1.5 x 10(13) mu m).