The Characteristics of B4C Coated Scintillators

Abstract

The characteristics of Boron Carbide (B4C) coated polyvinyltoluene scintillators with a sputtered B4C coating ranging between 200 and 1000 nm have been studied using a photomultiplier - Lanthanum Bromide detector setup with a PuBe neutron source. The raw data from the detectors was analysed by imposing a detector coincidence condition. The coated scintillators have been compared with a commercial homogeneously doped B4C scintillator. Furthermore, a measurement of the homogeneity of the B4C coating has been performed using a proton beam at the Lund Ion Beam Analysis Facility (LIBAF) accelerator at the division of nuclear physics, at Lund university. Alpha - gamma coincidence measurements on the 1000 nm coated scintillator showed a discernible alpha signal in the 480 keV gamma region. The gamma-ray count rate for the coated scintillator was found to be 0.25 CPS compared to 16 CPS for the commercial scintillator at a time resolution of 3.7 ns and 7.9 ns respectively. The drastically lower count rate can be attributed several factors, though mainly due to the lower amount of Boron-10 in the B4C layer of the coated scintillator. The coincidence measurements showed that B4C coated scintillators are, under the conditions set up in the study, a feasible way of detecting moderated neutrons. The lower resolution of the coated scintillator can be attributed to the need for a highly amplified signal, which generated more electronic noise. The measurement time was also substantially longer. Due to the lower count rate the area of application of these scintillators would best suit a measurement where the count rate is not of principal importance.
Boron-11 proton probing of the 200 and 600 nm coated scintillators showed that the counts followed a Poisson distribution with a discrepancy of 25 and 11%, respectively, this data was however not normalised for beam charge fluctuation.

Popular Abstract (Swedish)

Kärnkraften har varit en kontroversiell politisk fråga i Sverige sen de första svenska kärnkraftverken för kommersiell elproduktion togs i drift under 1960 talet. Idag står kärnkraften för cirka 40 % av Sveriges totala elproduktion, men dess framtid är osäker. Trots att uppgraderingar av olika slag görs vid de befintliga reaktorerna har dessa en maximal livslängd på cirka 60 år, vilket innebär att de i framtiden kommer att behöva demonteras oberoende på vad som kommer att ersätta deras elproduktion. Även om en kärnkraftsreaktor är, när den jämförs med fossila energikällor såsom kol och gas, en ren energikälla med relativt små koldioxidutsläpp under dess drift återstår diverse problem med den andra generationens reaktorer, som för närvarande är i drift. Det största problemet är det långlivade radioaktiva avfallet som inte längre kan vara en del av reaktorns driftprocess.

Idag finns cirka 6000 ton kärnavfall i Sverige. Detta avfall delas upp i tre kategorier: historiskt avfall från den tidigare forskningen kring kärnkraft under 50- och 60-talen, medicinskt avfall från sjukhus och uttjänt kärnbränsle och utrustning från reaktorer. Den framtida avfallsmängden efter slutgiltig demontering av de svenska reaktorerna kommer enligt uppskattning att vara ungefär ytterligare 5000 ton material. Då detta material klassas som högaktivt innebär det att omgivningen måste skyddas från det under minst 100 000 år. Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB) är ett bolag bildat av den svenska kärnkraftsindustrin för att ta hand om det svenska avfallet. SKB har för närvarande en konceptstudie att bygga ett slutförvar, Slutförvaret för Långlivat Avfall, SFL, utanför Forsmark. Detta slutförvar, tänkt att börja byggas runt år 2045, kommer att förvara avfallet i cylindriska kopparkärl omslutna av betonitlera cirka 500 meter ner i berget under Östersjön.

Innan avfallet kan placeras i dessa kärl måste det genomgå ett antal säkerhetsrutiner och undersökningar, bland annat att dess radioaktivitet, i form av neutroner och gammastrålning, undersöks. Neutrondetektion är väl utvecklat, man har tidigare använt isotopen Helium-3 som bas. Idag letas alternativa metoder till att använda Helium-3 då produktionen av denna isotop har minskat sedan kalla kriget, samt att denna isotop endast utgör 0,0000135 % av naturligt förekommande Helium. Ett av dessa alternativ är att använda Bor-10 för neutrondetektion. Neutronen växelverkar med boratomen och reaktionen avger en alfapartikel. Denna alfapartikel, som har en elektrisk laddning kan då användas i kombination med en scintillator, som avger ljus när laddade partiklar går igenom dess material. Detta projekt har studerat scintillatorer belagda med den kemiska sammansättningen borkarbid, som är en förening av bor och kol. Egenskaperna hos dessa borkarbidbelagda scintillatorer har sedan jämförts med kommersiellt tillverkade scintillatorer som har ett homogent innehåll av bor. Projektet visar att borkarbidbelagda scintillatorer kan användas för neutrondetektion under förhållandena uppsatta i experimentet.

• author: Bodahl, Anton
• supervisor: Jan Pallon
• organization: Nuclear physics; Department of Physics
• course: FYSK02 20152
• year: 2016
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: B4C, Scintillators, Coincidence Measurements, LIBAF, Homogenity Measurements
• language: English
• id: 8564116
• date added to LUP: 2016-02-01 08:25:04
• date last changed: 2016-02-01 08:25:04