Monte Carlo study to measure the neutron flux using the prompt gamma-rays in hydrogen

H.R. Vega-Carrillo*, E. Manzanares-Acuña, V.M. Hernández-Dávila, E.D. Rodarte Felix, J. Ramirez-González, and R. Hernández Villasana

Cuerpo Académico de Radiobiología, Unidad Academica de Estudios Nucleares, Universidad Autónoma de Zacatecas, Apartado Postal 336, 98000 Zacatecas, Zac. México, *e-mail: fermineutron@yahoo.com

Recibido el 2 de marzo de 2006
Aceptado el 18 de agosto de 2006

Abstract

A Monte Carlo study was realized to use a gamma-ray spectrometer with a 3" Øx 3" NaI(Tl) detector, with a moderator sphere, to measure the neutron fluence rate. Materials with a large amount of hydrogen are able to slowdown and thermalize neutrons; once thermalized there is a probability of neutron capture in moderator nuclei. When the neutron is captured by hydrogen a 2.22 MeV prompt gamma-ray is emitted. The photons pulse-height spectrum shows a photopeak around 2.22 MeV whose net area is proportional to total neutron fluence rate. The characteristics of this system were determined by a Monte Carlo study using the MCNP 4C code; a model of the NaI(Tl) was utilized, the study includes water and polyethylene as moderators with 3, 5, and 10 inches-diameter spheres that were bombarded with neutrons emitted by a polyenergetic ²³⁹PuBe. With the best sphere the study was extended to determine the response to monoenergetic neutron sources. Calculations were carried out to obtain realistic gamma-rays pulse height spectra, where the 2.22 MeV is observed. In polyethylene spheres the 4.43 MeV photon is also shown due to ¹²C(n, n' γ)¹²C reaction.

Keywords: Monte Carlo; neutrons; moderators; prompt gamma-rays.

Resumen

Mediante métodos Monte Carlo se ha realizado un estudio con el propósito de utilizar un espectrómetro de rayos gamma, con base en un centellador de NaI(Tl) de 3" Øx 3" y un moderador esférico, para medir la tasa de fluencia de neutrones. Los materiales que contienen hidrógeno tienen la capacidad de moderar y termalizar neutrones; una vez termalizados los neutrones pueden ser capturados por los núcleos del moderador. Si la captura ocurre en hidrógeno un fotón de 2.22 MeV se produce y el espectro de altura de pulsos muestra un fotopico en torno a los 2.22 MeV, el area neta bajo el fotopico es proporcional a la tasa total de la fluencia de neutrones que incide sobre el moderador. Las características de este sistema han sido determinadas mediante métodos Monte Carlo usando el código MCNP 4C, donde se utilizó un modelo del centellador. Durante el estudio se incluyó como medios moderadores esféricos de agua y de polietileno de 3, 5 y 10 pulgadas de diametro. Los moderadores se bombardearon neutrones emitidos por una fuente de ²³⁹PuBe. Con el mejor moderador es estudio se extendio para determinar la respuesta del sistema ante neutrones monoenergéticos. Los cálculos se efectuaron tratando de obtener espectros de altura de pulsos de los rayos gamma similares a los observados en el multicanal. Durante el estudio se observaron los fotones de 2.22 MeV. Para el caso del polietileno, también se observó un fotón de 4.43 MeV proveniente de la reacción nuclear ¹²C(n, n' γ)¹²C.

Descriptores: Monte Carlo; neutrones; moderadores; rayos gamma prontos.

PACS: 87.53.Wz; 29.25.Dz; 25.40.Lw; 28.41.Pa

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Acknowledgments

This work was partially supported by CONACyT (México) under contract SEP-2004-C01-46893.

References

1. A. Pazirandeh, A. Maryam, and S. Farhad Masoudi, Appl. Radiat. Isot. 64 (2006) 1.        [ Links ]

2. P.A. Dokhale, J. Csikai and L. Oláh, Appl. Radiat. Isot. 54 (2001) 967.        [ Links ]

3. T. Cywicka-Jakiel, J. Loskiewicz, M. Nezamzadeh and G. Tracz, Appl. Radiat. Isot. 51 (1999) 419.        [ Links ]

4. R.L. Paul and R.M. Lindstrom, J. Radioanal. Nucl. Chem. 243 (2000) 181.        [ Links ]

5. A.G.C. Nair et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 516 (2004) 143.        [ Links ]

6. R.P. Gardner and Ch.W. Mayo, Appl. Radiat. Isot. 51 (1999) 189.        [ Links ]

7. R. Proctor, S. Yusuf, J. Miller and C. Scott, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 422 (1999) 933.        [ Links ]

8. D.L. Anderson, Y. Sun, M.P Failey and W.H. Zoller, Geostandards Newsletter 9 (1985) 219.        [ Links ]

9. D.L. Anderson, W.C. Cunningham and E.A. Mackey, "Neutron capture prompt-γ activation analysis of foods". Published in Schruzer, G.N. (editor). Biological Trace Element Research. The Humana Press Inc. (1990).        [ Links ]

10. K. Sudarshan et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 457 (2001) 180.        [ Links ]

11. S.J.S. Ryde, W.D. Morgan, C.J. Evans, A. Sivyer and J. Dutton, Phys. Med Biol. 34 (1989) 1429.        [ Links ]

12. M. Borsaru, M. Biggs, W. Nichols and F. Bos, Appl. Radiat. Isot. 54 (2001) 335.        [ Links ]

13. R.J. Shypailo and K.J. Ellis, J. Radioanal. Nucl. Chem. 249 (2001) 407.        [ Links ]

14. D.L. Collico, M.A.J. Mariscotti and S.R. Guevara, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 95 (1995) 379.        [ Links ]

15. H.R. Vega-Carrillo, E. Manzanares, V.M. Hernández, E. Gallego and A. Lorente, Rev. Mex. Fis. 51 (2005) 494.        [ Links ]

16. J.F. Breismeister (editor), "MCNP^TM -A general Monte Carlo N-particle transport code", Los Alamos National Laboratory Report LA-13709. (2000).        [ Links ]

17. W.P Pönitz, Nucl. Instrum. Meth. 58 (1968) 39.        [ Links ]

18. W.P. Pönitz, Nucl. Instrum. Meth. 72 (1969) 120.        [ Links ]

19. S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. Appl. Radiat. Isot. 33 (1982) 1189.        [ Links ]

20. R.V. Griffith, J. Palfalvi, and U. Madhvanath, U. (editors). "Compendium of neutron spectra and detector responses for radiation protection purposes". International Atomic Energy Agency, Technical Report Series No. 318. Vienna (1990).        [ Links ]

21. L. Gerward, N. Guilbert, K.B. Jensen and H. Levring, Radiat. Phys. Chem. 60 (2001) 23.        [ Links ]

22. L. Gerward, N. Guilbert, K.B. Jensen and H. Levring, Radiat. Phys. Chem. 71 (2004) 653.        [ Links ]