Neutron spectroscopy with sCVD diamond detectors

Abstract

In this work the applications of single-crystal CVD (sCVD) diamond detectors in the field of neutron spectroscopy were studied. A novel technique of a pulse-shape analysis of ionization current in diamond detector was used in order to distinguish different nuclear reaction channels in the measured spectra. This technique allowed separation of the nuclear reactions of interest from a background and measure their cross sections. Cross section of the 6Li(n,t)a reaction was measured with thermal neutrons with rejection of the gamma-background at the thermal neutron beamline. This reaction in a thermal neutron 6LiF converter allows thermal neutron flux monitoring with diamond detectors. Cross section of the 13C(n,a)10Be reaction was measured relatively to the cross section of the 12C(n,a)9Be reaction at 14.3 MeV and 17.0 MeV neutron energies. Knowledge of the cross section of the 13C(n,a)10Be reaction is important for the applications of diamond detectors in d-d and d-t plasma fusion reactors, and in the fundamental research in astrophysics and neutron physics. Chapter 1 is an introduction which describes the aim and the scope of the research, and gives an overview of the diamond detector technology. Chapter 2 describes the properties and types of diamond. Chapter 3 describes the interaction of charged particles, photons, and neutrons with diamond. The description of the theory of interaction is complemented by the simulations performed with Geant4 library. Chapter 4 contains an overview of the Geant4 library which was used for simulations of particle interactions with diamond detector. Chapter 5 describes the principles of the diamond detector operation. An experimental section of this chapter contains an analysis of the charge carrier properties of sCVD diamond via transient-current technique. The measurement resolution with a diamond detector setup was studied via Geant4 simulations. This result was corroborated by spectroscopic measurements with an alpha-source. Chapter 6 introduces the pulse-shape analysis of the detector current. This technique was used in the spectroscopic measurements with thermal neutrons at the TRIGA reactor of the Atominstitut (Vienna, Austria). It allowed to separate the 6Li(n,t)a reaction spectrum from the background. In the measurement with fast neutrons, conducted at the Van de Graaff facility of EC-JRC (Geel, Belgium), the 13C(n,a)10Be reaction cross section was measured at 14.3 MeV and 17.0 MeV neutron energies. This measurement proved the efficiency of the pulse-shape analysis technique in neutron spectroscopy, and expanded experimental data on carbon-neutron reactions.

In dieser Arbeit wurden die Anwendungen von Einkristall CVD (sCVD) Diamantdetektoren auf dem Gebiet der Neutronenspektroskopie untersucht. Eine neuartige Technik der Pulsformanalyse des Ionisationsstroms im Diamantdetektor wurde verwendet, um verschiedene Kernreaktionskanäle in den gemessenen Spektren zu unterscheiden. Mit dieser Technik konnten die interessierenden Kernreaktionen vom Hintergrund getrennt und ihre Wirkungsquerschnitte gemessen warden. Der Wirkungsquerschnitt der 6Li(n,t)a Reaktion wurde mit thermischen Neutronen gemessen, wobei der Gamma-Hintergrund an der thermischen Neutronenstrahllinie unterdrücken wurde. Diese Reaktion im thermischen Neutronen 6LiF-Konverter ermöglicht die Überwachung des thermischen Neutronenflusses mit Diamantdetektoren. Der Wirkungsquerschnitt der 13C(n,a)10Be Reaktion wurde relativ zum Wirkungsquerschnitt des 12C(n,a)9Be Reaktion gemessen, bei 14.3 MeV und 17.0 MeV Neutronenenergien. Die Kenntnis des Wirkungsquerschnitts der 13C(n,a)10Be Reaktion ist wichtig für die Anwendungen von Diamantdetektoren in d-d und d-t Plasmafusionsreaktoren und in der fundamentalen Forschung in Astrophysik und Neutronenphysik. Kapitel 1 ist eine Einführung, mit die das Ziel und der Umfang der Forschung beschreibt und einen Überblick über die Diamantdetektortechnologie gibt. Kapitel 2 beschreibt die Eigenschaften und Arten von Diamanten. Kapitel 3 beschreibt die Wechselwirkung von geladenen Teilchen, Photonen und Neutronen mit Diamant. Die Beschreibung der Wechselwirkungstheorie wird durch Simulationen ergänzt, die mit Geant4 durchgeführt wurden. Kapitel 4 enthält eine Übersicht über Geant4, die für die Simulation von Teilchenwechselwirkung mit Diamantdetektoren verwendet wurde. Kapitel 5 beschreibt die Prinzipien des Diamantdetektors. Ein experimenteller Abschnitt dieses Kapitels enthält die Analyse der Ladungsträgereigenschaften von sCVD-Diamant mittels TCT (Transient Current Technique). Die Messauflösung mit dem Diamantdetektor wurde über Geant4 Simulationen untersucht. Dieses Ergebnis wurde mit den spektroskopischen Messungen mit einer Alpha-Quelle verglichen. Kapitel 6 führt die Pulsformanalyse des Detektorstroms ein. Diese Technik wurde bei den spektroskopischen Messungen mit thermischen Neutronen im TRIGA Reaktor des Atominstituts (Wien, Österreich) verwendet. Es erlaubte, das Reaktionsspektrum 6Li(n,t)a vom Hintergrund zu trennen. Bei der Messung mit schnellen Neutronen, die in der Anlage von Van de Graaff der EC-JRC (Geel, Belgien) durchgeführt wurde, wurde der Wirkungsquerschnitt des 13C(n,a)10Be berechnet wurde bei Neutronenenergien von 14.3 MeV und 17.0 MeV gemessen. Diese Messung bewies die Effizienz der Pulsform-Analysetechnik in der Neutronenspektroskopie und erweiterte die experimentellen Daten über Kohlenstoff-Neutronen-Reaktionen.