Neutron spectrometry using a simplified Bonner Sphere system

Research output: ThesisMaster's thesis

Standard

Neutron spectrometry using a simplified Bonner Sphere system. / Verbraeken, Lise; Van Hoey, Olivier (Peer reviewer); Vanhavere, Filip (Peer reviewer); Struelens, Lara (Peer reviewer).

Fontys University of Applied Sciences, 2015. 62 p.

Research output: ThesisMaster's thesis

Harvard

Vancouver

Verbraeken L, Van Hoey O, Vanhavere F, Struelens L. Neutron spectrometry using a simplified Bonner Sphere system. Fontys University of Applied Sciences, 2015. 62 p.

Author

Bibtex - Download

@phdthesis{f63a1cf6c2754af3a6692d5b8b5f4e87,
title = "Neutron spectrometry using a simplified Bonner Sphere system",
abstract = "Het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) legt zich onder andere toe op het kwantificeren en karakteriseren van ioniserende stralingsdosissen waarbinnen neutronendosimetrie van belang is voor stralingsbescherming van werknemers. De huidige neutronendosimeters kunnen echter de beoogde nauwkeurigheid niet bieden aangezien neutronendosissen sterk energie- en hoekafhankelijk zijn en de energie{\"e}n van neutronenvelden op werkplekken met minstens 10 grootteordes vari{\"e}ren. Daarentegen worden wereldwijd Bonner Sfeer spectrometers gebruikt voor neutronenspectrometrie wegens hun nagenoeg isotrope resultaten in een breed energiegebied. Zo’n systeem bestaat uit een thermische neutronen detector omgeven door een tiental polyethylene sferen met verschillende diameters.Deze afstudeerstage beoogt het operationeel maken van een vereenvoudigd Bonner Sfeer (BS) systeem met een cilindrische He-3 thermische neutronen detector (type 70 061, VacuTec) in het midden van de sferen. Met enkel twee sferen dienen neutronen energie spectra geschat te worden vanaf thermische energie{\"e}n tot enkele MeV. Via dit spectrum moet het omgevingsdosisequivalent bepaald worden met een onzekerheid kleiner dan 50{\%}.Eerst werd de He-3 detector gekalibreerd en gekarakteriseerd via de thermische neutronenbundel van kanaal Z55 in de BR1 reactor van het SCK•CEN. Hierbij werd de kalibratiefactor bepaald binnen 2{\%}. Ten gevolge van elektronische verliezen was dit lager dan analoge simulaties met de Monte Carlo N-Particle eXtended (MCNPX) software. Daarna werd de gevoeligheid bij verschillende hoeken gemeten met twee opstellingen. De tweede opstelling veroorzaakte geen strooistraling in tegenstelling tot de eerste en leidde daarom tot betere resultaten in overeenstemming met de kalibratie en analoge simulaties.Vervolgens werden twee polyethylene Bonner Sferen met een diameter van 3 en 9 inch ontworpen en geconstrueerd. Het ontwerp voorziet de mogelijkheid om zowel de cilindrische als een sferische detector (type SP9, Centronic) met een geschikt hulpstuk in het centrum van de sferen te plaatsen. Helaas gebeurde er een vergissing bij de constructie van de 3” BS waardoor het centrum van de detector 15,25 mm afwijkt van het centrum van de sfeer en zo een kleine ruimte met lucht veroorzaakt. Aangezien dit werd meegenomen in de simulaties vormt dit geen probleem.Ook werden de energieresponsen voor de detector en beide Bonner Sferen gesimuleerd met MCNPX wat bevestigde dat het BS systeem een gevoeligheid biedt vanaf thermische energie{\"e}n tot enkele MeV.Verder werd via het operationele Bonner Sfeer systeem informatie achterhaald omtrent neutronen- spectra op verschillende posities in het Laboratorium voor Nucleaire Kalibraties (LNK) op het SCK•CEN. Hierbij werden 252Cf en 241AmBe neutronenbronnen gebruikt. Via de deconvolutiesoftware FRUIT (FRascati Unfolding Interactive Tool), werden neutronen energie spectra geschat vanaf thermische energie{\"e}n tot enkele MeV met een grote onzekerheid aangezien twee BS slechts beperkte informatie verschaffen. Dit BS systeem dient nog getest te worden in neutronenvelden op andere werkplekken. Ook kunnen andere deconvolutiecodes onderzocht worden.Daarenboven werd de gemiddelde omzettingsfactor van fluentie naar omgevingsdosisequivalent geschat via een empirische 9”/3” ratio methode en een complexere deconvolutiemethode met FRUIT. Voor het BS systeem op het SCK•CEN werd een 9”/3” ratio plot gecre{\"e}erd die een schatting binnen10{\%} levert. Gelijkaardige resultaten werden gevonden via FRUIT, met een verschil binnen 15{\%}.iiVia deze spectra werd het omgevingsdosisequivalente tempo bepaald met FRUIT waaruit bleek dat de referentiewaarden van het Laboratorium voor Nucleaire Kalibraties met 72{\%} onderschat werden. Hierdoor werd de beoogde onzekerheid van 50{\%} niet gehaald. Momenteel werd de precieze oorzaak nog niet achterhaald. Toch zijn er reeds indicaties dat de energieresponsen berekend via MCNPX aangepast moeten worden aangezien de experimentele resultaten 4 keer lager liggen dan theoretisch verwacht bij deze responsen. Het is dan ook aanbevolen om deze energieresponsen te verifi{\"e}ren via metingen met mono-energetische neutronen.Bovendien bleek de neutronenstrooistraling van de 252Cf bron op het LNK niet uniform verdeeld doordat de bron zich dicht bij de hoek van de kamer bevindt.Tot slot dient dit BS systeem operationeel gemaakt te worden voor de sferische SP9 detector van Centronic. Hiervoor moet deze detector zowel experimenteel als via MCNPX simulaties gekarakteriseerd worden. Ook dient er een geschikt hulpstuk ontworpen en geconstrueerd te worden dat in de Bonner Sferen past. Het is aangewezen om de responsies voor verschillende hoeken en energie{\"e}n te simuleren en te vergelijken met de cilindrische detector van VacuTec.",
keywords = "Bonner spheres, neutron dosimetry, neutron spectroscopy, proportional counter, mcnp",
author = "Lise Verbraeken and {Van Hoey}, Olivier and Filip Vanhavere and Lara Struelens",
note = "Score=2",
year = "2015",
month = "6",
day = "11",
language = "English",
publisher = "Fontys University of Applied Sciences",
school = "Fontys Hogescholen",

}

RIS - Download

TY - THES

T1 - Neutron spectrometry using a simplified Bonner Sphere system

AU - Verbraeken, Lise

A2 - Van Hoey, Olivier

A2 - Vanhavere, Filip

A2 - Struelens, Lara

N1 - Score=2

PY - 2015/6/11

Y1 - 2015/6/11

N2 - Het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) legt zich onder andere toe op het kwantificeren en karakteriseren van ioniserende stralingsdosissen waarbinnen neutronendosimetrie van belang is voor stralingsbescherming van werknemers. De huidige neutronendosimeters kunnen echter de beoogde nauwkeurigheid niet bieden aangezien neutronendosissen sterk energie- en hoekafhankelijk zijn en de energieën van neutronenvelden op werkplekken met minstens 10 grootteordes variëren. Daarentegen worden wereldwijd Bonner Sfeer spectrometers gebruikt voor neutronenspectrometrie wegens hun nagenoeg isotrope resultaten in een breed energiegebied. Zo’n systeem bestaat uit een thermische neutronen detector omgeven door een tiental polyethylene sferen met verschillende diameters.Deze afstudeerstage beoogt het operationeel maken van een vereenvoudigd Bonner Sfeer (BS) systeem met een cilindrische He-3 thermische neutronen detector (type 70 061, VacuTec) in het midden van de sferen. Met enkel twee sferen dienen neutronen energie spectra geschat te worden vanaf thermische energieën tot enkele MeV. Via dit spectrum moet het omgevingsdosisequivalent bepaald worden met een onzekerheid kleiner dan 50%.Eerst werd de He-3 detector gekalibreerd en gekarakteriseerd via de thermische neutronenbundel van kanaal Z55 in de BR1 reactor van het SCK•CEN. Hierbij werd de kalibratiefactor bepaald binnen 2%. Ten gevolge van elektronische verliezen was dit lager dan analoge simulaties met de Monte Carlo N-Particle eXtended (MCNPX) software. Daarna werd de gevoeligheid bij verschillende hoeken gemeten met twee opstellingen. De tweede opstelling veroorzaakte geen strooistraling in tegenstelling tot de eerste en leidde daarom tot betere resultaten in overeenstemming met de kalibratie en analoge simulaties.Vervolgens werden twee polyethylene Bonner Sferen met een diameter van 3 en 9 inch ontworpen en geconstrueerd. Het ontwerp voorziet de mogelijkheid om zowel de cilindrische als een sferische detector (type SP9, Centronic) met een geschikt hulpstuk in het centrum van de sferen te plaatsen. Helaas gebeurde er een vergissing bij de constructie van de 3” BS waardoor het centrum van de detector 15,25 mm afwijkt van het centrum van de sfeer en zo een kleine ruimte met lucht veroorzaakt. Aangezien dit werd meegenomen in de simulaties vormt dit geen probleem.Ook werden de energieresponsen voor de detector en beide Bonner Sferen gesimuleerd met MCNPX wat bevestigde dat het BS systeem een gevoeligheid biedt vanaf thermische energieën tot enkele MeV.Verder werd via het operationele Bonner Sfeer systeem informatie achterhaald omtrent neutronen- spectra op verschillende posities in het Laboratorium voor Nucleaire Kalibraties (LNK) op het SCK•CEN. Hierbij werden 252Cf en 241AmBe neutronenbronnen gebruikt. Via de deconvolutiesoftware FRUIT (FRascati Unfolding Interactive Tool), werden neutronen energie spectra geschat vanaf thermische energieën tot enkele MeV met een grote onzekerheid aangezien twee BS slechts beperkte informatie verschaffen. Dit BS systeem dient nog getest te worden in neutronenvelden op andere werkplekken. Ook kunnen andere deconvolutiecodes onderzocht worden.Daarenboven werd de gemiddelde omzettingsfactor van fluentie naar omgevingsdosisequivalent geschat via een empirische 9”/3” ratio methode en een complexere deconvolutiemethode met FRUIT. Voor het BS systeem op het SCK•CEN werd een 9”/3” ratio plot gecreëerd die een schatting binnen10% levert. Gelijkaardige resultaten werden gevonden via FRUIT, met een verschil binnen 15%.iiVia deze spectra werd het omgevingsdosisequivalente tempo bepaald met FRUIT waaruit bleek dat de referentiewaarden van het Laboratorium voor Nucleaire Kalibraties met 72% onderschat werden. Hierdoor werd de beoogde onzekerheid van 50% niet gehaald. Momenteel werd de precieze oorzaak nog niet achterhaald. Toch zijn er reeds indicaties dat de energieresponsen berekend via MCNPX aangepast moeten worden aangezien de experimentele resultaten 4 keer lager liggen dan theoretisch verwacht bij deze responsen. Het is dan ook aanbevolen om deze energieresponsen te verifiëren via metingen met mono-energetische neutronen.Bovendien bleek de neutronenstrooistraling van de 252Cf bron op het LNK niet uniform verdeeld doordat de bron zich dicht bij de hoek van de kamer bevindt.Tot slot dient dit BS systeem operationeel gemaakt te worden voor de sferische SP9 detector van Centronic. Hiervoor moet deze detector zowel experimenteel als via MCNPX simulaties gekarakteriseerd worden. Ook dient er een geschikt hulpstuk ontworpen en geconstrueerd te worden dat in de Bonner Sferen past. Het is aangewezen om de responsies voor verschillende hoeken en energieën te simuleren en te vergelijken met de cilindrische detector van VacuTec.

AB - Het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) legt zich onder andere toe op het kwantificeren en karakteriseren van ioniserende stralingsdosissen waarbinnen neutronendosimetrie van belang is voor stralingsbescherming van werknemers. De huidige neutronendosimeters kunnen echter de beoogde nauwkeurigheid niet bieden aangezien neutronendosissen sterk energie- en hoekafhankelijk zijn en de energieën van neutronenvelden op werkplekken met minstens 10 grootteordes variëren. Daarentegen worden wereldwijd Bonner Sfeer spectrometers gebruikt voor neutronenspectrometrie wegens hun nagenoeg isotrope resultaten in een breed energiegebied. Zo’n systeem bestaat uit een thermische neutronen detector omgeven door een tiental polyethylene sferen met verschillende diameters.Deze afstudeerstage beoogt het operationeel maken van een vereenvoudigd Bonner Sfeer (BS) systeem met een cilindrische He-3 thermische neutronen detector (type 70 061, VacuTec) in het midden van de sferen. Met enkel twee sferen dienen neutronen energie spectra geschat te worden vanaf thermische energieën tot enkele MeV. Via dit spectrum moet het omgevingsdosisequivalent bepaald worden met een onzekerheid kleiner dan 50%.Eerst werd de He-3 detector gekalibreerd en gekarakteriseerd via de thermische neutronenbundel van kanaal Z55 in de BR1 reactor van het SCK•CEN. Hierbij werd de kalibratiefactor bepaald binnen 2%. Ten gevolge van elektronische verliezen was dit lager dan analoge simulaties met de Monte Carlo N-Particle eXtended (MCNPX) software. Daarna werd de gevoeligheid bij verschillende hoeken gemeten met twee opstellingen. De tweede opstelling veroorzaakte geen strooistraling in tegenstelling tot de eerste en leidde daarom tot betere resultaten in overeenstemming met de kalibratie en analoge simulaties.Vervolgens werden twee polyethylene Bonner Sferen met een diameter van 3 en 9 inch ontworpen en geconstrueerd. Het ontwerp voorziet de mogelijkheid om zowel de cilindrische als een sferische detector (type SP9, Centronic) met een geschikt hulpstuk in het centrum van de sferen te plaatsen. Helaas gebeurde er een vergissing bij de constructie van de 3” BS waardoor het centrum van de detector 15,25 mm afwijkt van het centrum van de sfeer en zo een kleine ruimte met lucht veroorzaakt. Aangezien dit werd meegenomen in de simulaties vormt dit geen probleem.Ook werden de energieresponsen voor de detector en beide Bonner Sferen gesimuleerd met MCNPX wat bevestigde dat het BS systeem een gevoeligheid biedt vanaf thermische energieën tot enkele MeV.Verder werd via het operationele Bonner Sfeer systeem informatie achterhaald omtrent neutronen- spectra op verschillende posities in het Laboratorium voor Nucleaire Kalibraties (LNK) op het SCK•CEN. Hierbij werden 252Cf en 241AmBe neutronenbronnen gebruikt. Via de deconvolutiesoftware FRUIT (FRascati Unfolding Interactive Tool), werden neutronen energie spectra geschat vanaf thermische energieën tot enkele MeV met een grote onzekerheid aangezien twee BS slechts beperkte informatie verschaffen. Dit BS systeem dient nog getest te worden in neutronenvelden op andere werkplekken. Ook kunnen andere deconvolutiecodes onderzocht worden.Daarenboven werd de gemiddelde omzettingsfactor van fluentie naar omgevingsdosisequivalent geschat via een empirische 9”/3” ratio methode en een complexere deconvolutiemethode met FRUIT. Voor het BS systeem op het SCK•CEN werd een 9”/3” ratio plot gecreëerd die een schatting binnen10% levert. Gelijkaardige resultaten werden gevonden via FRUIT, met een verschil binnen 15%.iiVia deze spectra werd het omgevingsdosisequivalente tempo bepaald met FRUIT waaruit bleek dat de referentiewaarden van het Laboratorium voor Nucleaire Kalibraties met 72% onderschat werden. Hierdoor werd de beoogde onzekerheid van 50% niet gehaald. Momenteel werd de precieze oorzaak nog niet achterhaald. Toch zijn er reeds indicaties dat de energieresponsen berekend via MCNPX aangepast moeten worden aangezien de experimentele resultaten 4 keer lager liggen dan theoretisch verwacht bij deze responsen. Het is dan ook aanbevolen om deze energieresponsen te verifiëren via metingen met mono-energetische neutronen.Bovendien bleek de neutronenstrooistraling van de 252Cf bron op het LNK niet uniform verdeeld doordat de bron zich dicht bij de hoek van de kamer bevindt.Tot slot dient dit BS systeem operationeel gemaakt te worden voor de sferische SP9 detector van Centronic. Hiervoor moet deze detector zowel experimenteel als via MCNPX simulaties gekarakteriseerd worden. Ook dient er een geschikt hulpstuk ontworpen en geconstrueerd te worden dat in de Bonner Sferen past. Het is aangewezen om de responsies voor verschillende hoeken en energieën te simuleren en te vergelijken met de cilindrische detector van VacuTec.

KW - Bonner spheres

KW - neutron dosimetry

KW - neutron spectroscopy

KW - proportional counter

KW - mcnp

UR - http://ecm.sckcen.be/OTCS/llisapi.dll/open/9269897

M3 - Master's thesis

PB - Fontys University of Applied Sciences

ER -

ID: 735348