Semiconductor detector study for detecting fusion neutrons using
geant4 simulations

Καπερώνη, Καλλιόπη; Kaperoni, Kalliopi

dc.contributor.author	Καπερώνη, Καλλιόπη	el
dc.contributor.author	Kaperoni, Kalliopi	en
dc.date.accessioned	2022-10-31T11:42:45Z
dc.date.available	2022-10-31T11:42:45Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56049
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23747
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	GEANT4	en
dc.subject	Response Function	en
dc.subject	Semiconductors	en
dc.subject	Neutron Detectors	en
dc.subject	SiC	en
dc.subject	Ανιχνευτές Νετρονίων	el
dc.subject	Ημιαγωγοί	el
dc.subject	Προσομοιώσεις Monte Carlo	el
dc.subject	Τεχνικές Biasing	el
dc.subject	Απόδοση Ανιχνευτή	el
dc.title	Semiconductor detector study for detecting fusion neutrons using geant4 simulations	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Nuclear Physics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-13
heal.abstract	Οι ακριβείς μελέτες νετρονίων σε αντιδραστήρες σύντηξης είναι απαραίτητες ώστε να καθοριστεί η εξέλιξη της αντίδρασης καθώς και θέματα ασφαλείας. Οι ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες ενός τέτοιου αντιδραστήρα, όπως ο πειραματικός αντιδραστήρας ITER που αναπτύσεται αυτή τη στιγμή, απαιτούν ανθεκτικά διαγνωστικά συστήματα τα οποία να αντέχουν τις υψηλές ροές ακτινοβολίας, θερμοκρασίες μέχρι 340◦C και ισχυρά μαγνητικά πεδία. Πολλά διαγνωστικά συστήματα έχουν προταθεί για να εγκατασταθούν σε ένα τέτοιο αντιδραστήρα και ένα από αυτά είναι οι ανιχνευτές ημιαγωγών νετρονίων, οι οποίοι επιδεικνύουν πολλά υποσχόμενα χαρακτηριστικά ως αναφορά την λειτουργία τους σε τέτοιες συνθήκες. Το πυρίτιο Si, το διαμάντι (C) και το SiC αποτελούν τα πιο μελετημένα και αναμενόμενα υλικά για την κατασκευή ανιχνευτών με υψηλή απόδοση και ανθεκτικότητα στην ακτινοβόληση. Ο αντιδραστήρας ITER αναμένεται να λειτουργήσει με καύσιμο D-D για το προσεχές μέλλον, έτσι η ανίχνευση 2.45MeV νετρονίων με κατάλληλους ανιχνευτές είναι υψηλής και άμεσης σημασίας. Στην παρούσα εργασία έγινε η μελέτη της αλληλεπίδρασης των νετρονίων ενέργειας 2.45MeV με ανιχνευτές πυριτίου διαμαντιού και SiC, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις GEANT4, με σκοπό να συγκριθεί η συνάρτηση απόκρισης τους. Μια πειραματική μελέτη θα ακολουθήσει στην εγκατάσταση παραγωγής νετρονίων του επιταχυντή TANDEM στο Ι.Π.Σ.Φ του ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος", με ανιχνευτές που θα προμηθευτούν από την κατασκευαστική εταιρία CIVIDEC GmbH, οπότε η γεωμετρία των προσομοιώσεων χτίστηκε ανάλογα. Με σκοπό να γίνει η σωστή αναπαράσταση της απόκρισης των ανιχνευτών, η δέσμη νετρονίων πρέπει να είναι όσο πιο ρεαλιστική γίνεται. Στο πείραμα τα νετρόνια θα παραχθούν μέσω αντιδράσεων 3H(p, n) σε έναν στόχο TiT παράγοντας μια ημιμονοεργειακή δέσμη νετρονίων 2.45MeV. Λόγω της χαμηλής ενεργού διατομής της αν τίδρασης εφαρμόστηκαν μεροληπτικές τεχνικές στην προσομοίωση ώστε να αυξηθεί ο αριθμός των γεγονότων και έτσι να παραχθεί μια ρεαλιστική δέσμη νετρονίων. ́Οταν αυτή η δέσμη αλληλεπιδρά με το επιλεγμένο υλικό του ανιχνευτή η στατιστική συνεχίζει να είναι εξαιρετικά χαμηλή έτσι υπήρχε μεγάλη ανάγκη για εφαρμογή περαιτέρω μεροληπτικών τεχνικών στα δευτερογενή νετρόνια στον όγκο του ανιχνευτή. Η εφαρμογή αυτών των τεχνικών και στην παραγωγή και στην ανίχνευση νετρονίων προσθέτει ένα συστηματικό σφάλμα στα τελικά φάσματα και αποκλίσεις από την αναλογική περίπτωση. Πραγματοποιήθηκε μια πληθώρα από ελέγχους για την επιλογή του κατάλληλου πολλαπλασιαστικού παράγοντα στα πρωτόνια και στα νετρόνια, περιορίζοντας την απόκλιση στα 15%. Τέλος παρουσιάζεται η απόδοση και η συνάρτηση απόκρισης για τον ανιχνευτη με C και SiC. Οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν, οι παράμετροι που επηρεάζουν τον πολλαπλασιαστικό παράγοντα καθώς και τα κύρια αποτελέσματα και οι μελλοντικές προοπτικές θα παρουσιαστούν και θα συζητηθούν.	el
heal.abstract	Accurate measurements of neutrons in fusion reactors are essential, in order to determine the feasibility and progress of the reaction as well as safety issues. The extreme environmental conditions of such a reactor, like the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), which is developed at the moment, require resilient diagnostic systems, withstanding high radiation fluxes, temperatures up to 340°C and strong magnetic fields. A number of diagnostic systems are proposed to be installed in such a facility, one of which is based on the semiconductor neutron detectors which exhibit promising characteristics for operation in such conditions. Silicon, Diamond and Silicon Carbide are the most studied and anticipated materials for constructing detectors with high efficiency and irradiation resistance. The ITER fusion reactor is expected to run D-D plasma measurements in the near future, so the detection of 2.45MeV neutrons with appropriate detectors is of great and immediate importance. In the present work the study of the interaction of 2.45MeV neutrons interactions with a silicon, diamond and silicon carbide detector was made, using GEANT4 simulations, in order to compare their response function. An experimental study will follow at the neutron production facility of the TANDEM accelerator of the I.N.P.P. of the NCSR “Demokritos”, with detectors provided by CIVIDEC Instrumentation GmbH, so the geometry of the simulations was built accordingly. In order to properly simulate the detector responses, the neutron beam needs to be as realistic as possible. For the experiment the neutrons will be produced via 3H(p,n) reactions in a TiT target producing a quasi-monoenergetic neutron beam of 2.45MeV. Due to the low cross section of the reaction, biasing techniques were implemented in the simulation to increase the counting rate and thus producing a realistic neutron beam. When this beam interacts with the chosen detector material, the statistics continue to be extremely low, so the need arose for further biasing the secondary neutron particles inside each detector. Implementing biasing techniques both in neutron production and detection adds a systematic error to the resulting spectra and a deviation from the unbiased case. Various tests for choosing the suitable biasing factor were performed both in proton and neutron biasing confining the deviation at mostly 15\%. Finally the efficiency and the response function for the C, SiC detector is presented. The performed tests, the parameters affecting the choice of biasing factor, the main results and future perspectives will be shown.	en
heal.advisorName	Μαρία, Διακάκη	el
heal.committeeMemberName	Μιχάλης, Κόκκορης	el
heal.committeeMemberName	Μιχάλης, Αξιώτης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	84 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false