• No results found

Optimization of Equipment for Tomographic Measurements of Void Distributions using Fast Neutrons

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Optimization of Equipment for Tomographic Measurements of Void Distributions using Fast Neutrons"

Copied!
44
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

O

PTIMIZATION OF EQUIPMENT FOR TOMOGRAPHIC MEASUREMENTS OF VOID  DISTRIBUTIONS USING FAST NEUTRONS 

 

  BY

 

P

ETER 

A

NDERSSON

 

 

Abstract 

This  licentiate  thesis  describes  a  novel  nondestructive  measuring  technique  for  determining  spatial  distributions  of  two‐phase  water  flows.  In  Boiling  Water Reactors,  which compose  the  majority  of  the  world’s  commercial  nuclear  reactors,  this  so  called  void  distribution  is  of  importance for safe operation.  

The presented measurement technique relies on fast neutron transmission tomography using  portable  neutron  generators.  Varying  hardware  options  for  such  an  instrument  based  on  this  technique  and  a  prototype  instrument,  which  is  under  construction,  are  described.  The  main  design  parameters  are  detailed  and  motivated  from  a  performance  point  of  view.  A  Pareto  multiple  objective  optimization  of  the  count  rate  and  image  unsharpness  is  presented.  The  resulting  instrument  design  comprises  an  array  of  plastic  scintillators  for  neutron  detection.  Such detector elements allow for spectroscopic data acquisition and  subsequent reduction of  background events at low energy by means of introducing an energy threshold in the analysis.  The  thesis  includes  two  papers:  In  paper  I,  the  recoil  proton  energy  deposition  distribution  resulting  from  the  interaction  of  the  incoming  neutrons  is  investigated  for  thin  plastic  scintillator elements. It is shown that the recoil proton losses have a large effect on the pulse  height distribution and the intrinsic neutron detection efficiency is calculated for varying energy  thresholds.  

In  paper  II  the  performance  of  the  planned  FANTOM  device  is  investigated  using  the  particle  transport  code  MCNP5.  An  axially  symmetric  phantom  void  distribution  is  modeled  and  the  reconstruction is compared with the correct solution. According to the solutions, the phantom  model can be reconstructed with 10 equal size ring‐shaped picture elements, with a precision  of better than 5 void percent units using a deuterium‐tritium neutron generator with a yield of  3 · 10  neutrons per second and a measurement time of 13 h. However, it should be noted that  commercial  neutron  generators  with  a  factor  of  10   higher  yields  exist  and  that  the 

(2)

measurement time could decrease to less than a minute if such a neutron generator would be  utilized. 

(3)

List of Papers 

This licentiate thesis includes two papers, which are referenced to in the text by their roman  number.  I. Effects of proton escape on detection efficiency in thin scintillator elements and its  consequences for optimization of fast‐neutron imaging  P. Andersson, H. Sjöstrand, S. Jacobsson Svärd. Nuclear Instrumentation and Methods in  Physics Research, Section A, 2010  My contribution: I developed the technique. I wrote the paper.     II. Neutron Tomography for Void Distribution Measurements  P. Andersson, S. Jacobsson Svärd, H. Sjöstrand. ENC Transactions, European Nuclear  Conference, 2010   My contribution: I developed the technique. I wrote the paper.        

 

(4)

 

Contents 

OPTIMIZATION OF EQUIPMENT FOR TOMOGRAPHIC MEASUREMENTS OF VOID DISTRIBUTIONS USING FAST  NEUTRONS ... 1  Abstract ... 1  List of Papers ... 3  Contents ... 4  1.  Introduction ... 6  1.1.  Void Distributions in Light Water Reactors ... 6  1.2.  Tomography ... 8  1.3.  Neutron Transmission Tomography ... 9  1.4.  Interactions of Neutrons with Matter and Neutron Detection ... 9  1.5.  Measurement Quality ... 10  2.  Neutron Tomography using Portable Neutron Sources ... 11  2.1.  Portable Neutron Sources ... 11  2.2.  Selection of Neutron Energy ... 12  2.3.  Measurement Geometry ... 14  2.4.  Collimation ... 14  2.5.  Fast‐Neutron Detectors ... 16  2.5.1.  Scintillator screens with CCD cameras ... 17  2.5.2.  Fast‐neutron fission chambers ... 17  2.5.3.  Neutron converting screens with gaseous electron multipliers (GEMs) or  semiconductor flat panel detectors ... 17  2.5.4.  Multichannel plates, MCP ... 18  2.5.5.  Scintillator elements with photomultiplier tubes (PMTs) ... 18  3.  Construction of the FANTOM device for void distribution measurements ... 22  3.1.  The FANTOM device ... 22  3.1.1.  Asymmetric spatial resolution requirements. ... 23  3.1.2.  Axially symmetric objects ... 23 

(5)

3.2.  Setting the parameters of importance for constructing an instrument setup ... 24  3.2.1.  Design and performance parameters ... 24  3.2.2.  Setting l ... 26  3.2.3.  Setting the design parameters, F, d1, d2 ... 27  4.  Summary of Paper I ... 32  5.  Summary of Paper II ... 36  6.  Conclusions ... 38  7.  Discussion and Outlook ... 38  7.1.  The Background Signals ... 38  7.2.  Tomography of Dynamic Properties ... 39  7.3.  Construction ... 39  8.  Acknowledgements ... 40  9.  References ... 42     

 

(6)

1. Introduction 

This  licentiate  thesis  explores  an  innovative  non‐destructive  measurement  technique  that  addresses  measurements  of  void  distributions,  which  are  of  importance  for  the  safety  and  efficiency of Boiling Water Reactors (BWRs) that is a common type of commercial reactor.  The  measurement  technique  under  study  is  tomography  using  fast  neutrons  from  portable  neutron  generators.  Tomography  means  that  external  measurements  are  performed  to  describe the inner properties of an object. The main purpose of this technique is measurements  of  void  distributions  (see  section  1.1)  in  full  scale  mock‐ups  of  BWR  fuel  bundles.  Such  measurements  are  important  to  perform  in  order  to  get  an  understanding  on  the  void  distribution and its implications on safety parameters such as Critical Heat Flux (CHF), which is  limiting the power outtake of nuclear reactors.  

In section 2 of this thesis, the fundamental components of a fast neutron tomography device  are described. Different hardware options are briefly explained. In section 3 the FANTOM (Fast  Neutron  TOMography)  instrument,  which  is  under  construction,  is  introduced.  The  various  aspects  of  importance  for  this  experimental  device  are  described  and  design  parameters  are  detailed and motivated from a performance point of view. The FANTOM instrument is intended  for  evaluation  of  the  concept  and  methods  of  fast  neutron  tomography  of  void  distributions.  After the preparatory phase, the FANTOM device is planned to be used in investigations ,e.g., at  the HWAT test loop [1] in the Royal Institute of Technology in Stockholm.  

1.1. Void Distributions in Light Water Reactors  

Void is defined as the volume fraction of steam in a two‐phase flow of liquid water and steam.  The void distribution is of major importance in Boiling Water nuclear Reactors (BWRs), where  water  acts  as  both  coolant  of  the  fuel  and  moderator  of  the  neutron  flux.  Therefore,  good  knowledge about the void distribution in reactors is important for achieving efficient and safe In  Core Fuel Management (ICFM) [2].  

The ability of a two‐phase flow to cool the LWR fuel decreases drastically at the critical heat flux  (CHF),  where  a  small  increase  of  the  heat  flux  causes  a  large  increase  of  the  fuel  wall  temperature. The reason for this is that at the CHF the heat from the fuel causes boiling of the  surrounding  water  at  such  amounts  that  no  water  remains  to  cool  the  fuel  wall.  This  is  a  process called dry‐out and it might cause damage of the fuel, in which case the integrity of the  fuel  is  jeopardized.  Because  the  integrity  of  the  fuel  is  considered  to  be  one  of  the  barriers  which protect the public from the radiotoxic fission products, great efforts are made to avoid  reaching CHF. Furthermore, if the fuel is damaged, the reactor has to be shut down until the  damaged fuel has been identified and possibly replaced, causing great economical loss due to  loss of production. 

(7)

Two‐phase  water  flows  develop  in  different  flow  regimes,  illustrated  in  Figure  1,  and  the  mechanisms  leading  to  CHF  differ  as  a  consequence  of  the  regimes  [3].    In  bubbly  flows  (1a)  bubbles  might  crowd  in  a  boundary  layer  close  to  the  wall,  thereby  preventing  liquid  water  from accessing the wall in the same rate as it is vaporized. In annular flows (1d) the liquid water  film might dry out due to evaporation and entrainment of droplets in the steam column.      Figure 1. Two‐phase flow regimes in vertical pipe: (a) bubbly flow, (b) slug flow, (c) churn flow and (d) annular flow [4].    Since knowledge about the onset conditions of overheating is essential for the safe design and  operation  of  reactors  [5],  there  are  several  thermal  hydraulics  test  loops  in  the  world,  where  critical  heat  flux  is  studied  with  electric  heating.  There  are  test  loops  both  with  simplified  geometries,  such  as  cylindrical  or  rectangular  cross  sections,  and  test  loops  that  simulate  nuclear fuel geometries. The latter test loops can consist of  concentric cylinders [1] to simulate  a single fuel rod or of full scale models of fuel assemblies [6]. CHF can be identified in these test  loops by a sharp increase in wall temperature which is measured by thermocouples. Additional  knowledge of the void distribution would be an important contribution for understanding the  onset mechanisms.   Furthermore, the void distribution determines the moderation in a real reactor fuel assembly,  which determines the power distribution. Consequently, knowledge of the void distribution can  be  used  to  enhance  the  predictive  capabilities  of  the  core  simulations  used  at  nuclear  power  plants.  Since  the  void  distribution  is  a  complex  function  of  fuel  geometry,  fuel  power  distribution  and  spacers,  it  is  not  easily  calculated.  Measurements  of  the  void  distribution  in  thermal hydraulic test loops would be a valuable tool for evaluating and improving this type of  calculations.  Many techniques have been applied or suggested for measuring the distribution of the phases  in multiphase flows. Some of them utilize intrusive probes such as wire‐mesh sensors [7]. There  are also several non‐intrusive techniques that can be used for multi‐phase flow measurements,  such as tomography using a wide range of techniques; gamma [6], X‐ray [8], NMR [9], electric 

(8)

impedance  tomography  [10],  optical  tomography  [10]  and  neutrons  [11],[12].  This  thesis  will  not go into detail on all these techniques but rather concentrate on fast‐neutron tomography. 

1.2. Tomography 

The  term  tomography  covers  a  variety  of  techniques  for  imaging  the  interior  of  objects  by  making  external  measurements  and  applying  reconstruction  algorithms.  Tomography  first  found use in medicine, where a number of different tomographic techniques are available, such  as  Computed  Tomography  (CT),  Positron  Emission  Tomography  (PET)  and  Single  Photon  Emission Computed Tomography (SPECT). The first brain X‐ray CT scan was performed in 1969  [13]. The inventions in this area by G. Hounsfield and A. Cormack were awarded the 1979 Nobel  Prize  in  Medicine.  Subsequently,  tomography  has  been  exploited  in  other  fields,  such  as  nondestructive testing, failure search, etc.  

In a CT measurement the object is probed with a beam of radiation from an external source and  the  intensity  transmitted  through  the  object  is  measured.  This  technique  is  sometimes  called  transmission  tomography,  which  is  more  describing  since  all  tomographic  techniques  require  computation.  Traditionally,  X‐rays  have  been  used  in  CT.  However,  neutrons  are  used  in  the  technique described in this thesis.  

The  image  reconstruction  is  based  on  the  attenuation  in  each  line  of  sight.  This  can  be  calculated since the penetrating intensity depends exponentially on the attenuation along the  path according to Beer’s law, see Eq.  1             Eq.  1  Here, S is the signal intensity in the detector, S0 is the reference signal intensity when no object  is present, the so called flat‐field intensity,   is the projection of the linear attenuation  coefficient, µ, of the object in the path of the radiation in the cross section plane of the object  and    is  the  position  vector.    A  large  number  of  data  points  are  acquired  by  using  many  detectors at different positions and by rotating the object relative to the equipment, see Figure  2.  

(9)

 

Figure  2.  Illustration  of  a  fan  beam  measurement  geometry  and  the  recording  of  a  projection  using  a  large  number  of  detector elements, Nd. Object rotation relative to the source‐detector system is required to achieve additional projections.  The number of rotational increment is denoted Nф. The internal attenuation distribution is reconstructed based on the Nd *  Nф data points recorded.  If all possible projections are known, the internal attenuation can be reconstructed analytically  using the inverse Radon transform [14]. In practice, the data is discretized and can be solved by  back‐projection, convolution or iterative reconstruction methods [14].     1.3. Neutron Transmission Tomography 

Over  the  last  decades  Neutron  Transmission  Tomography  (NTT)  has  been  developed  as  an  alternative to traditional x‐ray CT in nondestructive testing. One of the main advantages of NTT  is the relatively large neutron cross sections of some light elements, such as hydrogen. Because  of this, NTT is sensitive to hydrogen‐rich materials such as water and plastic, to which X‐rays are  insensitive. This sensitivity to hydrogen makes NTT an interesting concept for void distribution  measurements in two‐phase flows of water. 

World leading neutron  tomography facilities such as those  at the Paul  Scherrer Institute (PSI)  [15] or Forschungsreaktor München II (FRM II) [16] utilize strong neutron sources; a spallation  source  or  a  research  reactor.    High‐performance  neutron  tomography  has  not  yet  been  demonstrated  using  mobile  neutron  sources.  However,  in  the  case  of  void  distribution  measurements at the two‐phase test loops described above, the objects are immobile and thus  the neutron source has to be mobile.   

1.4. Interactions of Neutrons with Matter and Neutron Detection 

Neutrons  are  uncharged  particles  and  are  not  continuously  slowed  down  in  matter  by  the  Coulomb  force,  such  as  charged  particles.  Therefore,  neutrons  may  pass  through  many 

(10)

centimeters  of  material  without  any  interaction,  making  the  radiation  difficult  to  shield  or  detect. However, occasionally, the neutrons undergo an interaction with nuclear matter due to  the strong force, whereby a range of reactions can occur, including the following:  • Elastic scattering (n, n)  • Inelastic scattering (n, n´)  • Radiative capture (n,γ)  • Induced fission (n, f)  • Proton emission (n, p)  • Alpha emission (n, α) 

For  slow  neutrons  (energy    0.5  eV),  the  dominant  reactions  are  elastic  scattering  (n,n)  and  radiative  capture  (n,γ).  For  fast  neutrons  (energy  >  0.5  eV),  the  probabilities  of  most  of  the  neutron‐induced reactions decrease as the energy increases. Scattering becomes the dominant  reaction.  When  the  neutron  energy  is  high  enough,  inelastic  scattering  becomes  possible,  where  the  scattered  nucleus  is  in  an  excited  state  after  the  collision.  The  nucleus  is  then  de‐ excited through emission of a gamma radiation. Since the fast neutron loses energy through the  scattering reaction, the flux of neutrons is gradually moderated (slowed down).  As the neutron  is moderated, the reactions that are dominant for slow neutrons increase in importance. [17]   It  should  be  noted  that  in  the  case  of  neutron  detection  for  fast‐neutron  tomography,  the  secondary gammas can be a source of background signals if the detector is sensitive to gamma.  Furthermore,  only  the  unscattered  neutron  flux  is  adequately  treated  by  traditional  transmission  tomography  techniques.  Therefore,  also  the  scattered  neutron  flux  might  be  considered to contribute to the background.  

For detection of slow neutrons, none of the dominant reactions are very useful since very little  energy  is  transferred  to  the  recoil  energy  in  the  scattering  and  the  gamma  is  also  difficult  to  detect. Other, material specific, reactions are more commonly used in slow neutron detectors  where the secondary radiation is charged particles. Examples of such are protons (n,p), alpha  (n,α)  and  fission  (n,f).  [17]  For  detection  of  fast  neutrons,  as  opposed  to  slow  neutrons,  scattering might be used for detection of fast neutrons since it can give detectable amounts of  energy to the recoil particle. [17] 

1.5. Measurement Quality 

An  important  aspect  of  measurements  is  the  determination  of  the  quality  of  the  results.  The  quality of the results in imaging applications, such as radiography or tomography, cannot easily  be  expressed  without  an  understanding  of  the  concepts  involved  in  imaging.  Each  pixel  in  a  reconstruction of the void or other properties, such as density or attenuation, is an individual  estimate of a real physical quantity, and the deviation between the real value and the estimate 

(11)

can  simply  be  defined  as  the  measurement  error.  However,  it  is  difficult  to  make  a  general  quantification of this error.   Instead, three principally different sub‐categories of image quality are used in this thesis.  • Accuracy   • Precision   • Unsharpness  The accuracy is defined as the systematic, reproducible deviation between the real quantity and  the estimate. The precision is defined as the irreproducible fluctuations of the estimate, due to  stochastic properties, such as the counting statistics in ionizing radiation detectors. The image  unsharpness  causes  small  features  in  the  object  to  be  smeared  out  over  a  larger  area  in  the  image and can be quantified as the distance in the image over which a sharp edge in the object  is represented. See Figure 3 for visual illustration of unsharpness.    Figure 3. Attenuation profile of two concentric cylinders affected by image unsharpness. Red data points are the real physical  quantities and blue data points are affected by unsharpness. 

2. Neutron Tomography using Portable Neutron Sources 

2.1. Portable Neutron Sources  The most important component in an NTT instrument is the neutron source. Generally, there  are two available types of small‐size neutron sources that can be utilized in portable devices;  • radionuclides, such as 252 Cf, 

• sealed  tube  neutron  generators  (NG),  utilizing  fusion  reactions  between  Deuterium‐ Deuterium (DD) or Deuterium‐Tritium (DT).  0 20 40 60 0 5 10 15 Detector Position A tt enuat io n [ a .u .]

(12)

NGs have the advantage that they can be turned off while radionuclides cannot. Therefore, NGs  are  more  practical  in  a  working  environment.  NGs  using  DT  fusion  contain  the  radionuclide  tritium, which has a half‐life of 12 years and is hazardous if inhaled or ingested. However, the  beta  radiation  from  its  decay  is  easily  shielded  in  any  containment.  Furthermore,  neutron  generators are quasi‐mono energetic, which can be exploited for scattered neutron background  rejection, while radionuclides emit neutrons with a wide energy spectrum. 

The  central  component  of  a  portable  neutron  generator  is  a  linear  accelerator  which  accelerates one  of  the  reactant  ions,  normally  Deuterium.  The  accelerated  ions  fuse  with  the  other  reactant  (Deuterium  or  Tritium)  embedded  in  a  metal  hydride  target.  The  following  neutron‐producing reactions take place:  

:       17.6   

:          3.3   

Due  to  the  low  mass  of  the  neutrons,  they  carry  the  majority  of  the  released  energy  in  the  reactions;  2.5  MeV  from  DD  fusion  and  14.1  MeV  from  DT  fusion.  The  neutrons  are  emitted  isotropically  in  the  CM  system  of  the  reactants.  In  the  Lab  system,  the  neutrons  are  emitted  close to isotropically, provided that the kinetic energy is low (normally  ~100 keV). 

The neutron yield of mobile neutron generators is typically in the range of 108 to 1011 n s‐1. At a  distance of 1 m this implies a flux of 103 to 106 ns‐1cm‐1.This is very low compared to spallation  and  reactor  sources,  where  a  flux  of  108  n  s‐1cm‐2  is  available  [18].    Therefore,  a  NTT  system  based  on  a  portable  source  needs  to  be  constructed  with  a  geometry  and  a  detector  system  that makes efficient use of the low neutron flux. Otherwise, the low flux must be compensated  for by prolonging the measurement times.  

2.2. Selection of Neutron Energy 

Measurements  of  void  distributions  requires  high  contrast  of  the  water,  which  requires  large  reaction  cross  sections  of  the  hydrogen  and  oxygen  as  compared  to  other  materials  for  the  selected probe. As mentioned above, NTT is often chosen when high contrast of hydrogen‐rich  materials is desired. This feature of neutrons is less pronounced when fast‐neutrons are used  instead  of  thermal,  since  the  fast‐neutron  cross  sections  of  different  materials  are  more  uniform. As shown in Figure 4, the cross sections are also generally smaller in the fast spectrum  than in the thermal. Additionally, the sensitivity to hydrogen relative to structure materials of a  two‐phase  test  loop  such  as  iron  and  zirconium  is  smaller  for  fast  neutrons  than  for  thermal  neutrons.  However,  the  sensitivity  to  hydrogen  in  an  iron  or  zirconium  environment  is  still  better using fast neutrons than using photons, such as 667 keV gamma from the decay chain of  137

(13)

 

Figure 4. Total reaction cross sections of elements 1H, 8O, 26Fe and 40Zr. (average of isotopes weighted by natural occurance) 

Each  circular  area  represents  the  microscopic  cross  section  of  that  element.  Thermal  neutrons,  gamma  and  X‐ray  cross  sections are added for comparison to the fast neutron cross sections. Note that because the zirconium X‐ray cross section is  too large to fit in the figure, it has been excluded. 

The neutrons emitted in both the DD and the DT reactions are fast. If it would be desirable, a  moderator could be used to achieve a thermal spectrum. In this process, the neutrons would  diffuse  to  a  relatively  large  moderator  volume,  and  a  pin‐hole  geometry  would  be  needed  to  meet  any  requirements  of  spatial  resolution  in  such  a  setup.  Because  this  would  reduce  the  already  low  flux  of  neutrons  even  further,  the  chosen  strategy  for  FANTOM  is  to  use  fast  neutrons as the probe, and moderation is not planned for.  

Optimally,  the  selected  probe  (neutrons  or  gamma)  interacts  in  the  object  by  absorption,  so  that  the  interacting  particles  are  removed  from  the  penetrating  flux.  However,  for  fast  neutrons,  scattering  is  the  dominant  type  of  interaction.  Therefore,  the  beam  intensity  is  not  following  the  exponential  decrease  predicted  by  Eq.  1.;  there  is  an  additional  term  from  scattered neutrons with their origin far from the nominal lines of sight of the detector element  that register them. This increases the overall count‐rate in the detector, as compared to what is  expected  from  Eq.  1.  Consequently,  this  additional  flux  would  make  the  object  appear  less  attenuating, unless it is effectively shielded by collimators, discriminated by the data collection  system or corrected for in the analysis. Correction for background in the analysis depends on a  Neutrons  2,5 MeV Neutrons  0.025 eV Gamma  667 keV Neutrons  14 MeV X‐ray 100 keV Zr O Fe H Scale 1 b 5 b 10 b

(14)

adequate  model  of  the  background  flux.  Such  models  are  associated  with  uncertainties  and  introduces inaccuracy in the measurement. 

2.3. Measurement Geometry 

Transmission tomography is performed using one of three common measurement geometries;  parallel, fan beam or cone beam. To make efficient use of the available neutrons, a cone or fan  beam  geometry  is  a  natural  choice  for  NTT  using  portable  generators  with  isotropic  emission  because this allows many lines of sights to be mapped simultaneously with an isotropic source.  In  this  work  focus  has  been  put  on  two‐dimensional  cross  section  images  and  a  fan  beam  geometry is adequate; as illustrated in Figure 2 in the previous section. 

2.4. Collimation 

As stated in section 2.2, a problem of fast‐neutron imaging is the large component of scattered  neutron  flux.  One  of  the  suggested  solutions  to  this  is  the  use  of  collimators  to  shield  the  detectors from neutron radiation from other directions than the desired. However, because the  dominant type of reaction of fast neutrons is scattering, the introduction of collimators in the  setup might do more harm than good if they are not large enough for moderation and capture  because  of  the  additional  scattered  flux  from  the  collimator  itself.  For  the  purpose  of  void  distribution  measurements,  where  a  mobile  setup  is  needed,  such  collimation  might  be  too  space consuming. However, since the neutrons that hit the detector after being scattered have  lost  part  of  their  energy  in  the  scattering  reaction,  this  background  can  be  reduced  by  introducing energy discrimination in the data acquisition system, i.e. only counting events with  energy deposition above a certain energy threshold.   A study of the signal to background (S/B) ratio in a simplified setup (see Figure 5) for different  sizes of collimator has been performed with the particle transport code MCNPX [19]. The model  contains only a point neutron source of 14.1 MeV, a thermal hydraulic test section represented  by a cylinder of water, Ø = 10 cm, at a center distance of 10 cm from the source point and a  neutron counting detector opposite of the cylinder from the source point, at a distance of 100  cm  from  the  source  point.  In  addition,  collimators  of  different  lengths  are  introduced  in  the  space between the water cylinder and the detector. The collimator is made by borated plastic  with 10% boron content.  

(15)

 

Figure 5. An MCNPX simulation setup for investigating the effect on the signal to background ratio of collimators of different  lengths.  Neutron  path  A  represents  the  flux  of  neutrons  scattered  in  the  object,  which  is  reduced  by  a  collimator.  Path  B  represents  the  signal  neutron  flux.  Path  C  represents  the  background  flux  of  scattered  neutrons,  which  is  introduced  by  insertion of the collimator. 

The  results of  this  study  are  presented  in  Figure  6.  The  introduction  of  a  collimator  increases  the scattered neutron flux at the detector position when the collimator length is small. As the  length  increases  to  about  25  cm,  the  scattered  flux  decreases  to  a  break‐even  value,  i.e.,  the  same  S/B  ratio  as  that  without  a  collimator.  Further  increase  in  collimator  length  gradually  improves the S/B ratio. 

However, it is also seen that an energy threshold in the neutron counter improves the S/B ratio  much  more  than  a  collimator.  In  addition,  the  break‐even  length  of  the  collimator  increases  when used in combination with an energy threshold. The break‐even length is reached at 40 cm  using an energy threshold of 4 MeV, if 8 MeV threshold is used, break even is not even reached  at 50 cm collimator length, see Figure 6.  

Neutron counter

Source

Collimator

Water cylinder

A

B

C

(16)

 

Figure 6. Simulated S/B ratio in simplified measurement geometry whith different energy thresholds and collimator lengths  (of borated plastic). 

Since  there  is  a  need  for  a  collimator  of  substantial  size  to  improve  the  signal  to  background  ratio, a better strategy in this case is to avoid collimators completely. This allows a mobile NT  device  with  a  compact  and  lightweight  construction.  Instead,  an  energy  discrimination  approach is considered for background reduction. 

2.5. Fast­Neutron Detectors 

There is a large variety of detection systems that may be used for fast‐neutron tomography. In  all of them, the neutrons are converted to a secondary radiation signal, which is subsequently  converted  to  an  electric  signal.  In  this  section  follows  a  short  description  of  five  detector  concepts:  • Scintillator screens with CCD cameras, [20].  • Fast‐neutron fission chambers based on 238 U or 242Pu.  • Neutron converting screens with gaseous electron multipliers (GEM) or semiconductor  flat panel detectors, [21].  • Multichannel plates (MCPs), [22].  • Scintillator elements  with photomultiplier tubes (PMTs), [23].  0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 2 4 6 8 10 12 Length of collimator [cm] S/B r a ti o

Effects on S/B ratio of borated-plastic collimator Et = 0 MeV Et = 4 MeV Et = 8 MeV

(17)

   

2.5.1. Scintillator screens with CCD cameras 

The most commonly used detector in NTT has traditionally been scintillator screens with CCD  cameras.  Here,  the  neutrons  are  converted  to  a  secondary  radiation  of  charged  particles  in  a  thin  scintillator  screen.  The  energy  of  the  charged  particles  is  converted  to  light  as  they  decelerate in the scintillator, which is registered in a CCD camera. Often a mirror system is used  to guide the light from the screen to the camera, which is positioned in a shielded box. The long  mean free paths of fast neutrons make this setup inefficient, since most neutrons simply pass  through  a  thin  screen  without  interacting.  Increasing  the  thickness  of  the  screen  might  compensate for this, but it also increases the complexity of the setup with a fan beam geometry  [24]. Also, the thicker the scintillator screen, the larger the flux of scattered neutrons will be.  Furthermore, this setup does not allow energy thresholds on an event‐by‐event basis, and thus  a high degree of background must be handled in the analysis. 

2.5.2. Fast­neutron fission chambers 

Fast‐neutron  fission  chambers  have  been  suggested,  where  the  detector  material  is 238U  or  242

Pu.  These  isotopes  offer  some  energy  discrimination  inherently  since  thermal  neutrons  do  not induce fission. However, their energy threshold for fission is close to 1 MeV, which means  that  the  neutrons  on  average  have  to  undergo  many  scattering  reactions  before  ending  up  below  the  energy  threshold,  especially  if  a  DT  neutron  generator  is  used.  Furthermore,  the  fission reaction is not the dominant type of reaction (5 ‐30 %) for the fast neutrons implying a  low efficiency.  

2.5.3. Neutron  converting  screens  with  gaseous  electron  multipliers  (GEMs) or semiconductor flat panel detectors 

Neutron converting screens with GEMs is an example of a detector system that utilizes a thin  screen  for  conversion  of  neutrons  to  charged  particles.  The  charged  particles  escape  the  converter  screen  and  are  subsequently  detected  in  a  position‐sensitive  detector.  For  fast‐ neutron  detectors  the  efficiency  of  such  detectors  is  limited  by  the  range  of  the  charged  particle  in  the  converter.  The  converter  thickness  cannot  exceed  the  charged  particle  range,  which is typically in the order of millimeters. Therefore, the neutrons are unlikely to interact in  the converter, and the efficiency is low. A detection efficiency of 0.2 % for 5 MeV neutrons has  been reported in ref [21], where cascading of 25 such detectors was suggested to reach a fast  neutron detection efficiency of 5%.  

(18)

2.5.4. Multichannel plates, MCP  Silicone MCPs have been suggested for fast‐neutron detection. In silicone MCPs the incoming  neutrons are converted to protons, deuterons or alpha particles by a number of reactions in the  silicone [22]. The charged particles generate electrons in etched microscopic channels through  the detector. This signal is amplified by applying an electric field over the length of the channel.   Because the conversion takes place within the structure of the MCP, it does not suffer from the  low  efficiency  associated  with  the  conversion  screens.  However,  the  practically  etchable  thickness in the manufacturing process has so far been limited to 10 mm for conventional MCP  glass. For fast‐neutron detection in silicone MCPs, 30 mm thickness has been suggested, with a  calculated detection efficiency ranging from 2 – 15 %. [22] 

The  silicone  MCPs  offer  inherent  scattered  neutron  background  discrimination  due  to  the  energy thresholds of the converting reactions, which are located at energies above ~5 MeV.   

2.5.5. Scintillator elements with photomultiplier tubes (PMTs) 

Matrices  of  scintillation  fibers  have  previously  been  used  to  achieve  space‐resolved  screens  with  CCD  cameras  [25].    Larger  scintillator  elements  have  also  been  used  with  individual  connection  to  photomultiplier  tubes  (PMTs)  or  position  sensitive  photomultiplier  tubes  (PSPMTs) for event‐to‐event pulse‐height information, [23].  Examples of setups of this type can  be seen in Figure 7. 

Here,  the  neutrons  are  converted  to  charged  particles  in  the  scintillator  elements.  As  the  charged  particles  slow  down  they  excite  the  scintillator  material,  which  emits  light  when  it  is  deexited,  promptly  by  fluorescence  or  slowly  by  phosphorescence.  The  light  is  transported  through light guides to the photocathode of a PMT, where it is converted to electrons. Inside  the  PMT,  the  electrons  are  multiplied  in  a  dynode  system  and  the  output  electrical  signal  is  collected at the anode at the back end of the PMT. 

Because the scintillator light response is proportional to the charged particle kinetic energy and  the PMT amplification normally is linear, the charged particle’s energy can be determined. This  can  be  used  for  applying  energy  discrimination  in  order  to  suppress  the  background  from  scattered  neutrons.  However,  the  neutrons  only  deposit  a  fraction  of  their  energy  at  each  interaction  in  the  detector.  Accordingly,  hydrogen‐rich  scintillator  materials  are  preferred  for  the detection of fast neutrons, because the neutrons deposit a relatively large fraction of their  energy  when  scattered  against  a  nucleus  of  similar  mass,  such  as  the  hydrogen  nucleus  (proton).  With  the  use  of  such  a  scintillator,  an  energy  threshold  can  be  introduced  at  the 

(19)

expense of lowered detection efficiency. Accordingly, a trade‐off has to be made between high  detection efficiency and low sensitivity to the background of scattered neutrons. 

Two  available  hydrogen‐rich  scintillator  materials  are  plastic  scintillators  and  liquid  organic  scintillators.  The  plastic  scintillators  have  the  advantage  that  they  are  easy  and  cheap  to  manufacture  in  fibers  or  other  shapes.  The  liquid  scintillators  also  offer  pulse‐shape  discrimination  of  gamma  background,  which  is  caused  by  radiative  capture  and  inelastic  scattering of neutrons.  

The  image  unsharpness  is  limited  by  the  effective  area  of  the  scintillator  elements.  With  an  isotropic source, it might be advantageous to align each element with the direction of the beam  to have a minimal effective area of each element.     Figure 7. Detector concepts. A) Scintillator fiber matrix for imaging. Light guides to PSPMT to the right. B) Scintillator plate  array. Fish‐tail light guides to PMTs or PSPMTs to the right.   

The  detection  efficiency  of  the  detector  proportional  to  the  ratio  of  the  area  that  is  covered  with  scintillator  element.    Furthermore,  the  intrinsic  detection  efficiency  of  each  scintillator  element  depends  on  the  distance  travelled  by  the  neutron  in  the  element.  This  could  potentially  be  very  long  to  allow  an  almost  100  %  interaction  probability  of  the  neutron.  However, the intrinsic efficiency is still limited by the interactions with carbon, which are largely 

A

(20)

parasitic because of its poor conversion efficiency to light. Therefore, the intrinsic efficiency has  an theoretical upper limit defined by Eq.  2.         Eq.  2  Where p is the interaction probability,  , is the cross section and N is the particle density. This  limits the theoretical intrinsic detection efficiency to 63 % for 2.5 MeV neutrons and 36 % for  14.1 MeV neutrons. However, dimensional constraints on the scintillator elements and energy  threshold in the analysis are likely to lower these efficiencies considerably.  Thin plastic scintillator fibers in combination with energy thresholds in the data acquisition on  an event‐by‐event basis have the fortunate side‐effect of directional discrimination, which can  be exploited. As mentioned above, the energy deposited by neutrons in an organic scintillator  fiber  is  not  converted  directly  to  light,  but  indirectly  through  a  charged  particle;  most  importantly recoil protons from elastic scattering. Furthermore, the proton energy distribution  created  in  a  mono‐energetic  neutron  flux  is  quasi‐uniformly  distributed  from  zero  (90°  lab  system  scattering  angle)  to  the  full  neutron  energy  (head  on  collision).  The  proton  energy  is  converted to light as it decelerates to a stop in the scintillator. The reason for the directional  sensitivity  is  that  full  neutron  energy  conversion  to  light  implies  a  long  recoil‐proton  travel  range in the scintillator material and a zero degree scattering angle of the proton. Using small‐ size  scintillator  (a  thin  plate  or  fiber  with  small  diameter)  implies  that  the  forward‐scattered  proton  is  likely  to  escape  the  scintillator  material  before  depositing  all  its  energy,  unless  the  incoming neutron was traveling along the fiber axis. 

In  addition,  one  may  note  that  also  the  gamma‐ray  background  is  reduced  according  to  the  same  principles,  although  even  stronger  because  gamma  radiation  interacts  dominantly  with  the electrons in the material, which have longer travel range than the secondary protons.  Thus, a detector array can be dimensioned to have a sensitivity to background from arbitrary  directions  that  is  reduced  compared  to  the  sensitivity  of  the  mono‐directional  signal  component  of  the  neutron  flux  at  an  adequate  energy  threshold  level.  An  example  of  such  a  detector  element  is  seen  in  Figure  8.  The  sensitivity  to  neutrons,  with  the  introduction  of  an  energy  threshold,  is  shown  as  a  function  of  the  neutron  off‐axis  angle  in  Figure  9.  This  might  particularly  reduce  the  background  levels  from  walls,  environment  and  background  scattered  from the detector itself, so called undercut.  

   

(21)

  Figure 8. Direction‐sensitive detector element (here a scintillator fiber) having the largest sensitivity for neutrons entering in  the material along its axis i.e. v= 0°.    Figure 9. Directional sensitivity of fiber in previous figure using energy threshold at 10 MeV in mono‐energetic and mono‐ directional flux of neutrons of 14.1 MeV.   

A  neutron  imaging  equipment  with  high  resolution  requires  a  large  number  of  detector  channels. A disadvantage with scintillator fiber arrays with PMTs is that the detector might be  costly, since each fiber require a PMT. 

(22)

3. Construction  of  the  FANTOM  device  for  void  distribution 

measurements 

3.1. The FANTOM device 

An NTT device called FANTOM (Fast Neutron TOMography) is currently being constructed at the  Applied Nuclear Physics Division of the Uppsala University. It is intended for evaluation of fast  neutron  tomography  methods  and  for  use  in  measurements  of  axially  symmetric  thermal  hydraulic test loops. The FANTOM device utilizes a DT neutron generator with a yield of 3 · 10   neutrons  per  second.  The  detector  is  a  scintillator  array  of  4  plastic  scintillator  elements  of  material EJ208 with light guides to PMTs. This detector setup is chosen since it allows variable  energy  discrimination  and  a  high  intrinsic  detection  efficiency  compared  to  the  other  options  listed in section 2.5. However, the absolute detection efficiency is limited here because of the  low number of only 4 elements, which is a consequence of the economical constraints and the  available  data  collection  equipment.  Translational  movement  on  the  object  relative  to  the  source‐detector system is enabled to allow additional lines of sight to compensate for the low  number of detector elements. In addition, the object can be rotated to allow for the recording  of various angular projections, see Figure 10. 

 

Figure  10.  Setup  including  detector,  with  4  sensitive  elements,    a  test  section  with  translational  an  rotational  stage  (for  object movement) and neutron generator. 

In order to reduce measurement time, adaptations have been made to the thermal hydraulic  test loop that is the object under consideration for the device. Two features available that we  make use of have been identified in this context: 

(23)

• Asymmetric spatial resolution requirements, i.e., different requirements on unsharpness  in different axes.  • Axially symmetric object.  Adaptations made to the instrument for both these features can lower the measurement time  as described more in detail below.  3.1.1. Asymmetric spatial resolution requirements.  In the two‐phase test loops, the demands for spatial resolution are higher in the cross section  of the flow than in the axial direction of the test section. Resolution in the order of mm or sub‐ mm is needed to resolve features between fuel rods, while in the axial direction resolution in  the  order  of  cm  is  sufficient.  Due  to  the  asymmetric  resolution  requirements  we  can  use  an  array  of  plastic  scintillator  plates;  extended  along  the  axial  direction  and  the  neutron  beam  direction,  see  Figure  7.  Thereby,  the  count  rate  in  each  detector  element  increases  proportionally to the effective area, which speeds up the measurement. 

 

3.1.2. Axially symmetric objects 

In the characterization stage, the FANTOM device allows for rotational movement of the object.  This  makes  tomography  of  general  non‐symmetric  objects  feasible.  However,  at  one  of  the  identified  two‐phase  flow  test  loops  that  are  of  interest  for  void  tomography,  HWAT  [1],  the  test  section  is  axially  symmetric.  The  water  is  confined  by  an  outer  cylinder  and  an  optional  inner cylinder, both with optional heating. In an object with axial symmetry, all projections of  different  rotational  angles  around  the  symmetry  axis  are  equal  and  no  rotation  is  required.  Therefore,  the  required  number  of  data  points  is  significantly  reduced  for  such  objects.  For  tomography of objects which are not axially symmetric, it can be estimated that the number of  rotational increments (Nф) should exceed the number of detector positions (Nd) by a factor of 

/2, [14].  

The  inverse  Radon  transform  reconstruction,  mentioned  in  section  1.2,  is  in  this  case  substituted by the simpler inverse Abel transform [26]. In the discretized version, the common  image representation in terms of quadratic picture elements, pixels, are replaced by concentric  ring‐shaped picture elements, rixels. 

(24)

3.2. Setting  the  parameters  of  importance  for  constructing  an  instrument setup 

3.2.1. Design and performance parameters 

In  the  planning  of  the  FANTOM  instrument,  there  are  several  instrument  design  parameters  that  need  to  be  adequately  selected  in  order  to  optimize  the  performance.  Performance  parameters that might be considered are listed in Table 1:  Table 1. Performance parameters considered for FANTOM device.  Performance parameter  Acronym  Count rate  CR  Image unsharpness  Signal to Background ratio  S/B    These performance parameters are connected to the quality of the image, discussed above in  section 1.5. The count rate affects the statistical uncertainty, which determines the precision. A  high  S/B  ratio  is  important  for  the  accuracy  of  the  image,  since  background  has  to  be  compensated for in the analysis and in that process a model error might be introduced. In this  work,  it  is  considered  that  the  neutron  source  available  cannot  offer  a  yield  high  enough  to  saturate  the  detectors  in  the  measurement  geometries  that  are  relevant  for  the  current  application.  Accordingly,  optimization  of  count  rate  means  obtaining  the  highest  count  rate  possible. However, a trade‐off has to be made between the count rate and the unsharpness.  Important design parameters which affect the performance are seen in Table 2:  Table 2. Design parameters of the FANTOM device.  Design parameters  Acronym  Detector element width  Detector element length  Distance source‐to object  d1  Distance object‐to‐detector  d2  Source spot size  Neutron yield    The measurement geometry and its important design parameters are seen in Figure 11. There  are also other measurement parameters that do not need to be fixed in the design phase, but  do affect the performance parameters, such as the energy threshold. It should be noted that all  the  design  parameters  listed  in  Table  2  could  possibly  be  selected  in  the  design  of  a  device.  However, in the FANTOM case the neutron yield and the spot size are not selectable but are  determined by the available neutron generator. 

(25)

 

 

Figure 11. Schematic illustration of the design variables in the measurement geometry.  

It can be seen in Table 3, that the majority of the design parameters affect all the performance  parameters.  In  Table  3,  the  neutron  yield  and  spot  size  are  excluded,  since  they  are  not  selectable in the FANTOM device.  

Table  3.  Dependency  table  for  design  parameters  of  the  FANTOM  tomographic  instrument.  The  table  illustrates  if  performance parameters are affected by design parameters.   Count rate     Image unsharpness     S/B ratio   

Detector element length, l   yes no yes 

Detector element width, F  yes yes yes 

Distance source‐to‐object, d1  yes  yes  yes 

Distance object‐to‐detector, d2  yes  yes  yes 

Energy threshold  yes no yes 

(26)

It can be seen in Table 3 that with a few exceptions, all performance parameters are affected by  all design parameters. Therefore, all the three listed performance parameters in Table 3 have to  be simultaneously considered for a full optimization of the device.   Especially the S/B, which is affected by all the listed design parameters, is difficult to evaluate  for any given design. The background level is depending on additional parameters to the listed  ones, such as the object size and material, the lab environment materials in walls, ceiling, the  floor, the FANTOM device structures, shielding, materials and instrumentation hardware. Some  of these are not known beforehand and may even change from one measurement to another.   Furthermore, S/B is also strongly affected by the energy threshold which can be changed after  the design of the instrument.  

To  simplify  the  design  parameter  selection  procedure,  it  has  been  decided  that  the  FANTOM  device is optimized only with respect to a subset of the design and performance parameters.  The detector length, l, is set (but not strictly optimizated) with considerations  of the effects on  CR and S/B, as presented in section 3.2.2.The design parameters d1, d2 and F are selected prior  to the construction, by optimizing the performance parameters CR and U according to section  3.2.3. The energy threshold will be selected after the device is built also considering the CR and  S/B . However, this can be optimized experimentally. It should also be noted that a preliminary  assumption on the energy threshold has to be used in the optimization procedure of the count  rate and the unsharpness and this might not be the same energy threshold that is eventually  used.  3.2.2. Setting l 

As  the  detector  length,  l,  increases,  the  penetrating  signal  beam  intensity  decreases  exponentially.  Therefore,  the  detection  efficiency  and  hence  the  count  rate  is  enhanced  with  increased length, but the more the length is increased, the smaller is the enhancement, since  the  signal  of  unscattered  neutrons  gradually  gets  attenuated  by  the  length  of  the  detector  element. 

The  level  of  background  is  also  increasing  with  the  detector  length.  Since  the  ambient  background  neutrons  can  rather  be  assumed  to  enter  the  detector  element  from  arbitrary  directions,  their  intensity  is  not  attenuated  but  can  be  assumed  to  be  proportional  to  the  detector length. 

Accordingly,  l  has  to  be  set  doing  a  tradeoff  between  count  rate  and  the  S/B  ratio.  For  the  FANTOM  instrument,  the  detector  element  length,  l,  is  set  to  one  mean  free  path  of  the  DT  neutrons of 14.1 MeV, which is 10 cm, also known as the attenuation length. At this detector  length, 63  % of the signal neutrons have interacted in the detector and further increases will 

(27)

only  increase  the  detection  efficiency  to  signal  neutrons  marginally,  while  the  background  sensitivity continues to increase proportionally to l. 

3.2.3. Setting the design parameters, F, d1, d2 

The  remaining  design  parameters  F,  d1  and  d2  all  affect  the  performance  parameters  listed  above.  As  stated  above,  only  two  of  them  are  optimized  in  the  design,  i.e.,  the  image  unsharpness  and  the  count  rate.  This  is  done  below  in  this  section,  by  determining  how  the  performance parameters varies as functions of the design parameters, and then choosing a set  of  design  parameters  that  give  an  optimal  performance.  Since  there  are  two  performance  parameters  to  optimize,  the  Pareto  optimal  solutions  are  sought,  where  one  of  the  performance parameters can only be improved by simultaneously worsening the other. 

One  additional  important  aspect  for  the  optimization  of  the  remaining  parameters  is  the  physical space limitations on the design parameters. For the FANTOM device, we constrain the  total length (d1 +d2) to 1 m, which is motivated by the demands of a small size equipment. We  also constrain the minimum physical space between source‐object (d1) and object‐detector (d2)  to 10 cm. See all constraints of the FANTOM design in Table 4.   Table 4. Constraints in the FANTOM design.    ≥ 10 cm    ≥ 10 cm    100 cm         1.111 10   The image unsharpness is expressed as a function of the design variables according to Eq. 3, as  argued in ref [14].         Eq. 3  Where m is the magnification, defined according to Eq.  4.           Eq.  4   

The  spot  size,  a,  of  the  source  is  given  by  the  distribution  of  the  neutron  emission  in  the  tritiated titanium target which depends on the emission angle that is used, as seen in Figure 12. 

(28)

 

Figure 12. Conceptual view of spot sizes for neutrons emitted at 90° and 0° angle. 

The  radial  emission  distribution  is  Gaussian  like,  typically with  a  FWHM  in  the  order  of  a  few  millimeters.  Smaller  effective  spot  size  can  be  achieved  by  directing  the  accelerator  perpendicular to the direction from target to detector. Thereby, the spot size extension in the  cross section of the object is defined by the range of the ions in the target. The range of 100  keV  deuterons  in  the  titanium  hydride  target  is  in  the  order  of  micrometers.  However,  long  time  running  test  from  neutron  generator  producers  have  shown  that  a  hole  is  gradually  created by the interaction of the ion beam with the ion target [27]. This is estimated to a = 0.2  mm,  which  is  used  here  as  an  approximate  estimate  of  the  spot  size,  a.  Consequently,  90  °  neutron emission angle is used in the FANTOM device.  The count rate in a detector element is expressed according to Eq.  5.             Eq.  5    Where  CR = count rate      Y = neutron yield       h = detector element height      ε = intrinsic detection efficiency        Here it can be noted that ε depends on the detector element width and energy threshold. The  calculation  of  the  intrinsic  detection  efficiency  is  accounted  for  in  paper  I,  as  summarized  in  section  4.  In  these  calculations  a  preliminary  assumption  of  the  energy  threshold  has  to  be  used.  Since  Monte  Carlo  models  used  in  Paper  II  indicate  that  most  of  the  scattered  neutron  background is below half the signal neutron energy it was considered relevant to assume that 

(29)

the energy threshold will be selected at about half the signal neutron energy. Accordingly, the  optimization procedure presented here is performed for thresholds of 5, 7 and 9 MeV. 

The height of the detector is chosen so that the measurement represents a 10 mm axial section  of  the  measured  object,  which  is  the  desired  axial  resolution  of  HWAT,  [28].  With  a  plate  shaped detector element according to the geometry in Figure 7, the extension of measurement  in the axial direction is determined by the height of the detector according to Eq.  6, [14]. 

           Eq.  6 

Where  Uaxial = axial extension of measurement 

  h = detector element height 

 

Insertion of Eq.  6 into Eq.  5 gives the count rate as a function of d1, d2, and F, see Eq.  7. 

   

          Eq.  7 

As  seen  in  Eq.  3,  U  is  a  function  only  of  F  and  m,  not  of  the  individual  distances  d1  and  d2,.  Therefore,  for  every  m,  the  d1  and  d2  can  be  selected  to  maximize  the  count  rate  without  affecting the image unsharpness. As seen in Eq.  7, this is done by minimizing (d1 + d2) within  the limits accounted for in Table 4. The optimal sets of d1 + d2 are illustrated in Figure 13. In the  figure, the sets that minimize d1 + d2 for a given value of m within the allowed range (1.111 < m  < 10) are marked with a bold line.   

 

Figure  13.  For  every  magnification,  m,    the  sum  of  the  parameters  d1  and  d2  must  be  minimized  for  optimal  count  rate. 

Constant m are found in straight lines through origo, where the leftmost allowed point in each line minimizes d1 + d2. The 

(30)

The result of the minimization is seen below, in Eq.  8:  d , 10      , 10 , , 2   , 10 cm    , 1.111 , , 2   Eq.  8  The difference in the regions above and below magnification, m =  , , is caused by the 

physical  space  limitations,  where  the  breaking  point  represents  the  most  compact  possible  instrument, for FANTOM d1,min = d2,min = 10 cm gives m = 2. 

As seen in Eq.  8, the optimal selections of the sum of the distances d1 and d2 can be expressed  using the single variable m. Consequently, the optimization can proceed by only considering the  two parameters m and F.  Eq.  8 is inserted into Eq.  7, which gives an expression of the count rate that is solely dependent  on the design parameters F and m:        ,        , 10 , , 2              ,     ,1.111 , , 2      Eq.  9  Both the unsharpness U (Eq. 3) and the count rate CR (Eq.  9) have been expressed in terms of  only  two  design  parameters;  F  and  m.  As  discussed  previously,  U  and  CR  are  conflicting  and  cannot be optimized separately. Sometimes, multiple conflicting objectives, such as CR and U,  are converted to a single objective in a weighted function, which is then optimized. However, it  requires a priori knowledge of the adequate weights, which is not easily attained. Furthermore,  the  trade‐off  between  the  multiple  objectives  is  not  seen  with  the  single  objective  approach.  Pareto  multiple  objective  optimization,  on  the  other  hand,  shows  the  trade‐off  and  does  not  require a priori knowledge of the weights [29]. In this technique, the set of acceptable trade‐ offs are sought, where a design parameter set is acceptable if it is in the Pareto front, defined  as the parameter sets where none of the multiple objectives can be improved unless another  objective is impaired. 

To find the Pareto front in the FANTOM design space, the remaining design parameters F and m  are  sampled  in  a  large  number  of  sets.  For  each  sampled  set,  U  and  CR  are  calculated.  M  is  sampled in the region (1.11 < m < 10), where it is confined due to the limitations on d1 and d2. F  is  sampled  in  the  range  0.1  mm  <  F  <  9  mm.  Where  F  =  0.1  mm  gives  a  count  rate  that  is  regarded  too  low  (<  2  cps)  for  any  magnification,  and  F  =  9  mm  gives  an  unsharpness  that  is  unacceptable (> 0.9 mm) for any allowed magnification. The resulting performance parameters 

(31)

U and CR are calculated and the results assuming an energy threshold of 7 MeV can be seen in  Figure 14.    Figure 14. Available count rates, CR, and image unsharpness, U, in the FANTOM design, with a threshold of 7 MeV. Every dot  represents one sampled design parameter set  (m, F). Since low image unsharpness  and high count rate is desired, only the  upper, left edge (marked in red) should be considered for the instrument design, which is the Pareto front. Every dot under  the Pareto front is inferior to some other set of parameters both regarding the image unsharpness and the count rate. 

The  Pareto  optima  are  seen  as  the  line  to  the  upper  left  in  Figure  14,  i.e.,  the  Pareto  front  where none of the performance parameters can be improved without worsening the other. The  design  and  performance  parameters  corresponding  to  the  Pareto  front  are  shown  for  energy  threshold of 5, 7 and 9 MeV in Figure 15. 

 

Figure  15.  The  Pareto  optimal  designs  parameters  and  their  corresponding  performance  in  count  rate  and  image  unsharpness. Calculated for 5, 7 and 9 MeV energy thresholds.  0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 50 100 150 200 250 300 350 400 U [mm] C R [cp s ]

(32)

By  selecting  a  design  parameter  set  in  the  Pareto  front  of  Figure  15,  the  performance  parameters of FANTOM are optimized in the sense that both CR and U cannot simultaneously  be  improved.  There  are  however,  many  such  parameter  sets,  each  representing  different  weighting between resolution and count rate requirements. In the trade‐off between U and CR,  the design parameters have been set to m = 10, F = 5.0 mm, d1 = 10 cm and d2 = 90 cm. This  gives  a  total  image  unsharpness  of  0.53  mm  and  a  count  rate  of  280,  210  or  150  cps  corresponding to energy threshold of 5, 7 or 9 MeV. This image unsharpness allows resolution  of features of sizes smaller than the typical fuel rod pitch, which is of interest in the research at  the thermal hydraulic test loops [28]. The resulting geometry is visualized above in Figure 10.  A consequence of our design choice can be seen in Paper II, where the statistical uncertainties  on the individual rixels are too high to make rixel widths in the sub‐millimeter range useful. The  low count rate corresponding to the chosen level of unsharpness can be compensated for by  longer  measurement  times  or  in  the  future,  preferably  by  a  stronger  source  yield  or  more  detector  channels.  Allthough  13  h  measurement  time  is  assumed  in  Paper  II,  extreme  measurement times of more than 24 h are suggested as a possible way to evaluate the method  for data corresponding the yields of a high‐end commercial neutron generator.  

4. Summary of Paper I 

As  mentioned  in  section  2.5.5,  neutron  detection  with  plastic  scintillators  is  impaired  by  the  random magnitude of the energy transferred to the recoil proton in elastic scattering reactions,  implying  that  the  transferred  energy  can  be  anything  from  zero  to  the  full  neutron  energy.  Therefore, applying energy discrimination of background neutrons at low energy also decreases  the detection efficiency of the signal neutrons. 

If the dimensions of the scintillator are large compared to the range of the recoil proton (which  is in the range of mm), the fast neutron detection efficiency in a plastic scintillator element is  easily calculated, due to the quasi‐uniform energy distribution of the recoil protons. However,  in  neutron  imaging  applications  the  size  of  the  scintillator  elements  is  limited  by  the  requirements of small receptor unsharpness. When considering scintillator plates, the width of  the  detector  might  be  in  the  same  order  of  magnitude  as  the  recoil  proton  range  and  the  detection efficiency is not easily calculated because the escape of recoil protons leads to lower  energy  depositions  compared  to  the  large  dimension  scintillator.  Consequently,  the  recoil  protons may escape the scintillator element through its sides before depositing all its energy.  See Figure 16. 

(33)

 

Figure 16. Neutron undergoing elastic scattering in a thin plastic scintillator element. The recoil proton excites electrons in  the material along its path. If the proton exits the scintillator the light yield is hampered.  

In  Paper  I,  the  recoil  proton  energy  deposition  distribution  in  thin  scintillator  elements  is  calculated for 14.1 MeV and 2.5 MeV neutrons in the plastic scintillator material EJ208 using a  custom‐made Monte Carlo program, where proton recoils from elastic scattering are simulated  by random sampling of the following variables: 

• The  scattering  angle,  θ.  (sampled  from  the  angular  differential  cross  sections  in  evaluated nuclear data file ENDF‐B VI)   • The azimutal angle, ф. (sampled from a uniform distribution)  • The position in the scintillator, x , i.e. the distance from walls. (sampled from a uniform  distribution)    The energy deposition is calculated as the integral of the of the stopping power acting on the  proton, until it reaches zero energy or escapes the scintillator plate through its sides.  The resulting proton energy depositions from 14.1 MeV neutrons can be seen in Figure 17. 

(34)

 

Figure 17. Energy deposition distribution of 14.1 MeV neutrons in scintillator plates of varied width.  

The pulse height distribution is used for estimation of the intrinsic detection efficiency with the  introduction  of  various  energy  thresholds.  The  detection  efficiency  of  14.1  MeV  neutrons  is  presented in Figure 18. 

References

Related documents

Globally, there are millions of small lakes, but a small number of large lakes. Most key ecosystem patterns and processes scale with lake size, thus this asymmetry between area

Instead of measuring single particles, we measured particle populations with simultaneous measurements of mass concentration and number concentration, as other authors have done

Stöden omfattar statliga lån och kreditgarantier; anstånd med skatter och avgifter; tillfälligt sänkta arbetsgivaravgifter under pandemins första fas; ökat statligt ansvar

46 Konkreta exempel skulle kunna vara främjandeinsatser för affärsänglar/affärsängelnätverk, skapa arenor där aktörer från utbuds- och efterfrågesidan kan mötas eller

För att uppskatta den totala effekten av reformerna måste dock hänsyn tas till såväl samt- liga priseffekter som sammansättningseffekter, till följd av ökad försäljningsandel

The increasing availability of data and attention to services has increased the understanding of the contribution of services to innovation and productivity in

Maybe for the finer polishing step (next step with for example a 3µm diamond paste) it could be interesting to use less (or maybe no) vibration to have glossy

After a first meeting in Denmark at the end of September, it was decided to measure some polishing standards from two different companies: Zanola and Bales