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Digital pulse processing methods for simultaneous efficient detection and identification of neutron and gamma radiation of novel detection materials
2021
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak05
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-14
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-07949
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/824940/files/824940.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CLYC (frei) ; digital pulse processing (frei) ; gamma radiation (frei) ; neutron radiation (frei) ; radiation detection (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der digitalen Pulsauswertung von Szintillationsdetektorsignalen. Die digitale Analyse umfasst Pulsform Diskriminierung (PSD) und Energiebestimmung eines Cs2LiYCl6:Ce (CLYC:Ce) Szintillators, welcher eine zeitgleiche Neutronen- und Gammadetektion ermöglicht. Das Ziel ist die Analyse und der Vergleich von digitalen PSD Methoden und Methoden der digitalen Energiebestimmung, basierend auf bekannten analogen und digitalen Methoden. Zusätzlich wurde eine neuartige digitale Methode zur PSD und Energiebestimmung entwickelt und wird in dieser Arbeit vorgestellt. Diese Methode ermöglicht eine verwendungsabhängige Instanziierung verschiedener Funktionen. Zur Bewertung der relativen Effektivität der neu entwickelten Faltungsanalyse (Convolution Analysis) werden verschiedene etablierte PSD Methoden verglichen. Die analogen PSD Methoden Zero-Crossing Method, Charge Comparison Method und Pulse Gradient Analysis wurden in digitale Methoden konvertiert, um einen Vergleich mit anderen digitalen Methoden zu ermöglichen. Hierfür wurden die digitalen PSD Methoden Simplified Digital Charge Collection und die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Convolution Analysis ausgewählt. Ein Vergleich des Neutronenanteils von Cf-252 zeigt die Vergleichbarkeit der Diskriminierung der Convolution Analysis zu etablierten PSD Methoden. Equivalent zum Vergleich der PSD Fähigkeit, wird auch die Energiebestimmung der Convolution Analysis mit bestehenden Methoden verglichen. Zum Vergleich wurden die Methoden Pulse Integration und Pulse Height Analysis herangezogen. Die konventionellen Methoden Pulse Integration und Pulse Height wurden digital implementiert. Vier verschiedene Varianten der Convolution Analysis wurden getestet, bei denen drei Varianten eine höhere Energieauflösung erreichten als die konventionellen Methoden. Um die Leistungsfähigkeit der Convolution Analysis für PSD und Energiebestimmung zu evaluieren, schließen Experimente mit hohen Zählraten diese Dissertation ab. Für die Energiebestimmung mittels Convolution Analysis wurden die zwei erfolgreichsten Varianten aus den Vorversuchen in Hardware implementiert und getestet. In einem ersten Experiment wurde das Gammaspektrum einer AmBe Quelle unter Neutronenstrahlung aufgenommen. In einem zweiten Experiment wurde das Verhalten von U-238 unter gepulster Neutronenstrahlung untersucht. Beide Experimente zeigen, dass die Convolution Analysis eine erfolgreiche Diskriminierung und Energiebestimmung von Pulsen unter hohen Zählraten ermöglicht.This thesis focuses on the digital pulse processing of scintillation detector signals. The digital analysis covers pulse shape discrimination (PSD) and energy determination for a Cs2LiYCl6:Ce (CLYC:Ce) scintillator capable of simultaneous neutron and gamma detection. The aim is to investigate and compare digital PSD methods and methods for digital energy determination based on analogue pulse processing methods, as well as digital pulse processing methods. Additionally, a novel digital PSD and energy determination method was developed and is presented within this thesis. This method can be instantiated with different functions, depending on the application. To evaluate the relative effectiveness of the newly developed Convolution Analysis, multiple, commonly used PSD methods are compared. The analogue PSD methods Zero-Crossing Method, Charge Comparison Method andPulse Gradient Analysis have been converted to digital, allowing a comparison with their digital counterparts. The digital PSD methods under comparison are Simplified Digital Charge Collection and the within this thesis developed Convolution Analysis. The neutron ratio of Cf-252 has been determined for all methods, showing that the Convolution Analysis has similar capability for separation as established PSD methods. In a similar manner as the PSD capability, the energy determination capability of Convolution Analysis is compared with existing methods. For comparison, Pulse Integration and Pulse Height Analysis are used. The commonly used methods Pulse Integration and Pulse Height were transferred to digital data evaluation. The Convolution Analysis was tested with four different input functions, with three of the input functions achieving a higher energyresolution than the established methods. To evaluate the capacity of the Convolution Analysis for PSD and energy determination, high count rate experiments conclude this dissertation. For the energy determination by Convolution Analysis, the two input functions achieving the highest energy resolution in the preliminary tests were implemented in hardware and tested. In a first set-up, the gamma spectrum of an AmBe source under neutron radiation was recorded. In a second setup, the behaviour of U-238 under pulsed neutron irradiation was investigated. Both experiments show, that the Convolution Analysis is able to successfully discriminate and determine pulse energies under high count rates.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021054538
Interne Identnummern
RWTH-2021-07949
Datensatz-ID: 824940
Beteiligte Länder
Germany
