Modelización de los sensores del STUMM (Start-Up and Monitoring Module)

Abstract

Esta tesis presenta la caracterización y análisis de varios detectores de radiación destinados a su integración en el Start-Up and Monitoring Module (STUMM), que forma parte de la Test Cell (TC) del proyecto IFMIF-DONES. También se aborda el acondicionamiento y evaluación de dispositivos Commercial Off-The-Shelf (COTS) como sensores de radiación, analizando su viabilidad en entornos de alta radiación y su posible aplicación en otras áreas, como la dosimetría clínica o la monitorización en entornos nucleares con tasas de dosis más bajas. Se estudiaron microcámaras de ionización, microcámaras de fisión y Self-Powered Neutron Detectors (SPNDs) utilizando diferentes fuentes de radiación en montajes experimentales con electrómetros comerciales. Asimismo, se caracterizaron dispositivos COTS bajo diversas condiciones de radiación, con el objetivo de seleccionar el dispositivo con mejor rendimiento para cada caso. Se evaluaron tres modelos de cámaras de fisión, con distintos materiales fisibles y presiones de gas, y un modelo de microcámara de ionización, bajo irradiación con rayos X, analizando diferencias de respuesta intra e inter-modelo y calculando sus sensibilidades. Los detectores con material fisil en su emisor mostraron una sensibilidad 1.5 veces mayor a la misma presión de gas, y su sensibilidad aumentó en un factor de 2.5 cuando la presión de gas se incrementó de 5 a 15 bar. Se probaron dos unidades de cada uno de cinco modelos diferentes de SPNDs con materiales emisores (Rh, V, Co, Pt, In) bajo un haz pulsado de neutrones para estimar y comparar sus respuestas. Se estimó que la respuesta prompt estaba en el orden de cientos de picoamperios. Los detectores de Rh y V exhibieron una componente delayed, con tiempos consistentes con la respuesta esperada según el isótopo, observándose una mayor contribución en los detectores de Rh. No se encontraron signos de degradación en el análisis. Dos modelos de MOSFET (3N163 y ZVP3306) fueron evaluados con protones de alta energía. El modelo 3N163 mostró la mayor sensibilidad y fue caracterizado adicionalmente usando protones de baja energía en configuración decapsulada. Se evaluaron modelos de diodos 1N4007, UF4007, BY203-20S y GP02-40 como posibles detectores para radiación gamma de alta tasa de dosis usando una fuente de Cobalto-60. El modelo 1N4007 exhibió la respuesta más alta; sin embargo, el UF4007 fue el que mostró mejor comportamiento global, al tener menor degradación en la respuesta con el aumento de la dosis. Los ensayos se realizaron en varias instalaciones, incluyendo la estación nTOF (CERN, Suiza), la Instalación de Irradiación con Protones (PIF) en el Instituto Paul Scherrer (Suiza), la instalación Nayade en CIEMAT (Madrid), el Centro de Investigación Biomédica de la Universidad de Granada y el acelerador TANDEM en el Centro Nacional de Aceleradores (Sevilla).

This thesis presents a comprehensive characterization and analysis of several radiation detectors intended for integration into the Start-Up and Monitoring Module (STUMM), which is part of the Test Cell (TC) in the IFMIF-DONES project. It also includes the conditioning and evaluation of Commercial Off-The-Shelf (COTS) devices as radiation sensors, assessing both their feasibility for use in harsh environments and their potential applicability in other areas, such as clinical dosimetry or radiation monitoring in nuclear environments with lower dose rates. Ionization micro-chambers, fission micro-chambers, and Self-Powered Neutron Detectors (SPNDs) were analyzed with different types of radiation in experimental setups using commercial electrometers. Commercial Off-The-Shelf (COTS) devices were also characterized under various radiation types to assess their performance and feasibility of use in different radiation fields, enabling the selection of the best-performing device for each condition. Three models of fission chambers, each with different fissile materials and filling gas pressures, and one model of ionization micro-chamber were evaluated under X-ray irradiation to assess intra- and inter-model response differences and to calculate their sensitivities. Detectors with fissile material in their emitter showed 1.5 times higher sensitivity at the same gas pressure, and their sensitivity increased by a factor of 2.5 when the gas pressure was raised from 5 to 15 bar. Two units of each of five different emitter-material SPNDs (Rh, V, Co, Pt, In) were tested under a neutron pulsed beam to estimate and compare their responses. The prompt response was estimated to be on the order of hundreds of picoamperes. Rh and V detectors exhibited a delayed component, with timing consistent with the expected response depending on the isotope, and a greater contribution was observed in the Rh detectors. No signs of degradation were found in the analysis. Two MOSFET models, 3N163 and ZVP3306, were evaluated under high-energy protons. The 3N163 showed the highest sensitivity and was further characterized using low-energy protons in a decapsulated configuration. Diode models 1N4007, UF4007, BY203-20S, and GP02-40 were evaluated as potential detectors for high-dose-rate gamma radiation using a Cobalt-60 source. The 1N4007 model exhibited the highest response; however, the UF4007 was the best-performing overall, considering the degradation of response with increasing dose. Tests were conducted at several facilities, including the nTOF station (CERN, Switzerland), the Proton Irradiation Facility (PIF) at the Paul Scherrer Institute (Villigen, Switzerland), the Nayade facility at CIEMAT (Madrid), the Center for Biomedical Research at the University of Granada (Granada), and the TANDEM accelerator at the National Accelerator Centre (Seville).