Optimasi Desain Target Produksi Neutron Berbasis Siklotron Proton Menggunakan Simulasi Monte Carlo untuk Aplikasi Karakterisasi Material

Abstract

Penggunaan siklotron proton sebagai sumber neutron untuk aplikasi karakterisasi material menjadi alternatif yang menarik. Namun, energi proton yang terbatas pada sebagian besar siklotron menuntut pemilihan material target yang tepat agar produksi neutron dapat dioptimalkan. Penelitian ini bertujuan menganalisis karakteristik neutron yang dihasilkan dari iradiasi proton pada material murni (Be-9, Li-7, dan C-12) serta material senyawa (BeO, Be2C, dan LiF) menggunakan energi proton 13 MeV dan 20 MeV. Simulasi dilakukan dengan metode Monte Carlo menggunakan Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS). Ketebalan target divariasikan secara adaptif pada rentang 0,05–1,00 cm berdasarkan distribusi fluks neutron yang dihasilkan pada masing-masing energi proton. Hasil simulasi menunjukkan bahwa Be-9 menghasilkan fluks neutron tertinggi dengan rasio neutron terhadap foton yang paling baik dibandingkan material lainnya, sehingga berpotensi menjadi target yang paling optimal untuk sumber neutron berbasis siklotron proton. Selain itu, seluruh material yang dikaji menghasilkan neutron yang didominasi oleh neutron cepat dan epitermal, sedangkan kontribusi neutron termal relatif rendah. Oleh karena itu, penggunaan moderator diperlukan untuk memperoleh spektrum neutron yang sesuai bagi aplikasi karakterisasi material. Material Be2C menunjukkan prospek yang baik sebagai target neutron karena memiliki ketahanan termal yang tinggi, meskipun diperlukan sistem pereduksi radiasi gamma untuk meningkatkan kualitas berkas neutron yang dihasilkan.

Proton cyclotrons have gained increasing attention as alternative neutron sources for material characterization applications due to their compact size and lower operational requirements compared with nuclear reactors. Nevertheless, the limited proton energies available in most cyclotrons pose a challenge for efficient neutron production, thereby requiring the optimization of target materials. In this study, the neutron characteristics resulting from proton irradiation of pure materials (Be-9, Li-7, and C-12) and compound materials (BeO, Be2C, and LiF) were investigated using proton energies of 13 MeV and 20 MeV. The simulations were performed using the Monte Carlo method with the Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS). The target thickness was varied adaptively over the range of 0.05–1.00 cm based on the neutron flux distribution produced at each proton energy. The simulation results show that Be-9 produces the highest neutron flux with the best neutron-to-photon ratio compared to other materials, making it a potential optimal target for proton cyclotron-based neutron sources. Furthermore, all materials studied produce neutrons dominated by fast and epithermal neutrons, while the contribution of thermal neutrons is relatively low. Therefore, the use of a moderator is necessary to obtain a neutron spectrum suitable for material characterization applications. Be2C shows good prospects as a neutron target due to its high thermal resistance, although a gamma-ray reduction system is required to improve the quality of the resulting neutron beam.