Wanneer een neutronenbundel een monster ontmoet, neutronen ketsen in verschillende richtingen van het materiaal af in een proces dat 'neutronenverstrooiing' wordt genoemd. De verstrooide neutronen werken samen met gespecialiseerde detectoren die het mogelijk maken om de snelheid en het traject van de deeltjes in kaart te brengen om af te leiden waar interessante atomen zijn en hoe ze zich gedragen.

Met deze informatie kunnen onderzoekers de structuur en eigenschappen van materialen bepalen door ze in verschillende vormen te bestuderen, zoals vloeistoffen, poeders, en kristalmonsters. Inzichten uit deze onderzoeken kunnen de productie van betere batterijen, ontwikkeling van effectievere medicijnen, en andere praktische toepassingen. Omdat experimenten met neutronenverstrooiing niet mogelijk zouden zijn zonder neutronendetectoren, een team van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE) ontwikkelt ze intern voor elk instrument in de Spallation Neutron Source (SNS) en High Flux Isotope Reactor (HFIR) van het lab.

"Zie de detectoren als de ogen van een instrument, " zei Rick Riedel, een senior onderzoeker van ORNL die meer dan 15 jaar aan detectoren heeft gewerkt. "Ze helpen je te zien waar en wanneer neutronen zich verspreiden. Op basis van die informatie, je kunt zien wat er in een kristal gebeurt."

Veel neutronendetectoren zijn gemaakt met helium-3, een gas dat veel wenselijke eigenschappen heeft en al meer dan 50 jaar in gebruik is. Echter, andere materialen zijn nodig om te voldoen aan de steeds hogere eisen van neutronenverstrooiingsinstrumenten. Woedecamera's en WLS-detectoren (golflengteverschuivende vezels) zijn twee technologieën die bij SNS worden gebruikt en die gebruik maken van deze verschillende bronnen.

Zowel Anger-camera's als WLS-detectoren kunnen worden gecategoriseerd als op scintillator gebaseerde neutronendetectoren. Deze scintillatoren zijn gevoelig genoeg om enkele neutronen te detecteren. Scintillatoren absorberen de verstrooide neutronen en zenden lichtflitsen uit om de uiteindelijke positie van elk deeltje aan te geven. (Buiten neutronenbronnen, scintillatoren dienen als stralingsdetectoren op luchthavens en als medische beeldvormingsapparatuur voor diagnostische doeleinden.)

Riedel en zijn team ontwerpen variaties van scintillatoren en andere detectoren op basis van de wetenschappelijke specialiteiten en fysieke beperkingen van instrumenten om tijdens experimenten de best mogelijke gegevens te leveren.

"Het ontwerp voor elk instrument is specifiek afgestemd op het optimaliseren van de gegevens die we kunnen verzamelen van echte monsters in de bundellijn, ' zei Riedel.

Het ORNL-ontwikkelingsteam won een R&D 100-prijs voor de WLS-detectoren en een andere voor het helium-3 Pharos-neutronendetectorsysteem. Ze werken continu aan het verbeteren van de originele detectorontwerpen, vaak door bestaande technologie te combineren met modernere middelen.

"Anger-cameratechnologie bestaat al sinds 1970, en we hebben gebruik gemaakt van moderne elektronica om de resolutie en betrouwbaarheid van die detectoren te verbeteren, " zei Riedel. "We ontwikkelen momenteel een nieuwe generatie Anger-camera's die nog beter zullen zijn."

Ze volgen ook opkomende technologieën over de hele wereld die mogelijk in toekomstige ontwerpen kunnen worden opgenomen. Riedel beschouwt internationale samenwerking met andere wetenschappers en faciliteiten als een integraal onderdeel van de continue cyclus van detectorontwikkeling.

"Het is een constante push om steeds betere detectoren te ontwikkelen en te installeren, " zei hij. "We kunnen nieuwe wetenschap mogelijk maken als we detectoren ontwerpen met hogere resoluties of lagere niveaus van achtergrondruis."

Het team test nieuwe detectoren op belangrijke factoren zoals snelheid, oplossing, en uniformiteit in een detectorlab en bij een HFIR-ontwikkelingsbundellijn, voert vervolgens simulaties uit om ervoor te zorgen dat ze goed werken voordat het installatieproces begint. Ze vergemakkelijken ook voortdurende instrumentupgrades door bestaande detectoren aan te passen en modellen van de volgende generatie toe te voegen die neutronengegevens vanuit zoveel mogelijk hoeken vastleggen.

"Het invullen van de detectorsuite verhoogt de hoeveelheid gegevens die u in een kortere tijd kunt verzamelen en verbetert over het algemeen de gebruikerservaring, Riedel zei. "Het is echt spannend om de werking van een instrument op deze manier te verbeteren."

Een instrument dat deze behandeling heeft gekregen is MaNDi, SNS-straallijn 11B, die Riedel beschrijft als "een voetbal van woedecamera's." Recenter, het team heeft de helft van POWGEN geüpgraded, SNS-straallijn 11A, door 10 nieuwe WLS-detectoren toe te voegen.

Naast deze upgrades, andere geplande projecten omvatten de ontwikkeling van verbeterde scintillatoren, het produceren van nieuwe detectoren voor neutronenbeeldvormingsinstrumenten met hoge resolutie, en het ontwerpen van snelle detectoren voor toekomstige instrumenten met hogere datasnelheden.

"De meeste van deze projecten bevinden zich op dit moment in de pre-productiefase, " zei Riedel. "Omdat we doorgaan met het produceren van hoogwaardige detectoren, we weten dat nieuwe ontdekkingen om de hoek kunnen liggen."