Resistive Plate Chambers (RPC's) worden ontwikkeld als detectoren voor neutronen als onderdeel van SINE2020. Luis Margato, Andrey Morozov en Alberto Blanco van LIP Coimbra in Portugal hebben aan het project gewerkt. Dit is wat ze hebben gedaan.

Stap 1:Conceptueel ontwerp

Luís Margato en zijn team gebruikten aanvankelijk Monte Carlo-simulaties om ontwerpconcepten voor Boron-10 RPC's te onderzoeken. Met behulp van open source-codes (ANTS2-toolkit) beoordeelden ze de effecten van het wijzigen van de detectorparameters en materialen:bijvoorbeeld de breedte van de gasopening, dikte van de neutronenconverterlaag of invalshoek van de neutronenbundel op de detector. Eenmaal verkend, het was tijd om wat prototypes te maken.

Stap 2:Proof-of-concept

Als resultaat van de simulaties, een hybride RPC-prototype werd gebouwd in het laboratorium in LIP Coimbra, met de hulp van C. Hoglund bij de ESS detector coatings workshop die verantwoordelijk was voor de productie van de coatings. Het werd getest in het Institut Laue-Langevin in Frankrijk. Twee RPC-prototypes vergelijken, één met een neutronenconverterlaag en één zonder, toonde aan dat de neutronenconvertor het mogelijk maakt om neutronen te detecteren en ook met een goede ruimtelijke resolutie. Het concept werkt!

Stap 3:Prototypes

Vervolgens werden nog twee prototypes met verschillende gasspleetbreedtes (0,35 mm en 1 mm) gemaakt en getest in samenwerking met Karl Zeitelhack op FRMII op de TREFF-bundellijn als onderdeel van SINE2020. De resultaten toonden een ruimtelijke resolutie beter dan 0,25 mm FWHM en 12,5% detectie-efficiëntie voor neutronen van 4,7 angstrom. Deze kwamen goed overeen met simulaties, waaronder de verwachte betere prestaties en resolutie van de dunnere gasopening. Maar kan het verder worden verbeterd door verschillende mogelijkheden te bieden voor het afvangen van neutronen?

Stap 4:Meerdere lagen

Met behulp van de beter presterende gas-gap, een detector met double-gap RPC's in een meerlagige architectuur werd geassembleerd bij LIP en getest bij FRMII. Het prototype bevatte 10 double-gap 10B RPC's (bestaande uit 20 neutronenconverterlagen) en de ruimtelijke resolutieprestaties blijven behouden. De gemeten detectie-efficiëntie was ongeveer 60%, wat een meerlaags ontwerp zeer bemoedigend maakt. Beide resultaten kwamen weer goed overeen met simulaties.

Stap 5:Gammagevoeligheid

Helaas, gammastralen uitgezonden door een monster of door andere materialen in het pad van de neutronenbundel kunnen de reactie van de detector verstoren, wat kan leiden tot valse gebeurtenissen in de resultaten en daarom is het belangrijk om hun effect op de RPC's die worden ontwikkeld te begrijpen en te verminderen. Met behulp van Co-60 en Na-22 gammabronnen, de 10B RPC's worden gekenmerkt door hun gammagevoeligheid. Wanneer de parameters worden geëvalueerd, ontwerpen kunnen worden verbeterd.

De voorlopige resultaten laten zien dat voor een RPC met dubbele opening bestraald door een Na-22-gammabron de gevoeligheid van de RPC voor de Na-22-gammastralen en in het hoogspanningsgebied van het plateau voor neutronendetectie kan dalen tot ~10- 6 voor de 511keV-fotonen en kan onder de 10-5 gaan wanneer de 1,27 MeV in aanmerking wordt genomen. Deze resultaten werden verkregen zonder enige optimalisatie van de detector met betrekking tot de gammagevoeligheid, dus door het ontwerp van de detector met betrekking tot dit aspect te optimaliseren, zou het mogelijk kunnen zijn om deze waarden te verlagen.

Volgende stappen:

Met zo'n veelbelovende detectortechnologie in de maak, moeten we uitzoeken hoe we de huidige ontwerpen en materialen nog verder kunnen verbeteren, bijvoorbeeld het optimaliseren van de laagdikten van de neutronenomzetter in het meerlaagse apparaat om de telsnelheid te vergroten. Dus voor nu, Luís is terug in de virtuele wereld van simulaties met behulp van informatie die is opgedaan bij het testen van prototypen.

Vooral, het team probeert de telsnelheid van de detector te verbeteren, zodat deze zoveel mogelijk neutronen per seconde per vierkante millimeter kan tellen.

Andere gebieden voor toekomstig onderzoek zijn onder meer het modelleren van de detector, rekening houdend met neutronenverstrooiing in de detectormaterialen en het variëren van de invalshoek van de neutronenbundel vanaf de loodrechte inval.