Detectoren voor reflectometrie moeten in zeer korte tijd veel neutronen detecteren. Dit betekent dat ze moeten worden ontworpen met zeer hoge telsnelheden. Helaas, huidige detectoren moeten worden verbeterd om te voldoen aan de eisen van reflectometrie-experimenten, dus hebben onderzoekers van ISIS Neutron en Muon source gewerkt aan een detector die dat wel kan.

Neutronendetectoren die ZnS:Ag / 6LiF-scintillatoren gebruiken, worden vaak gebruikt omdat ze helder licht uitstralen wanneer er een neutron op inslaat. Het licht wordt vervolgens opgevangen door een golflengteverschuivende (WLS)-vezel en overgebracht naar een fotomultiplicatorbuis (PMT) waar het wordt omgezet in elektrische signalen.

Scintillatiedetectoren die ZnS:Ag gebruiken, zijn niet optimaal omdat er een nagloeiing is geassocieerd met de scintillator die de snelheidscapaciteit beperkt tot 20 kHz per fotomultiplicatorbuis (PMT)-kanaal. SINE2020 heeft een team van ISIS in het VK in staat gesteld om een ​​op ZnS:Ag/6LiF gebaseerde scintillatordetector te ontwerpen met WLS-vezeluitlezing aangesloten op multianode (MA) PMT's met als doel deze snelheidscapaciteit tegelijkertijd te verhogen en de kosten te verlagen.

Het blijkt dat reflectometers doorgaans alleen hoge snelheden van neutronen verspreiden over 1-3 lijnen (of detectorpixels) over het oppervlak van de detector. Door het conventionele ontwerp van een detector kan het heldere scintillatielicht alleen worden opgevangen door een paar PMT-kanalen, waardoor een hoge neutronentelling onmogelijk is vanwege de dode tijd van de detector. Als deze hoge intensiteit zou kunnen worden verdeeld over alle PMT's, in plaats van slechts een paar, het tarief vermogen zou kunnen worden verhoogd.

Het team creëerde een detector met 128 gekruiste vezels die een actief gebied van 32 × 32 mm2 bestrijken. verdeeld in 4096 pixels. De vezels zijn verbonden met twee 64-kanaals MA PMT's. Het geheel kan eenvoudig in de neutronenbundel worden gedraaid, zodat de intense lijnen naar believen over een variabel aantal PMT-kanalen kunnen worden verspreid.

De opstelling werd getest op de CRISP-bundellijn om parameters zoals positieresolutie, ghosting en rate-mogelijkheden. De detector vertoonde een FWHM-positieresolutie van 0,6 mm en de snelheidscapaciteit verbeterde met een factor 5. het gekruiste vezelontwerp is niet in staat om volledig te profiteren van de winst in snelheidscapaciteit en er waren problemen met ghosting (d.w.z. onjuiste positionering van neutronen) wanneer de assemblage zich in een hoek van niet 90 graden bevond.

Dus besloot het team een ​​nieuwe aanpak uit te proberen om de snelheidscapaciteit te verbeteren. Waarom zou u het detectorgebied niet zodanig segmenteren dat afzonderlijke detectorpixels optisch kunnen worden geïsoleerd? Dit brengt de resolutie in horizontale richting in gevaar, maar helpt nevenbeelden te elimineren. Dit is wat de onderzoekers deden met hun hoge aspect ratio 2-dimensionale (SHARD2) detector.

Ze verdeelden het 64 × 64 mm2 actieve gebied van de detector in vier 16 mm brede kolommen of segmenten. Elk segment werd vervolgens bedekt met 64 WLS-vezels met een diameter van 1 mm, die elk waren aangesloten op een 64-kanaals MA PMT, een pixel vormen. De vezels en de segmenten werden optisch van elkaar geïsoleerd door dunne roestvrijstalen folie om de verspreiding van licht van de ene vezel naar de andere te voorkomen. Dit betekent dat de PMT alleen neutronengebeurtenissen kan detecteren die precies over die ene vezel plaatsvinden. Scintillatorenplaten die direct voor en achter de vezels waren gemonteerd, maakten de opstelling compleet.

In vergelijking met niet-gesegmenteerde detectoren, de snelheidscapaciteit was meer dan een factor 4 beter bij testen op de INTER-straallijn. Er was weinig ghosting, en wat er wel is gebeurd, moet eenvoudig kunnen worden geëlimineerd met behulp van verbeterde elektronica. Momenteel is de positieresolutie 1 mm en de snelheidscapaciteit is nu enkele kHz/mm2.

Een voordeel van de segmentatie is dat de mogelijkheid bestaat om slechts een klein deel ervan in staat te stellen een zeer hoge neutronensnelheid te detecteren. Je moet er alleen voor zorgen dat de intense straal op dit hoge snelheidsgedeelte van de detector valt. De ontwikkeling hoeft zich dan alleen te concentreren op het verbeteren van de snelheidscapaciteit in een deel van de detector, wat goedkoper zal zijn en minder apparatuurruimte in beslag neemt dan wanneer je zou proberen het hele actieve gebied deze hogere tarieven te laten detecteren.

De volgende ontwikkelingsstap is de overgang naar een positieresolutie van 0,5 mm met vacuümcompatibele mechanica. De eerste detector van dit nieuwe concept zal worden gebruikt voor de INTER-reflectometer, waardoor de bundellijn kan profiteren van hun nieuwe gids en de flux kan vergroten.