Detektorforbedringer opgraderer videnskabelige muligheder for SNS- og HFIR-instrumenter

Når en neutronstråle møder en prøve, neutroner rikochetterer væk fra materialet i forskellige retninger i en proces kaldet "neutronspredning". De spredte neutroner interagerer med specialiserede detektorer, der gør det muligt at kortlægge partiklernes hastighed og bane for at udlede, hvor atomer af interesse er, og hvordan de opfører sig.

Denne information giver forskere mulighed for at bestemme strukturen og egenskaberne af materialer ved at studere dem i forskellige former, såsom væsker, pulvere, og krystalprøver. Indsigt fra disse undersøgelser kan informere om produktionen af ​​bedre batterier, udvikling af mere effektiv medicin, og andre praktiske anvendelser. Fordi neutronspredningsforsøg ikke ville være mulige uden neutrondetektorer, et hold ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) udvikler dem internt for hvert instrument ved laboratoriets Spallation Neutron Source (SNS) og High Flux Isotope Reactor (HFIR).

"Tænk på detektorerne som øjnene på et instrument, " sagde Rick Riedel, en seniorforsker fra ORNL, der har arbejdet med detektorer i over 15 år. "De hjælper dig med at se, hvor og hvornår neutroner spredes. Ud fra den information, du kan se, hvad der foregår inde i en krystal."

Mange neutrondetektorer er lavet ved hjælp af helium-3, en gas, der har mange ønskværdige egenskaber og har været i brug i mere end 50 år. Imidlertid, andre materialer er nødvendige for at opfylde de stadig mere krævende krav til neutronspredningsinstrumenter. Vredekameraer og bølgelængdeforskydende fiber (WLS) detektorer er to teknologier i brug hos SNS, der gør brug af disse forskellige ressourcer.

Både Anger-kameraer og WLS-detektorer kan kategoriseres som scintillatorbaserede neutrondetektorer. Disse scintillatorer er følsomme nok til at detektere enkelte neutroner. Scintillatorer absorberer de spredte neutroner og udsender lysglimt for at angive den endelige position af hver partikel. (Uden for neutronkilder, scintillatorer fungerer som strålingsdetektorer i lufthavne og som medicinsk billeddannende udstyr til diagnostiske formål.)

Riedel og hans team designer variationer af scintillatorer og andre detektorer baseret på de videnskabelige specialer og fysiske begrænsninger af instrumenter for at give de bedst mulige data under eksperimenter.

"Designet for hvert instrument er specifikt skræddersyet til at optimere de data, vi kan indsamle fra rigtige prøver i beamline, " sagde Riedel.

ORNL-udviklingsteamet vandt en R&D 100-pris for WLS-detektorerne og en anden for helium-3 Pharos neutrondetektorsystemet. De arbejder løbende på at forbedre de originale detektordesigns, ofte ved at kombinere eksisterende teknologi med mere moderne ressourcer.

"Anger-kamerateknologi har eksisteret siden 1970, og vi brugte moderne elektronik til at forbedre opløsningen og pålideligheden af ​​disse detektorer, " sagde Riedel. "Vi er i øjeblikket ved at udvikle en ny generation af Anger-kameraer, der vil være endnu bedre."

De overvåger også nye teknologier rundt om i verden, som potentielt kan blive indarbejdet i fremtidige designs. Riedel betragter internationalt samarbejde med andre forskere og faciliteter som en integreret del af den kontinuerlige cyklus af detektorudvikling.

"Det er et konstant skub for at udvikle og installere bedre og bedre detektorer, " sagde han. "Vi kunne muliggøre ny videnskab, når vi designer detektorer med højere opløsninger eller lavere niveauer af baggrundsstøj."

Holdet tester nye detektorer for nøglefaktorer som hastighed, løsning, og ensartethed i et detektorlaboratorium og ved en HFIR-udviklingsstrålelinje, kører derefter simuleringer for at sikre, at de fungerer korrekt, før installationsprocessen påbegyndes. De letter også løbende instrumentopgraderinger ved at modificere eksisterende detektorer og tilføje næste generations modeller, der fanger neutrondata fra så mange vinkler som muligt.

"At udfylde detektorpakken øger mængden af ​​data, du kan indsamle på kortere tid og forbedrer generelt brugeroplevelsen, " sagde Riedel. "Det er virkelig spændende at forbedre betjeningen af ​​et instrument på denne måde."

Et instrument, der modtog denne behandling, er MaNDi, SNS beamline 11B, som Riedel beskriver som "en fodbold af vrede-kameraer." For nylig, holdet opgraderede halvdelen af ​​POWGEN, SNS beamline 11A, ved at tilføje 10 nye WLS-detektorer.

Ud over disse opgraderinger, andre planlagte projekter omfatter udvikling af forbedrede scintillatorer, producerer nye detektorer til højopløselige neutronafbildningsinstrumenter, og design af hurtige detektorer til fremtidige instrumenter med højere datahastigheder.

"De fleste af disse projekter er i præproduktionsfasen på dette tidspunkt, " sagde Riedel. "Når vi fortsætter med at producere højkvalitetsdetektorer, vi ved, at nye opdagelser kan være lige rundt om hjørnet."