Resistive pladekamre som neutrondetektorer

Resistive Plate Chambers (RPC'er) udvikles som detektorer for neutroner som en del af SINE2020. Luís Margato, Andrey Morozov og Alberto Blanco fra LIP Coimbra i Portugal har arbejdet på projektet. Her er hvad de har gjort.

Trin 1:Konceptuelt design

Luís Margato og hans team brugte oprindeligt Monte Carlo-simuleringer til at undersøge designkoncepter for Boron-10 RPC'er. Ved hjælp af open source-koder (ANTS2 toolkit) vurderede de virkningerne af at ændre detektorparametre og materialer:for eksempel bredden af ​​gasgabet, neutronkonverterens lagtykkelse eller indfaldsvinkel af neutronstrålen på detektoren. Når de er udforsket, det var tid til at lave nogle prototyper.

Trin 2:Proof-of-concept

Som et resultat af simuleringerne, en hybrid RPC-prototype blev konstrueret i laboratoriet i LIP Coimbra, med hjælp fra C. Hoglund på ESS detektorbelægningsværkstedet, der stod for produktionen af ​​belægningerne. Den blev testet på Institut Laue-Langevin i Frankrig. Sammenligning af to RPC-prototyper, en med et neutronkonverterlag og en uden, viste, at neutronkonverteren gør det muligt at detektere neutroner og også ved en god rumlig opløsning. Konceptet virker!

Trin 3:Prototyper

Dernæst blev yderligere to prototyper med forskellige gasgab-bredder (0,35 mm og 1 mm) lavet og testet i samarbejde med Karl Zeitelhack på FRMII på TREFF-strålelinjen som en del af SINE2020. Resultaterne viste en rumlig opløsning bedre end 0,25 mm FWHM og 12,5 % detektionseffektivitet for 4,7 ångstrøm neutroner. Disse var i god overensstemmelse med simuleringer, herunder den forventede bedre ydeevne og opløsning af det tyndere gasgab. Men kan det forbedres yderligere ved at give flere muligheder for at fange neutroner?

Trin 4:Flerlag

Ved at bruge det bedre ydende gasgab, en detektor med dobbeltgab RPC'er i en flerlagsarkitektur blev samlet på LIP og testet ved FRMII. Prototypen indeholdt 10 double-gap 10B RPC'er (bestående af 20 neutronkonverterslag), og den rumlige opløsningsydelse bibeholdes. Den målte detektionseffektivitet var omkring 60 %, hvilket gør et flerlagsdesign meget opmuntrende. Begge resultater var igen i god overensstemmelse med simuleringer.

Trin 5:Gammafølsomhed

Desværre, gammastråler, der udsendes fra en prøve eller af andre materialer i neutronstrålebanen, kan forstyrre detektorens respons, hvilket bidrager med falske hændelser til resultaterne, og det er derfor vigtigt at forstå og reducere deres effekt på de RPC'er, der udvikles. Ved at bruge Co-60 og Na-22 gammakilder, 10B RPC'erne karakteriseres for deres gammafølsomhed. Når parametrene derefter evalueres, design kan forbedres.

De foreløbige resultater viser, at for en dobbeltgab RPC bestrålet af en Na-22 gammakilde kan RPC'ens følsomhed over for Na-22 gammastrålerne og i højspændingsområdet på plateauet for neutrondetektion gå ned til ~10- 6 for 511keV-fotonerne og kan gå under 10-5, når 1,27 MeV tages i betragtning. Disse resultater blev opnået uden nogen optimering af detektoren med hensyn til gammafølsomheden, så ved at optimere detektordesignet i forhold til dette aspekt kunne det være muligt at reducere disse værdier.

Næste skridt:

Med sådan en lovende detektorteknologi undervejs er vi nødt til at finde ud af, hvordan vi kan forbedre de nuværende designs og materialer endnu mere, for eksempel optimering af neutronkonverterens lagtykkelser i flerlagsanordningen for at øge tællehastighedskapaciteten. Så for nu, Luís er tilbage til den virtuelle verden af ​​simuleringer ved hjælp af information lært fra prototypetest.

I særdeleshed, holdet ser på at forbedre detektorens tællehastighed, så den kan tælle så mange neutroner pr. sekund pr. kvadratmillimeter som muligt.

Andre områder for fremtidig undersøgelse omfatter modellering af detektoren under hensyntagen til neutronspredning i detektormaterialerne og variation af neutronstrålens indfaldsvinkel fra den vinkelrette indfaldsvinkel.