ZnS scintillationsdetektor med bølgelængdeskiftende fiberaflæsning

Detektorer til reflektometri skal detektere en masse neutroner på meget kort tid. Dette betyder, at de skal designes med meget høj tællehastighed. Desværre, nuværende detektorer skal forbedres for at imødekomme kravene fra reflektometriske eksperimenter, så forskere ved ISIS Neutron og Muon-kilde har arbejdet på en detektor, der kan.

Neutrondetektorer, der bruger ZnS:Ag / 6LiF scintillatorer, er almindeligt anvendte, da de udsender skarpt lys, når en neutron rammer den. Lyset opsamles derefter af en bølgelængdeskiftende (WLS) fiber og overføres til et fotomultiplikatorrør (PMT), hvor det omdannes til elektriske signaler.

Scintillationsdetektorer, der bruger ZnS:Ag, er ikke optimale, fordi der er en efterglød forbundet med scintillatoren, som begrænser hastighedskapaciteten til 20 kHz pr. fotomultiplikatorrør (PMT) kanal. SINE2020 har gjort det muligt for et team hos ISIS i Storbritannien at designe en ZnS:Ag/6LiF-baseret scintillatordetektor med WLS-fiberudlæsning forbundet til multianode (MA) PMT'er med det formål samtidig at øge denne hastighedskapacitet og reducere omkostningerne.

Det viser sig, at reflektometre typisk kun vil sprede høje mængder af neutroner over 1-3 linjer (eller detektorpixel) over detektorens overflade. Det konventionelle design af en detektor gør det kun muligt at opfange det klare scintillationslys af nogle få PMT-kanaler, hvilket gør en høj neutrontællerhastighed umulig på grund af detektorens dødtid. Hvis denne høje intensitet kunne fordeles på tværs af alle PMT'er, frem for blot nogle få, satskapaciteten kunne øges.

Holdet skabte en detektor med 128 krydsede fibre, der dækker et aktivt område på 32 × 32 mm2, opdelt i 4096 pixels. Fibrene er forbundet til to 64-kanals MA PMT'er. Enheden kan let roteres i neutronstrålen, så de intense linjer kan spredes over et variabelt antal PMT-kanaler efter ønske.

Opsætningen blev testet på CRISP beamline for at undersøge parametre som positionsopløsning, spøgelses- og ratekapacitet. Detektoren viste en 0,6 mm FWHM positionsopløsning og hastighedskapaciteten forbedret med en faktor 5. det krydsede fiberdesign er ikke i stand til at drage fuld fordel af gevinsterne i hastighedskapaciteten, og der var problemer med ghosting (dvs. forkert positionering af neutroner), når samlingen var i vinkler uden for 90 grader.

Så teamet besluttede at prøve en ny tilgang til at forbedre hastighedskapaciteten i stedet for. Hvorfor ikke segmentere detektorområdet på en måde, der tillader individuelle detektorpixel at blive optisk isoleret? Dette kompromitterer opløsningen i vandret retning, men hjælper med at eliminere spøgelsesbilleder. Dette er, hvad forskerne gjorde med deres høje aspektforhold 2-dimensionelle (SHARD2) detektor.

De opdelte detektorens 64 × 64 mm2 aktive område i fire 16 mm brede søjler eller segmenter. Hvert segment blev derefter dækket med 64 1 mm diameter WLS fibre, som hver var forbundet til en 64-kanals MA PMT, danner en pixel. Fibrene og segmenterne blev optisk isoleret fra hinanden ved hjælp af tynd rustfri stålfolie for at undgå spredning af lys fra en fiber til en anden. Dette betyder, at PMT'en kun vil være i stand til at detektere neutronhændelser, der forekommer nøjagtigt over den enkelte fiber. Scintillatorplader monteret direkte foran og bagved fibrene fuldendte derefter arrangementet.

Sammenlignet med ikke-segmenterede detektorer, hastighedskapaciteten var mere end en faktor 4 bedre, når den blev testet på INTER-strålelinjen. Der var meget lidt spøgelse, og det, der skete, skulle være let at eliminere ved hjælp af forbedret elektronik. I øjeblikket er positionsopløsningen 1 mm, og hastighedskapaciteten er nu et par kHz/mm2.

En fordel ved segmenteringen er, at der er mulighed for kun at gøre en lille del af den i stand til at detektere en meget høj neutronhastighed. Du skal bare sørge for, at den intense stråle falder på denne højhastighedssektion af detektoren. Udviklingen skal så kun koncentrere sig om at forbedre ratekapaciteten i den ene del af detektoren, som vil være billigere og optage mindre udstyrsplads, end hvis man forsøgte at gøre hele det aktive område i stand til at detektere disse højere rater.

Det næste udviklingstrin er at flytte til 0,5 mm positionsopløsning med vakuumkompatibel mekanik. Den første detektor i dette nye koncept vil blive brugt til INTER-reflektometeret, hvilket giver beamline mulighed for at drage fordel af deres nye guide og øge fluxen.