När en neutronstråle möter ett prov, neutroner rikoschetterar bort från materialet i olika riktningar i en process som kallas "neutronspridning". De spridda neutronerna interagerar med specialiserade detektorer som gör det möjligt att kartlägga partiklarnas hastighet och bana för att härleda var atomer av intresse finns och hur de beter sig.

Denna information gör det möjligt för forskare att bestämma strukturen och egenskaperna hos material genom att studera dem i olika former som vätskor, pulver, och kristallprover. Insikter från dessa studier kan informera om produktionen av bättre batterier, utveckling av mer effektiva mediciner, och andra praktiska tillämpningar. Eftersom experiment med neutronspridning inte skulle vara möjliga utan neutrondetektorer, ett team vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) utvecklar dem internt för varje instrument vid labbets Spallation Neutron Source (SNS) och High Flux Isotope Reactor (HFIR).

"Tänk på detektorerna som ögonen på ett instrument, " sa Rick Riedel, en senior forskare från ORNL som har arbetat med detektorer i över 15 år. "De hjälper dig att se var och när neutroner sprids. Från den informationen, du kan se vad som händer inuti en kristall."

Många neutrondetektorer är gjorda med hjälp av helium-3, en gas som har många önskvärda egenskaper och som har använts i mer än 50 år. Dock, andra material behövs för att möta de allt mer krävande kraven på instrument för neutronspridning. Ilska kameror och våglängdsförskjutande fiber (WLS) detektorer är två tekniker som används på SNS som använder sig av dessa olika resurser.

Både Anger-kameror och WLS-detektorer kan kategoriseras som scintillatorbaserade neutrondetektorer. Dessa scintillatorer är tillräckligt känsliga för att detektera enskilda neutroner. Scintillatorer absorberar de spridda neutronerna och avger ljusblixtar för att indikera den slutliga positionen för varje partikel. (Utanför neutronkällor, scintillatorer fungerar som strålningsdetektorer på flygplatser och som medicinsk avbildningsutrustning för diagnostiska ändamål.)

Riedel och hans team designar varianter av scintillatorer och andra detektorer baserat på de vetenskapliga specialiteterna och fysiska begränsningarna för instrument för att tillhandahålla bästa möjliga data under experiment.

"Designen för varje instrument är specifikt skräddarsydd för att optimera data vi kan samla in från verkliga prover i strållinjen, sa Riedel.

ORNL-utvecklingsteamet vann en R&D 100-pris för WLS-detektorerna och en annan för Pharos-neutrondetektorsystemet helium-3. De arbetar kontinuerligt med att förbättra de ursprungliga detektordesignerna, ofta genom att kombinera befintlig teknik med modernare resurser.

"Ilska kamerateknik har funnits sedan 1970, och vi använde modern elektronik för att förbättra upplösningen och tillförlitligheten hos dessa detektorer, ", sa Riedel. "Vi utvecklar för närvarande en ny generation Anger-kameror som kommer att bli ännu bättre."

De övervakar också framväxande teknologier runt om i världen som potentiellt kan införlivas i framtida design. Riedel anser att internationellt samarbete med andra forskare och anläggningar är en integrerad del av detektorutvecklingens kontinuerliga cykel.

"Det är en ständig push för att utveckla och installera bättre och bättre detektorer, ", sa han. "Vi skulle kunna möjliggöra ny vetenskap när vi designar detektorer med högre upplösningar eller lägre nivåer av bakgrundsljud."

Teamet testar nya detektorer för nyckelfaktorer som hastighet, upplösning, och enhetlighet i ett detektorlabb och vid en HFIR-utvecklingsstrållinje, kör sedan simuleringar för att säkerställa att de fungerar korrekt innan installationsprocessen påbörjas. De underlättar också pågående instrumentuppgraderingar genom att modifiera befintliga detektorer och lägga till nästa generations modeller som fångar neutrondata från så många vinklar som möjligt.

"Att fylla i detektorpaketet ökar mängden data du kan samla in på kortare tid och förbättrar generellt användarupplevelsen, ", sa Riedel. "Det är verkligen spännande att förbättra driften av ett instrument på detta sätt."

Ett instrument som fick denna behandling är MaNDi, SNS strållinje 11B, som Riedel beskriver som "en fotboll av ilska kameror." På senare tid, laget uppgraderade hälften av POWGEN, SNS strållinje 11A, genom att lägga till 10 nya WLS-detektorer.

Förutom dessa uppgraderingar, andra planerade projekt inkluderar utveckling av förbättrade scintillatorer, producera nya detektorer för högupplösta neutronavbildningsinstrument, och designa snabba detektorer för framtida instrument med högre datahastigheter.

"De flesta av dessa projekt är i förproduktionsstadiet vid denna tidpunkt, "Sade Riedel. "När vi fortsätter att producera högkvalitativa detektorer, vi vet att nya upptäckter kan vara precis runt hörnet."