Resistive Plate Chambers (RPC) utvecklas som detektorer för neutroner som en del av SINE2020. Luís Margato, Andrey Morozov och Alberto Blanco från LIP Coimbra i Portugal har arbetat med projektet. Här är vad de har gjort.

Steg 1:Konceptuell design

Luís Margato och hans team använde initialt Monte Carlo-simuleringar för att undersöka designkoncept för Boron-10 RPC. Med hjälp av öppen källkoder (ANTS2 -verktygssats) bedömde de effekterna av att ändra detektorparametrar och material:till exempel gasgapets bredd, neutronomvandlarens skikttjocklek eller infallsvinkel för neutronstrålen på detektorn. En gång utforskat, det var dags att göra några prototyper.

Steg 2:Proof-of-concept

Som ett resultat av simuleringarna en hybrid RPC -prototyp konstruerades på labbet i LIP Coimbra, med hjälp av C. Hoglund på ESS detektorbeläggningsverkstad som ansvarade för tillverkningen av beläggningarna. Det testades på Institut Laue-Langevin i Frankrike. Att jämföra två RPC -prototyper, en med ett neutronomvandlarlager och en utan, visade att neutronomvandlaren tillåter neutroner att detekteras och med en bra rumsupplösning också. Konceptet fungerar!

Steg 3:Prototyper

Nästa ytterligare två prototyper med olika gasgapbredder (0,35 mm och 1 mm) gjordes och testades i samarbete med Karl Zeitelhack på FRMII på TREFF-strålen som en del av SINE2020. Resultaten visade en rumslig upplösning bättre än 0,25 mm FWHM och 12,5% detekteringseffektivitet för 4,7 ångströmneutroner. Dessa överensstämde väl med simuleringar, inklusive förväntad bättre prestanda och upplösning av det tunnare gasgapet. Men kan det förbättras ytterligare genom att ge flera möjligheter för neutroner att fångas?

Steg 4:Flerskikt

Med hjälp av det bättre presterande gasgapet, en detektor med dubbelgap-RPC i en flerskiktsarkitektur monterades vid LIP och testades vid FRMII. Prototypen innehöll 10 dubbelgap 10B RPC:er (bestående av 20 neutronomvandlarlager) och den rumsliga upplösningsprestandan bibehålls. Den uppmätta detekteringseffektiviteten var cirka 60% vilket gör en flerskiktsdesign mycket uppmuntrande. Båda resultaten överensstämde återigen med simuleringar.

Steg 5:Gammakänslighet

Tyvärr, gammastrålar som avges från ett prov eller av andra material i neutronstrålebanan kan störa detektorns svar och bidra till falska händelser till resultaten och därför är det viktigt att förstå och minska deras effekt på RPC:erna som utvecklas. Med hjälp av Co-60 och Na-22 gammakällor, 10B RPC -kännetecknas för sin gammakänslighet. När parametrarna utvärderas, design kan förbättras.

De preliminära resultaten visar att för en dubbel-gap-RPC bestrålad av en Na-22-gammakälla kan RPC:s känslighet för Na-22-gammastrålarna och i högspänningsregionen på platån för neutrondetektering gå ner till ~ 10- 6 för 511keV-fotonerna och kan gå under 10-5 när 1,27 MeV beaktas. Dessa resultat erhölls utan någon optimering av detektorn med avseende på gammakänsligheten, så genom att optimera detektorns konstruktion angående denna aspekt kan det vara möjligt att minska dessa värden.

Nästa steg:

Med en så lovande detektorteknik på väg måste vi räkna ut hur vi kan förbättra nuvarande konstruktioner och material ytterligare, till exempel optimering av tjockleken för neutronomvandlarens skikt i flerskiktsanordningen för att öka räkningshastigheten. Så för nu, Luís är tillbaka i den virtuella världen av simuleringar med hjälp av information från prototyptestning.

Särskilt, laget tittar på att förbättra detektorns räknehastighet så att den kan räkna så många neutroner per sekund per kvadratmillimeter som möjligt.

Andra områden för framtida undersökningar inkluderar modellering av detektorn med tanke på neutronspridning i detektormaterialen och att variera infallsvinkeln för neutronstrålen från den vinkelräta incidensen.