Quando un fascio di neutroni incontra un campione, i neutroni rimbalzano lontano dal materiale in varie direzioni in un processo chiamato "diffusione di neutroni". I neutroni dispersi interagiscono con rilevatori specializzati che consentono la mappatura della velocità e della traiettoria delle particelle per dedurre dove si trovano gli atomi di interesse e come si comportano.

Queste informazioni consentono ai ricercatori di determinare la struttura e le proprietà dei materiali studiandoli in varie forme come liquidi, polveri, e campioni di cristallo. Le intuizioni di questi studi possono informare la produzione di batterie migliori, sviluppo di farmaci più efficaci, e altre applicazioni pratiche. Poiché gli esperimenti di diffusione di neutroni non sarebbero possibili senza i rivelatori di neutroni, un team presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) li sviluppa internamente per ogni strumento presso la Spallation Neutron Source (SNS) e il reattore isotopico ad alto flusso (HFIR) del laboratorio.

"Pensa ai rivelatori come agli occhi di uno strumento, " ha detto Rick Riedel, un ricercatore senior dell'ORNL che ha lavorato sui rivelatori per oltre 15 anni. "Ti aiutano a vedere dove e quando i neutroni si disperdono. Da queste informazioni, puoi dire cosa sta succedendo all'interno di un cristallo."

Molti rivelatori di neutroni sono realizzati utilizzando elio-3, un gas che ha molte proprietà desiderabili ed è in uso da più di 50 anni. Però, sono necessari altri materiali per soddisfare i requisiti sempre più esigenti degli strumenti di diffusione di neutroni. Le telecamere per la rabbia e i rilevatori di fibra a variazione di lunghezza d'onda (WLS) sono due tecnologie in uso presso SNS che utilizzano queste diverse risorse.

Sia le telecamere Anger che i rivelatori WLS possono essere classificati come rivelatori di neutroni a scintillatore. Questi scintillatori sono abbastanza sensibili da rilevare singoli neutroni. Gli scintillatori assorbono i neutroni sparsi ed emettono lampi di luce per indicare la posizione finale di ciascuna particella. (Al di fuori delle sorgenti di neutroni, gli scintillatori servono come rilevatori di radiazioni negli aeroporti e come dispositivi di imaging medico per scopi diagnostici.)

Riedel e il suo team progettano variazioni di scintillatori e altri rivelatori in base alle specialità scientifiche e ai vincoli fisici degli strumenti per fornire i migliori dati possibili durante gli esperimenti.

"Il design di ogni strumento è specificamente studiato per ottimizzare i dati che possiamo raccogliere da campioni reali nella linea di luce, " ha detto Riedel.

Il team di sviluppo dell'ORNL ha vinto un premio R&D 100 per i rivelatori WLS e un altro per il sistema di rivelatori di neutroni Pharos a elio-3. Lavorano continuamente per migliorare i progetti originali del rilevatore, spesso combinando la tecnologia esistente con risorse più moderne.

"La tecnologia delle fotocamere Anger esiste dal 1970, e abbiamo fatto uso dell'elettronica moderna per migliorare la risoluzione e l'affidabilità di quei rilevatori, " Ha detto Riedel. "Stiamo attualmente sviluppando una nuova generazione di fotocamere Anger che saranno ancora migliori".

Inoltre, monitorano le tecnologie emergenti in tutto il mondo che potrebbero essere potenzialmente incorporate in progetti futuri. Riedel considera la collaborazione internazionale con altri scienziati e strutture parte integrante del ciclo continuo di sviluppo del rivelatore.

"È una spinta costante a sviluppare e installare rivelatori sempre migliori, " ha detto. "Potremmo consentire una nuova scienza quando progettiamo rivelatori con risoluzioni più elevate o livelli più bassi di rumore di fondo".

Il team testa nuovi rilevatori per fattori chiave come velocità, risoluzione, e uniformità in un laboratorio di rivelatori e in una linea di luce di sviluppo HFIR, quindi esegue le simulazioni per assicurarsi che funzionino correttamente prima di iniziare il processo di installazione. Facilitano inoltre gli aggiornamenti in corso degli strumenti modificando i rilevatori esistenti e aggiungendo modelli di prossima generazione che acquisiscono i dati sui neutroni da quante più angolazioni possibili.

"Compilare la suite di rilevatori aumenta la quantità di dati che è possibile raccogliere in un lasso di tempo più breve e generalmente migliora l'esperienza dell'utente, " Ha detto Riedel. "È davvero emozionante migliorare il funzionamento di uno strumento in questo modo".

Uno strumento che ha ricevuto questo trattamento è ManDi, SNS linea di luce 11B, che Riedel descrive come "un pallone da calcio delle telecamere Anger". Più recentemente, il team ha aggiornato metà di POWGEN, SNS linea di luce 11A, aggiungendo 10 nuovi rilevatori WLS.

Oltre a questi aggiornamenti, altri progetti pianificati includono lo sviluppo di scintillatori migliorati, produzione di nuovi rivelatori per strumenti di imaging di neutroni ad alta risoluzione, e progettando rivelatori veloci per strumenti futuri con velocità di trasmissione dati più elevate.

"La maggior parte di questi progetti sono in fase di pre-produzione a questo punto, " ha detto Riedel. "Mentre continuiamo a produrre rivelatori di alta qualità, sappiamo che nuove scoperte potrebbero essere dietro l'angolo".