Resistive Plate Chambers (RPC) sono in fase di sviluppo come rivelatori di neutroni nell'ambito di SINE2020. Luis Margato, Andrey Morozov e Alberto Blanco di LIP Coimbra in Portogallo hanno lavorato al progetto. Ecco cosa hanno fatto.

Passaggio 1:progettazione concettuale

Luís Margato e il suo team hanno inizialmente utilizzato simulazioni Monte Carlo per studiare i concetti di progettazione per gli RPC Boron-10. Utilizzando codici open source (ANTS2 toolkit) hanno valutato gli effetti della modifica dei parametri e dei materiali del rivelatore:ad esempio l'ampiezza del gap di gas, spessore dello strato di convertitore di neutroni o angolo di incidenza del fascio di neutroni sul rivelatore. Una volta esplorato, era tempo di fare alcuni prototipi.

Passaggio 2:prova di concetto

A seguito delle simulazioni, un prototipo RPC ibrido è stato costruito presso il laboratorio di LIP Coimbra, con l'aiuto di C. Hoglund presso l'officina dei rivestimenti del rivelatore ESS che era responsabile della produzione dei rivestimenti. È stato testato presso l'Institut Laue-Langevin in Francia. Confrontando due prototipi RPC, uno con uno strato convertitore di neutroni e uno senza, ha mostrato che il convertitore di neutroni consente di rilevare i neutroni e anche con una buona risoluzione spaziale. Il concetto funziona!

Passaggio 3:prototipi

Successivamente altri due prototipi con diverse larghezze di gap del gas (0,35 mm e 1 mm) sono stati realizzati e testati in collaborazione con Karl Zeitelhack a FRMII sulla linea di luce TREFF come parte di SINE2020. I risultati hanno mostrato una risoluzione spaziale migliore di 0,25 mm FWHM e un'efficienza di rilevamento del 12,5% per neutroni da 4,7 angstrom. Questi erano in buon accordo con le simulazioni che includevano le prestazioni migliori previste e la risoluzione del gap di gas più sottile. Ma può essere ulteriormente migliorato fornendo diverse opportunità di cattura dei neutroni?

Passaggio 4:multistrato

Utilizzando il gas-gap più performante, un rivelatore con RPC a doppio gap in un'architettura multistrato è stato assemblato presso LIP e testato presso FRMII. Il prototipo conteneva 10 RPC 10B a doppio gap (comprendenti 20 strati di convertitori di neutroni) e le prestazioni di risoluzione spaziale sono state mantenute. L'efficienza di rilevamento misurata era di circa il 60%, rendendo molto incoraggiante un design multistrato. Entrambi i risultati erano ancora una volta in buon accordo con le simulazioni.

Passaggio 5:sensibilità gamma

Sfortunatamente, i raggi gamma emessi da un campione o da altri materiali nel percorso del fascio di neutroni possono disturbare la risposta del rivelatore contribuendo a falsi eventi ai risultati e quindi è importante comprendere e ridurre il loro effetto sugli RPC in fase di sviluppo. Utilizzando sorgenti gamma Co-60 e Na-22, gli RPC 10B vengono caratterizzati per la loro sensibilità gamma. Quindi, quando vengono valutati i parametri, i disegni possono essere migliorati.

I risultati preliminari mostrano che per un RPC a doppio gap irradiato da una sorgente gamma Na-22 la sensibilità dell'RPC ai raggi gamma Na-22 e nella regione ad alto voltaggio del plateau per il rilevamento dei neutroni può scendere a ~10- 6 per i fotoni da 511keV e può scendere sotto 10-5 quando si tiene conto di 1,27 MeV. Questi risultati sono stati ottenuti senza alcuna ottimizzazione del rivelatore per quanto riguarda la sensibilità gamma, quindi ottimizzando il design del rivelatore riguardo a questo aspetto potrebbe essere possibile ridurre questi valori.

Prossimi passi:

Con una tecnologia di rilevamento così promettente in fase di realizzazione, dobbiamo capire come migliorare ulteriormente i progetti e i materiali attuali, ad esempio, l'ottimizzazione degli spessori dello strato del convertitore di neutroni nel dispositivo multistrato per aumentare la capacità di velocità di conteggio. Quindi per ora, Luís è tornato nel mondo virtuale delle simulazioni utilizzando le informazioni apprese dai test sui prototipi.

In particolare, il team sta cercando di migliorare la velocità di conteggio del rivelatore in modo che possa contare il maggior numero possibile di neutroni al secondo per millimetro quadrato.

Altre aree di indagine futura includono la modellazione del rivelatore considerando la diffusione di neutroni nei materiali del rivelatore e variando l'angolo di incidenza del fascio di neutroni dall'incidenza perpendicolare.