I rivelatori per riflettometria devono rilevare molti neutroni in un brevissimo lasso di tempo. Ciò significa che devono essere progettati con capacità di velocità di conteggio molto elevate. Sfortunatamente, gli attuali rivelatori devono migliorare per soddisfare le esigenze degli esperimenti di riflettometria, quindi i ricercatori di ISIS Neutron e Muon source hanno lavorato su un rivelatore che possa farlo.

I rivelatori di neutroni che utilizzano scintillatori ZnS:Ag / 6LiF sono comunemente usati in quanto emettono luce brillante quando un neutrone lo colpisce. La luce viene quindi raccolta da una fibra a variazione di lunghezza d'onda (WLS) e trasferita a un tubo fotomoltiplicatore (PMT) dove viene convertita in segnali elettrici.

I rivelatori a scintillazione che utilizzano ZnS:Ag non sono ottimali perché esiste un bagliore residuo associato allo scintillatore che limita la capacità di velocità a 20kHz per canale del tubo fotomoltiplicatore (PMT). SINE2020 ha consentito a un team di ISIS nel Regno Unito di progettare un rivelatore a scintillatore basato su ZnS:Ag/6LiF con lettura in fibra WLS collegata a PMT multianodo (MA) con l'obiettivo di aumentare contemporaneamente questa capacità di velocità e ridurre i costi.

Si scopre che i riflettometri in genere diffondono solo alti tassi di neutroni su 1-3 linee (o pixel del rivelatore) sulla faccia del rivelatore. Il design convenzionale di un rivelatore consente solo alla luce scintillante di essere captata da pochi canali PMT, rendendo impossibile un'elevata velocità di conteggio dei neutroni a causa del tempo morto del rivelatore. Se questa alta intensità potesse essere distribuita su tutti i PMT, piuttosto che solo alcuni, la capacità di tasso potrebbe essere aumentata.

Il team ha creato un rivelatore con 128 fibre incrociate che coprono un'area attiva 32 × 32 mm2, diviso in 4096 pixel. Le fibre sono collegate a due MA PMT a 64 canali. Il gruppo può essere facilmente ruotato nel fascio di neutroni in modo che le linee intense possano essere distribuite a piacimento su un numero variabile di canali PMT.

Il set-up è stato testato sulla linea di luce CRISP per studiare parametri come risoluzione della posizione, capacità di ghosting e frequenza. Il rilevatore ha mostrato una risoluzione di posizione FWHM di 0,6 mm e la capacità di velocità è migliorata di un fattore 5. Tuttavia, il design a fibra incrociata non è in grado di sfruttare appieno i guadagni nella capacità di velocità e si sono verificati problemi con il ghosting (ovvero il posizionamento errato dei neutroni) quando il gruppo non era ad angoli di 90 gradi.

Quindi il team ha deciso di provare invece un nuovo approccio per migliorare la capacità di velocità. Perché non segmentare l'area del rilevatore in modo da consentire l'isolamento ottico dei singoli pixel del rilevatore? Ciò compromette la risoluzione in direzione orizzontale ma aiuta a eliminare l'effetto fantasma. Questo è ciò che i ricercatori hanno fatto con il loro rilevatore bidimensionale ad alto rapporto di aspetto (SHARD2).

Hanno diviso l'area attiva di 64 × 64 mm2 del rivelatore in quattro colonne o segmenti larghi 16 mm. Ogni segmento è stato poi ricoperto con 64 fibre WLS di 1 mm di diametro, ognuno dei quali era collegato a un MA PMT a 64 canali, formando un pixel. Le fibre e i segmenti sono stati isolati otticamente l'uno dall'altro mediante una sottile lamina di acciaio inossidabile per evitare la diffusione della luce da una fibra all'altra. Ciò significa che il PMT sarà in grado di rilevare solo eventi di neutroni che si verificano esattamente su quella singola fibra. I fogli scintillatori montati direttamente davanti e dietro le fibre hanno poi completato la disposizione.

Rispetto ai rilevatori non segmentati, la capacità di velocità era più di un fattore 4 migliore quando testata sulla linea di luce INTER. C'era pochissimo ghosting, e ciò che si è verificato dovrebbe essere facile da eliminare utilizzando un'elettronica migliorata. Attualmente la risoluzione della posizione è di 1 mm e la capacità di velocità è ora di pochi kHz/mm2.

Un vantaggio della segmentazione è che esiste la possibilità di renderne solo una piccola parte in grado di rilevare un tasso di neutroni molto elevato. Devi solo assicurarti che il raggio intenso cada su questa sezione ad alta velocità del rivelatore. Lo sviluppo deve quindi concentrarsi solo sul miglioramento della capacità di velocità in una parte del rivelatore che sarà più economico e occuperà meno spazio dell'attrezzatura rispetto a se si tentasse di rendere l'intera area attiva in grado di rilevare queste velocità più elevate.

Il prossimo passo di sviluppo è passare alla risoluzione di posizione di 0,5 mm con meccanica compatibile con il vuoto. Il primo rivelatore di questo nuovo concetto sarà utilizzato per il riflettometro INTER consentendo alla linea di luce di sfruttare la nuova guida e aumentare il flusso.