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Solid-State Neutron Detector - A new Neutron Detector for High-Flux Applications

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Il nuovo rilevatore a scintillazione in grado di gestire i raggi di neutroni luminosi

La ricerca sui neutroni ha un impatto su gran parte della vita moderna, portando innovazione nel campo della progettazione di farmaci, dello stoccaggio di idrogeno o della progettazione di componenti ingegneristici più leggeri e duraturi. Serve però una tecnologia di rilevamento più potente per far fronte a strutture avanzate di diffusione dei neutroni come la futura European Spallation Source (ESS, fonte di spallazione europea), che fornirà un enorme aumento della luminosità e del flusso dei neutroni.

Ricerca di base

Al centro dell’ESS ci sarà un acceleratore lineare di 600 metri che spara protoni contro un bersaglio di tungsteno, dal quale verranno successivamente emessi neutroni. Utilizzerà i neutroni per sondare la struttura e il movimento di vari materiali a livello atomico/molecolare, consentendone l’analisi scientifica. La sua costruzione richiede notevoli progressi tecnologici su tutti i fronti della progettazione dei componenti degli strumenti. I rilevatori non fanno eccezione. Queste nuove fonti superano le capacità degli attuali rilevatori di neutroni nella loro capacità di misurare alti tassi di particelle emesse o di rilevare le posizioni delle particelle nello spazio con alta precisione, o entrambe le cose. A tal fine, il fascio di neutroni inizialmente molto luminoso emesso da una potente sorgente di neutroni deve spesso essere attenuato. «Le fonti di neutroni di nuova generazione come l’ESS sono così potenti che la maggior parte dei rilevatori moderni ne è accecata, proprio come una persona che guarda direttamente il Sole», osserva Sebastian Jaksch, coordinatore del progetto SoNDe, finanziato dall’UE. Un’altra caratteristica essenziale dei rilevatori di neutroni ad alta efficienza è la loro capacità di distinguere chiaramente tra neutroni e radiazioni gamma, o qualsiasi altro tipo di radiazione, a dirla tutta.

Primo rilevatore modulare a stato solido per elevati flussi neutronici

Il progetto SoNDe è stato pioniere nella progettazione di un rilevatore a scintillazione che elimina la necessità di attenuare il fascio di neutroni. «SoNDe utilizza una struttura di rilevatore modulare, che permette agli scienziati di contare fino a 250 000 neutroni al secondo utilizzando un singolo modulo di 5x5 cm2. Questo rende il rilevatore oltre 20 volte più capace dei rilevatori di neutroni più avanzati. Ogni modulo può essere utilizzato in modo indipendente o unito ad altri rilevatori in qualsiasi disposizione sia richiesta», spiega Jaksch. I neutroni colpiscono per primi sul vetro dello scintillatore che contiene Li-6, un isotopo stabile di litio che risponde emettendo un debole lampo di luce. Per ogni neutrone catturato vengono emessi circa 600 fotoni. Come spiega Jaksch: «Grazie a SoNDe, abbiamo la gamma dinamica per distinguere se vengono emessi 1 o 250 000 neutroni al secondo. Il fotomoltiplicatore ci aiuta a rilevare sia i segnali molto deboli che quelli forti per misurare correttamente la loro forza». Il team del progetto ha sfruttato il potenziale dei tubi fotomoltiplicatori a più anodi che si comportano come più rilevatori in uno solo, dove ogni singolo pixel si comporta come un fotomoltiplicatore. Grazie al suo diametro molto più piccolo, può ospitare più sensori sulla superficie, migliorando così il tasso di conteggio del rilevatore e la risoluzione. Un altro vantaggio principale della nuova tecnologia del rilevatore di neutroni è che lo scintillatore non contiene elio-3, un gas raro e costoso.

Uno sguardo al futuro

I rilevatori di neutroni ad alta efficienza sono fondamentali in molti settori, tra i quali la scienza dei materiali, la medicina, la biologia e l’astronomia. «Tracciare il trasporto delle molecole di farmaco con i neutroni aiuta a sviluppare modalità migliori di somministrazione di farmaci, dove grandi quantità possono essere indirizzate verso punti definiti del corpo. Può anche offrire agli archeologi una visione significativa e altrimenti del tutto inaccessibile dei manufatti antichi senza distruggerli o tagliarli», osserva Jaksch. Un’altra applicazione è lo studio delle batterie ad alte prestazioni in funzione, come quelle necessarie per i veicoli elettrici. Oltre alla ricerca scientifica, tali tecnologie di rilevazione aprono nuove applicazioni pratiche e possono essere adattate a tali applicazioni. «Le auto a guida autonoma avranno bisogno di rilevatori adeguati per trovare gli ostacoli, per misurare la velocità degli altri veicoli e per navigare in sicurezza sulla strada. Infine, la tecnologia del rilevatore SoNDe può rivelarsi utile anche per aiutare a rilevare le turbolenze durante i voli», conclude Jaksch.

Parole chiave

SoNDe, neutrone, rilevatore di neutroni, European Spallation Source (ESS), rilevatore a scintillazione, litio, fotomoltiplicatore ad anodo multiplo, auto a guida autonoma

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