Skip to main content

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

Article Category

Article available in the folowing languages:

Nowy licznik scyntylacyjny pozwalający mierzyć wiązki neutronów o dużej jasności

Badania prowadzone nad neutronami mają wpływ na większość dziedzin współczesnego życia. Dzięki nim możliwe stają się innowacje w zakresie projektowania leków, przechowywanie wodoru czy projektowanie lżejszych i bardziej wytrzymałych komponentów technicznych. Aby móc korzystać z bardziej zaawansowanych metod rozpraszania neutronów, takich jak choćby te, z które zostaną użyte w powstającym właśnie Europejskim Źródle Spalacyjnym (ESS), mającym emitować znacznie silniejszy strumień tych cząstek o większej niż dotychczas jasności, będziemy potrzebować lepszej technologii detekcji.

Badania podstawowe

Sercem ESS będzie 600-metrowy akcelerator liniowy, ostrzeliwujący protonami cel wolframowy, z którego w efekcie emitowane będą neutrony. Wiązka neutronowa zostanie wykorzystana do badania struktury i ruchu różnych materiałów na poziomie atomowym i cząsteczkowym. Na tej podstawie prowadzone będą dalsze analizy. Konstrukcja takiego akceleratora wymaga znacznych postępów technologicznych na wszystkich frontach projektowania elementów instrumentarium badawczego. Detektory nie są tu żadnym wyjątkiem. Parametry tego rodzaju źródeł wykraczają daleko poza możliwości stosowanych obecnie detektorów, które nie poradzą sobie z mierzeniem dużych prędkości emitowanych cząstek bądź z precyzyjnym pomiarem położenia ich w przestrzeni, a często problemy będą pojawiać się przy badaniu obu tych parametrów. Dlatego też wstępnie bardzo jasna wiązka elektronów emitowana z potężnego źródła musi być odpowiednio osłabiona. Sebastian Jaksch, koordynator finansowanego przez UE projektu SoNDe, zauważa: „Źródła neutronów następnej generacji, takie jak ESS, są na tyle potężne, że oślepiają większość współczesnych detektorów w takim stopniu, jak nas oślepia bezpośrednie spoglądanie w słońce”. Kolejną istotną cechą zaawansowanych detektorów neutronów jest zdolność do wyraźnego rozróżniania promieniowania neutronowego od promieniowania gamma, a w zasadzie od każdego innego rodzaju promieniowania.

Pierwszy modułowy, stałofazowy detektor silnych strumieni neutronowych

Naukowcy zrzeszeni wokół projektu SoNDe zaproponowali pionierski projekt licznika scyntylacyjnego, w którym udało się wyeliminować potrzebę osłabiania wiązki neutronowej. „W projekcie SoNDe korzystamy z modułowego detektora. Jeden moduł o wymiarach 5 × 5 cm może zliczać nawet do 250 000 neutronów na sekundę. To sprawia, że nasz detektor ma ponad dwudziestokrotnie większe możliwości niż którekolwiek ze stosowanych obecnie nowoczesnych rozwiązań. Każdy moduł może pracować osobno, ale też można je łączyć z innymi detektorami w dowolnej konfiguracji”, wyjaśnia Jaksch. Wiązka neutronów pada na płytkę scyntylatora zawierającą stabilny izotop litu, Li-6, który w odpowiedzi emituje słaby rozbłysk. Na każdy schwytany neutron przypada około 600 emitowanych fotonów. Jaksch wyjaśnia: „Detektor SoNDe pozwala nam dynamicznie operować w zakresie pomiarowym, w którym możemy stwierdzić, czy w ciągu sekundy doszło do emisji jednego czy 250 000 neutronów. Fotopowielacz pomaga wykrywać słabe i silne sygnały oraz właściwe określać ich moc”. Zespół badawczy wykorzystał możliwości, jakie dają fotopowielacze wieloanodowe, które zachowują się jak wiele detektorów w jednym – każdy punkt działa w nich niczym fotopowielacz. Dzięki ich niewielkiej średnicy na powierzchni udało się umieścić znacznie więcej czujników, co znacznie poprawiło wyniki detektora w zakresie tempa zliczania i rozdzielczości. Kolejną korzystną innowacją wprowadzoną przez tę technologię detekcji jest zastosowanie scyntylatora, który nie zawiera helu-3 – rzadkiego i drogiego gazu.

Rzut oka na przyszłość

Detektory neutronów o wysokiej sprawności są istotne w wielu obszarach badań, w tym w materiałoznawstwie, medycynie, biologii i astronomii. „Śledzenie transportu cząsteczek leku z wykorzystaniem neutronów pozwala opracowywać lepsze metody dostarczania go do organizmu pacjenta tak, by duże ilości substancji trafiały do odpowiednich fragmentów ciała. Takie detektory dadzą też archeologom nieosiągalną w inny sposób możliwość zajrzenia do wnętrza starożytnych artefaktów bez konieczności niszczenia ich czy rozcinania”, zauważa Jaksch. Kolejne zastosowanie to badania nad budową wydajniejszych w działaniu akumulatorów, na przykład takich, które można by wykorzystać w pojazdach elektrycznych. Technologie detekcji sprawdzą się jednak nie tylko w badaniach naukowych. Mogą też znaleźć zastosowanie w rozwiązaniach praktycznych i być do nich odpowiednio dostosowywane. „Samochody autonomiczne będą potrzebować odpowiednich detektorów, które pozwolą im wykrywać przeszkody, mierzyć prędkość innych pojazdów i bezpiecznie poruszać się po drogach. Co więcej, technologia detekcji zastosowana w projekcie SoNDe może okazać się skuteczna podczas wykrywania turbulencji w czasie lotu”, podsumowuje Jaksch.

Słowa kluczowe

SoNDe, neutron, detektor neutronów, Europejskie Źródło Spalacyjne (ESS), licznik scyntylacyjny, lit, fotopowielacz wieloanodowy, samochody autonomiczne

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania