Quando um feixe de nêutrons encontra uma amostra, nêutrons ricocheteiam do material em várias direções em um processo chamado "espalhamento de nêutrons". Os nêutrons espalhados interagem com detectores especializados que permitem o mapeamento da velocidade e da trajetória das partículas para deduzir onde estão os átomos de interesse e como estão se comportando.

Essas informações permitem que os pesquisadores determinem a estrutura e as propriedades dos materiais estudando-os em várias formas, como líquidos, pós, e amostras de cristal. As percepções desses estudos podem informar a produção de baterias melhores, desenvolvimento de medicamentos mais eficazes, e outras aplicações práticas. Como os experimentos de espalhamento de nêutrons não seriam possíveis sem detectores de nêutrons, uma equipe do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) os desenvolve internamente para cada instrumento na Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) e no Reator Isotópico de Alto Fluxo (HFIR).

"Pense nos detectores como os olhos de um instrumento, "disse Rick Riedel, um cientista pesquisador sênior do ORNL que trabalhou em detectores por mais de 15 anos. "Eles ajudam a ver onde e quando os nêutrons se espalham. A partir dessa informação, você pode dizer o que está acontecendo dentro de um cristal. "

Muitos detectores de nêutrons são feitos com hélio-3, um gás que tem muitas propriedades desejáveis ​​e está em uso há mais de 50 anos. Contudo, outros materiais são necessários para atender aos requisitos cada vez mais exigentes dos instrumentos de espalhamento de nêutrons. Câmeras de raiva e detectores de fibra de deslocamento de comprimento de onda (WLS) são duas tecnologias em uso no SNS que fazem uso desses recursos diferentes.

Tanto as câmeras Anger quanto os detectores WLS podem ser categorizados como detectores de nêutrons baseados em cintiladores. Esses cintiladores são sensíveis o suficiente para detectar nêutrons únicos. Os cintiladores absorvem os nêutrons espalhados e emitem flashes de luz para indicar a posição final de cada partícula. (Fora das fontes de nêutrons, os cintiladores servem como detectores de radiação em aeroportos e como dispositivos de imagens médicas para fins de diagnóstico.)

Riedel e sua equipe projetam variações de cintiladores e outros detectores com base nas especialidades científicas e nas restrições físicas dos instrumentos para fornecer os melhores dados possíveis durante os experimentos.

"O design de cada instrumento é feito sob medida para otimizar os dados que podemos coletar de amostras reais na linha de luz, "Riedel disse.

A equipe de desenvolvimento do ORNL ganhou um prêmio R&D 100 para os detectores WLS e outro para o sistema detector de nêutrons hélio-3 Pharos. Eles trabalham continuamente para melhorar os designs originais dos detectores, frequentemente combinando a tecnologia existente com recursos mais modernos.

"A tecnologia da câmera de raiva existe desde 1970, e usamos eletrônicos modernos para melhorar a resolução e a confiabilidade desses detectores, "Riedel disse." Atualmente estamos desenvolvendo uma nova geração de câmeras Anger que serão ainda melhores. "

Eles também monitoram tecnologias emergentes em todo o mundo que podem ser potencialmente incorporadas em projetos futuros. Riedel considera a colaboração internacional com outros cientistas e instalações essenciais para o ciclo contínuo de desenvolvimento de detectores.

"É um esforço constante para desenvolver e instalar detectores cada vez melhores, ", disse ele." Poderíamos estar possibilitando novas ciências ao projetar detectores com resoluções mais altas ou níveis mais baixos de ruído de fundo. "

A equipe testa novos detectores para fatores-chave como taxa, resolução, e uniformidade em um laboratório de detecção e em uma linha de luz de desenvolvimento HFIR, em seguida, executa simulações para garantir que funcionam corretamente antes de iniciar o processo de instalação. Eles também facilitam atualizações contínuas de instrumentos, modificando os detectores existentes e adicionando modelos de próxima geração que capturam dados de nêutrons de tantos ângulos quanto possível.

"Preencher o conjunto de detectores aumenta a quantidade de dados que você pode coletar em menos tempo e geralmente melhora a experiência do usuário, "Riedel disse." É realmente emocionante melhorar a operação de um instrumento desta forma. "

Um instrumento que recebeu este tratamento é o MaNDi, Linha de luz SNS 11B, que Riedel descreve como "uma bola de futebol de câmeras de raiva". Mais recentemente, a equipe atualizou metade do POWGEN, Linha de luz SNS 11A, adicionando 10 novos detectores WLS.

Além dessas atualizações, outros projetos planejados incluem o desenvolvimento de cintiladores aprimorados, produção de novos detectores para instrumentos de imagem de nêutrons de alta resolução, e projetar detectores rápidos para instrumentos futuros com taxas de dados mais altas.

“A maioria desses projetos está em fase de pré-produção neste momento, "Riedel disse." À medida que continuamos a produzir detectores de alta qualidade, sabemos que novas descobertas podem estar ao virar da esquina. "