Os detectores de refletometria precisam detectar muitos nêutrons em um espaço de tempo muito curto. Isso significa que eles precisam ser projetados com recursos de taxa de contagem muito alta. Infelizmente, os detectores atuais precisam melhorar para atender às demandas dos experimentos de refletometria, então os pesquisadores da ISIS Neutron and Muon source estão trabalhando em um detector que pode.

Os detectores de nêutrons que usam cintiladores ZnS:Ag / 6LiF são comumente usados, pois emite luz brilhante quando um nêutron o atinge. A luz é então coletada por uma fibra de deslocamento de comprimento de onda (WLS) e transferida para um tubo fotomultiplicador (PMT), onde é convertida em sinais elétricos.

Os detectores de cintilação que usam ZnS:Ag não são ideais porque há um brilho residual associado ao cintilador que limita a capacidade de taxa a 20 kHz por canal de tubo fotomultiplicador (PMT). O SINE2020 habilitou uma equipe do ISIS no Reino Unido a projetar um detector de cintilador baseado em ZnS:Ag / 6LiF com leitura de fibra WLS conectada a PMTs multianodo (MA) com o objetivo de aumentar simultaneamente essa capacidade de taxa e reduzir custos.

Acontece que os refletômetros normalmente só espalham altas taxas de nêutrons em 1-3 linhas (ou pixels de detector) pela face do detector. O design convencional de um detector permite apenas que a luz de cintilação brilhante seja captada por alguns canais PMT, tornando impossível uma alta taxa de contagem de nêutrons devido ao tempo morto do detector. Se esta alta intensidade pudesse ser distribuída por todos os PMTs, ao invés de apenas alguns, a capacidade da taxa pode ser aumentada.

A equipe criou um detector com 128 fibras cruzadas que cobrem uma área ativa de 32 × 32 mm2, dividido em 4096 pixels. As fibras são conectadas a dois MA PMTs de 64 canais. O conjunto pode ser facilmente girado no feixe de nêutrons para que as linhas intensas possam ser espalhadas por um número variável de canais PMT à vontade.

A configuração foi testada na linha de luz CRISP para investigar parâmetros como resolução de posição, fantasma e capacidade de taxa. O detector mostrou uma resolução de posição FWHM de 0,6 mm e a capacidade de taxa melhorou em um fator de 5. No entanto, o projeto de fibra cruzada não é capaz de tirar o máximo proveito dos ganhos na capacidade de taxa e houve problemas com fantasmas (ou seja, posicionamento incorreto de nêutrons) quando o conjunto estava em ângulos diferentes de 90 graus.

Portanto, a equipe decidiu experimentar uma nova abordagem para melhorar a capacidade da taxa. Por que não segmentar a área do detector de uma forma que permita que pixels individuais do detector sejam opticamente isolados? Isso compromete a resolução na direção horizontal, mas ajuda a eliminar fantasmas. Isso é o que os pesquisadores fizeram com seu detector de alta proporção de aspecto 2 dimensional (SHARD2).

Eles dividiram a área ativa de 64 × 64 mm2 do detector em quatro colunas ou segmentos de 16 mm de largura. Cada segmento foi então coberto com 64 fibras WLS de 1 mm de diâmetro, cada um conectado a um MA PMT de 64 canais, formando um pixel. As fibras e os segmentos foram opticamente isolados uns dos outros por uma fina folha de aço inoxidável para evitar a propagação da luz de uma fibra para outra. Isso significa que o PMT só será capaz de detectar eventos de nêutrons ocorrendo exatamente sobre aquela única fibra. Folhas cintiladoras montadas diretamente na frente e atrás das fibras completaram o arranjo.

Em comparação com detectores não segmentados, a capacidade da taxa era mais do que 4 vezes melhor quando testada na linha de luz INTER. Havia muito pouco fantasma, e o que ocorreu deve ser fácil de eliminar usando eletrônicos aprimorados. Atualmente, a resolução da posição é de 1 mm e a capacidade de taxa agora é de alguns kHz / mm2.

Uma vantagem da segmentação é que existe a possibilidade de fazer com que apenas uma pequena parte dela seja capaz de detectar uma taxa de nêutrons muito alta. Você apenas precisa ter certeza de que o feixe intenso incide sobre esta seção de alta taxa do detector. O desenvolvimento só precisa se concentrar em melhorar a capacidade de taxa em uma parte do detector, o que será mais barato e ocupará menos espaço do equipamento do que se você tentasse tornar toda a área ativa capaz de detectar essas taxas mais altas.

A próxima etapa de desenvolvimento é mudar para uma resolução de posição de 0,5 mm com mecânica compatível com vácuo. O primeiro detector desse novo conceito será usado para o refletômetro INTER, permitindo que a linha de luz aproveite sua nova guia e aumente o fluxo.