Neuer Detektor verbessert die Neutronenmessung am CERN

Die Neutronen-Zeitflug-Anlage, bekannt als nTOF, befindet sich am CERN. Sie wird genutzt, um zu untersuchen, wie Neutronen mit verschiedenen Materialien interagieren. Wissenschaftler messen diese Interaktionen, um in verschiedenen Bereichen wie Nukleartechnologien und Astrophysik zu helfen. Seit 2014 ist eines ihrer Gebiete, das Experimental Area 2 (EAR2), besonders aktiv. In diesem Bereich werden mit jedem Puls deutlich mehr Neutronen erzeugt, was es einfacher macht, nützliche Daten zu bekommen. Allerdings bringt die grosse Anzahl von Neutronen Herausforderungen für die Geräte mit sich, die sie detektieren.

#Der Bedarf an besseren Detektoren

Früher hatten die in EAR2 verwendeten Detektoren Probleme aufgrund hoher Zählraten. Diese Zählungen beziehen sich darauf, wie viele Teilchen die Detektoren registrieren. Wenn zu viele Neutronen die Detektoren treffen, kann das Probleme wie Überlappungen verursachen, wo Signale sich überlagern und es schwer macht, einzelne Zählungen zu lesen. Ähnlich treten Gain-Shift-Probleme auf, wenn die Reaktion des Detektors bei hohen Zählraten schwankt, was es schwierig macht, genaue Messwerte zu erhalten.

Um diese Probleme zu lösen, wurde ein neuer Detektortyp, der Segmentierte Totalenergie-Detektor (sTED), entwickelt. Dieser Detektor verwendet kleinere, segmentierte Teile, die höhere Zählraten besser verarbeiten können als die älteren Versionen.

#Was ist der Segmentierte Totalenergie-Detektor?

Der sTED ist so konzipiert, dass er die Zählung von Neutronen verbessert, indem er das Detektionsgebiet in kleinere Abschnitte aufteilt. Jeder Abschnitt, genannt Modul, hat ein kleineres Volumen als frühere Detektoren, wodurch die Zählrate für jedes Teil reduziert wird, während die Gesamteffizienz erhalten bleibt. Dieses Design hilft, die Chancen für Überlappungen und Gain-Shift-Probleme zu verringern.

Die sTED-Module sind mit einer speziellen Flüssigkeit gefüllt, die reagiert, wenn Neutronen sie treffen. Ausserdem sind sie mit fortschrittlichen Photomultipliern gekoppelt - Geräten, die das Licht, das von der Flüssigkeit erzeugt wird, in elektrische Signale umwandeln. Diese Photomultiplier wurden optimiert, um gut mit hohen Zählraten zu arbeiten.

#Merkmale des sTED

Der sTED hat mehrere wichtige Merkmale:

1. Kleineres aktives Volumen: Jedes Modul ist viel kleiner als die älteren Detektoren, was hilft, die Anzahl der Zählungen, die jedes Modul registriert, zu reduzieren.

2. Fortschrittliche Photomultiplier: Die neuen Geräte können höhere Zählraten verwalten, ohne die Genauigkeit zu verlieren.

3. Verbesserte Energie- und Zeitauflösung: Der sTED kann die Energie der Neutronen und die Zeit, die sie für die Detektion benötigen, genau messen.

4. Erfolgreiche Tests: Tests haben bestätigt, dass der sTED effektiv für Messungen der Neutronenabsorption bis mindestens 400 keV funktioniert, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Detektoren darstellt.

#Herausforderungen bei hohem Neutronenfluss

In EAR2 ist der Neutronenfluss, also die Anzahl der Neutronen, die detektiert werden können, viel höher als in anderen Experimentierbereichen. Dieser erhöhte Neutronenfluss führt zu höheren Zählraten in den Detektoren. Sowohl die Überlappungs- als auch die Gain-Shift-Probleme, die vorher angesprochen wurden, werden unter diesen Bedingungen deutlicher.

Um dir eine Vorstellung zu geben: In früheren Experimenten mit grösseren Volumen-Detektoren fanden die Forscher heraus, dass bei sehr hohen Zählraten fast ein Viertel der Signale verloren gehen konnte. Dieser Verlust kann die Qualität der Daten erheblich beeinträchtigen und genaue Messungen fast unmöglich machen.

#Leistung älterer Detektoren

Ältere Detektoren wie die BICRON- und Kohlenstofffasergehäuse-Detektoren wurden in der Vergangenheit erfolgreich am nTOF eingesetzt. Unter den extremen Bedingungen von EAR2 hatten diese Detektoren jedoch ihre Grenzen. Überlappungen und Gain-Shift-Effekte waren häufig, insbesondere wenn die Zählraten bestimmte Schwellenwerte überschritten.

Die Forscher lernten, dass das Verlegen der Detektoren weiter weg von Neutronenproben die Situation nicht unbedingt verbesserte. Stattdessen verringerte es oft die Signalstärke, ohne den Hintergrundrauschpegel effektiv zu senken, was ein konstantes Problem darstellt.

#Leistung des sTED

Das Design des sTED zielt darauf ab, diese Herausforderungen zu bewältigen. Durch das Management der Zählraten durch Segmentierung hat sich gezeigt, dass er bessere Ergebnisse in der herausfordernden Umgebung von EAR2 liefert. Tests haben gezeigt, dass die Zählrate für den sTED im Vergleich zu älteren Detektoren deutlich niedriger ist, was es einfacher macht, saubere Daten zu erhalten.

Wenn die sTED-Module Neutronen detektieren, verwalten sie auch die gesammelten Daten in Echtzeit. Fortschrittliche Analysetechniken, wie das Anpassen der Pulsform, helfen dabei, nützliche Signale von Rauschen zu trennen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die Erzielung genauer Ergebnisse in Experimenten.

#Vorteile des sTED-Systems

Die Vorteile des sTED-Systems lassen sich folgendermassen zusammenfassen:

1. Höhere Detektionseffizienz: Durch den Einsatz mehrerer kleiner Module bleibt die Gesamteffizienz hoch, während die Zählungen pro Modul niedriger gehalten werden.

2. Datenakkuratheit: Die Reduzierung der Überlappungs- und Gain-Shift-Effekte führt zu genaueren Messwerten und besserer Datenqualität.

3. Robustheit in Messungen: Mit der Fähigkeit, hohe Zählraten zu bewältigen, verbessert der sTED die Zuverlässigkeit von Messungen der Neutronenabsorption.

4. Erfolgreiche Integration: Der neue Detektor hat bereits nützliche Daten aus mehreren Experimenten geliefert und zeigt seine praktischen Vorteile.

#Vergleich mit früheren Systemen

Wenn man ältere Systeme wie die BICRON-Detektoren betrachtet, sind die Verbesserungen mit dem sTED erheblich. Zum Beispiel hatten die BICRON-Detektoren Schwierigkeiten, über bestimmten Energieniveaus genaue Messungen abzugeben, aufgrund von Zählproblemen. Im Gegensatz dazu hat der sTED gezeigt, dass er auch bei höheren Energien gut abschneiden kann.

Die Fähigkeit, erfolgreich Experimente mit verschiedenen Isotopen durchzuführen, hebt auch die Vielseitigkeit des sTED hervor. Diese Flexibilität eröffnet neue Möglichkeiten für Forschung und Anwendungen, die mit älteren Detektoren schwierig oder unmöglich waren.

#Testen des sTED

Der sTED wurde strengen Tests unterzogen, bevor er regelmässig genutzt wurde. Ein Test bestand darin, den Fangausstoss einer Gold (Au)-Probe zu messen, um zu sehen, wie gut der sTED im Vergleich zu erwarteten Ergebnissen aus früheren Studien abschnitt.

Die Leistung des sTED in diesen Tests zeigte, dass er die Fangquerschnittsfläche von Gold effektiv messen konnte. Die erzielten Ergebnisse stimmten gut mit früheren Daten aus anderen Experimenten überein und gaben den Forschern Sicherheit in Bezug auf seine Zuverlässigkeit und Genauigkeit.

#Zukünftige Anwendungen

Da der sTED weiterhin in verschiedenen Experimenten eingesetzt wird, hat er das Potenzial, eine bedeutende Rolle in der Zukunft der Neutronenforschung zu spielen. Wissenschaftler können neue Materialien und Isotope mit Zuversicht erkunden, da der sTED mit den anspruchsvollen Bedingungen von Hochneutronenfluss-Umgebungen umgehen kann.

Diese Detektortechnologie könnte in anderen Einrichtungen, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen, anwendbar sein und stellt somit einen wertvollen Fortschritt für das Feld der Nuklearforschung dar.

#Fazit

Die Einführung des Segmentierten Totalenergie-Detektors hat erhebliche Verbesserungen bei den Messungen der Neutronenabsorption am nTOF gebracht, insbesondere im herausfordernden Umfeld von EAR2. Mit seinen kleineren Modulen und fortschrittlichen Photomultipliern überwindet der sTED viele der Einschränkungen, mit denen frühere Detektoren konfrontiert waren.

Seine Leistung in echten Experimenten zeigt hervorragende Perspektiven, und mit weiterer Forschung wird erwartet, dass er erheblich zu unserem Verständnis der Neutroneninteraktionen mit Materie beiträgt. Mit der fortlaufenden Unterstützung für diese Innovationen ist der sTED bereit, einen nachhaltigen Einfluss auf die wissenschaftliche Forschung in der Zukunft auszuüben.