Cuando un haz de neutrones se encuentra con una muestra, los neutrones rebotan lejos del material en varias direcciones en un proceso llamado "dispersión de neutrones". Los neutrones dispersos interactúan con detectores especializados que permiten mapear la velocidad y la trayectoria de las partículas para deducir dónde están los átomos de interés y cómo se comportan.

Esta información permite a los investigadores determinar la estructura y propiedades de los materiales estudiándolos en diversas formas, como líquidos, polvos, y muestras de cristal. Los conocimientos de estos estudios pueden informar la producción de mejores baterías, desarrollo de medicamentos más efectivos, y otras aplicaciones prácticas. Debido a que los experimentos de dispersión de neutrones no serían posibles sin detectores de neutrones, un equipo del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) los desarrolla internamente para cada instrumento en la fuente de neutrones de espalación (SNS) y el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) del laboratorio.

"Piense en los detectores como los ojos de un instrumento, "dijo Rick Riedel, un científico investigador senior de ORNL que ha trabajado en detectores durante más de 15 años. "Te ayudan a ver dónde y cuándo se dispersan los neutrones. A partir de esa información, puedes saber lo que está pasando dentro de un cristal ".

Muchos detectores de neutrones se fabrican con helio-3, un gas que tiene muchas propiedades deseables y se ha utilizado durante más de 50 años. Sin embargo, Se necesitan otros materiales para cumplir con los requisitos cada vez más exigentes de los instrumentos de dispersión de neutrones. Las cámaras Anger y los detectores de fibra de cambio de longitud de onda (WLS) son dos tecnologías en uso en SNS que hacen uso de estos diferentes recursos.

Tanto las cámaras Anger como los detectores WLS se pueden clasificar como detectores de neutrones basados ​​en centelleo. Estos centelleadores son lo suficientemente sensibles como para detectar neutrones individuales. Los centelleadores absorben los neutrones dispersos y emiten destellos de luz para indicar la posición final de cada partícula. (Fuera de las fuentes de neutrones, Los centelleadores sirven como detectores de radiación en los aeropuertos y como dispositivos de imágenes médicas con fines de diagnóstico.)

Riedel y su equipo diseñan variaciones de centelleadores y otros detectores basándose en las especialidades científicas y las limitaciones físicas de los instrumentos para proporcionar los mejores datos posibles durante los experimentos.

"El diseño de cada instrumento está diseñado específicamente para optimizar los datos que podemos recopilar de muestras reales en la línea de luz, "Dijo Riedel.

El equipo de desarrollo de ORNL ganó un premio R&D 100 por los detectores WLS y otro por el sistema detector de neutrones helio-3 Pharos. Trabajan continuamente para mejorar los diseños originales de los detectores, a menudo combinando tecnología existente con recursos más modernos.

"La tecnología de la cámara Anger existe desde 1970, e hicimos uso de electrónica moderna para mejorar la resolución y confiabilidad de esos detectores, ", Dijo Riedel." Actualmente estamos desarrollando una nueva generación de cámaras Anger que será aún mejor ".

También monitorean tecnologías emergentes en todo el mundo que podrían incorporarse en diseños futuros. Riedel considera la colaboración internacional con otros científicos e instalaciones como parte integral del ciclo continuo de desarrollo de detectores.

"Es un impulso constante desarrollar e instalar cada vez mejores detectores, ", dijo." Podríamos estar habilitando nueva ciencia cuando diseñamos detectores con resoluciones más altas o niveles más bajos de ruido de fondo ".

El equipo prueba nuevos detectores para factores clave como tasa, resolución, y uniformidad en un laboratorio de detectores y en una línea de luz de desarrollo HFIR, luego ejecuta simulaciones para asegurarse de que funcionen correctamente antes de comenzar el proceso de instalación. También facilitan las actualizaciones continuas de los instrumentos al modificar los detectores existentes y agregar modelos de próxima generación que capturan datos de neutrones desde tantos ángulos como sea posible.

"Completar el conjunto de detectores aumenta la cantidad de datos que puede recopilar en un período de tiempo más corto y, en general, mejora la experiencia del usuario, "Es realmente emocionante mejorar el funcionamiento de un instrumento de esta manera", dijo Riedel.

Un instrumento que recibió este tratamiento es MaNDi, Línea de luz SNS 11B, que Riedel describe como "un balón de fútbol de cámaras Anger". Más recientemente, el equipo actualizó la mitad de POWGEN, Línea de luz SNS 11A, agregando 10 nuevos detectores WLS.

Además de estas actualizaciones, Otros proyectos planificados incluyen el desarrollo de centelleadores mejorados, la producción de nuevos detectores para instrumentos de formación de imágenes de neutrones de alta resolución, y el diseño de detectores rápidos para futuros instrumentos con velocidades de datos más altas.

"La mayoría de estos proyectos se encuentran en la etapa de preproducción en este momento, ", Dijo Riedel." A medida que continuamos produciendo detectores de alta calidad, sabemos que los nuevos descubrimientos podrían estar a la vuelta de la esquina ".