Las cámaras de placas resistivas (RPC) se están desarrollando como detectores de neutrones como parte de SINE2020. Luís Margato, Andrey Morozov y Alberto Blanco de LIP Coimbra en Portugal han estado trabajando en el proyecto. Esto es lo que han hecho.

Paso 1:diseño conceptual

Luís Margato y su equipo utilizaron inicialmente simulaciones de Monte Carlo para investigar conceptos de diseño para RPC Boron-10. Utilizando códigos de fuente abierta (kit de herramientas ANTS2), evaluaron los efectos de cambiar los parámetros y materiales del detector:por ejemplo, el ancho del espacio de gas, espesor de la capa del convertidor de neutrones o ángulo de incidencia del haz de neutrones en el detector. Una vez explorado, era el momento de hacer algunos prototipos.

Paso 2:prueba de concepto

Como resultado de las simulaciones, se construyó un prototipo de RPC híbrido en el laboratorio de LIP Coimbra, con la ayuda de C. Hoglund en el taller de recubrimientos de detectores de ESS, responsable de la producción de los recubrimientos. Fue probado en el Institut Laue-Langevin en Francia. Comparando dos prototipos de RPC, uno con una capa convertidora de neutrones y otro sin, demostró que el convertidor de neutrones permite la detección de neutrones y también con una buena resolución espacial. ¡El concepto funciona!

Paso 3:prototipos

A continuación, se fabricaron y probaron dos prototipos más con diferentes anchos de separación de gas (0,35 mm y 1 mm) en colaboración con Karl Zeitelhack en FRMII en la línea de luz TREFF como parte de SINE2020. Los resultados mostraron una resolución espacial mejor que 0,25 mm FWHM y una eficiencia de detección del 12,5% para neutrones de 4,7 angstroms. Estos concordaban bien con las simulaciones, incluido el mejor rendimiento esperado y la resolución de la brecha de gas más delgada. Pero, ¿se puede mejorar aún más proporcionando varias oportunidades para que se capturen neutrones?

Paso 4:multicapas

Usando el gas-gap de mejor desempeño, un detector con RPC de doble espacio en una arquitectura multicapa se ensambló en LIP y se probó en FRMII. El prototipo contenía 10 RPC 10B de doble espacio (que comprenden 20 capas de convertidor de neutrones) y se mantiene el rendimiento de resolución espacial. La eficiencia de detección medida fue de aproximadamente el 60%, lo que hace que un diseño multicapa sea muy alentador. Ambos resultados estuvieron nuevamente de acuerdo con las simulaciones.

Paso 5:Sensibilidad gamma

Desafortunadamente, Los rayos gamma emitidos por una muestra o por otros materiales en la trayectoria del haz de neutrones pueden perturbar la respuesta del detector contribuyendo con eventos falsos a los resultados, por lo que es importante comprender y reducir su efecto en los RPC que se están desarrollando. Usando fuentes gamma de Co-60 y Na-22, los RPC 10B se caracterizan por su sensibilidad gamma. Luego, cuando se evalúan los parámetros, los diseños se pueden mejorar.

Los resultados preliminares muestran que para un RPC de doble espacio irradiado por una fuente gamma de Na-22, la sensibilidad del RPC a los rayos gamma de Na-22 y en la región de alto voltaje de la meseta para la detección de neutrones puede bajar a ~ 10- 6 para los fotones de 511keV y puede descender por debajo de 10-5 cuando se tienen en cuenta los 1,27 MeV. Estos resultados se obtuvieron sin ninguna optimización del detector con respecto a la sensibilidad gamma, por lo que optimizando el diseño del detector en este aspecto podría ser posible reducir estos valores.

Próximos pasos:

Con una tecnología de detector tan prometedora en desarrollo, necesitamos descubrir cómo mejorar aún más los diseños y materiales actuales, por ejemplo, optimizar los espesores de la capa del convertidor de neutrones en el dispositivo multicapa para aumentar la capacidad de tasa de conteo. Así que por ahora, Luís ha vuelto al mundo virtual de las simulaciones utilizando la información obtenida de las pruebas de prototipos.

En particular, el equipo está buscando mejorar la tasa de conteo del detector para que pueda contar tantos neutrones por segundo por milímetro cuadrado como sea posible.

Otras áreas de investigación futura incluyen el modelado del detector considerando la dispersión de neutrones en los materiales del detector y variando el ángulo de incidencia del haz de neutrones con respecto a la incidencia perpendicular.