Lorsqu'un faisceau de neutrons rencontre un échantillon, les neutrons ricochent loin du matériau dans diverses directions dans un processus appelé "diffusion des neutrons". Les neutrons diffusés interagissent avec des détecteurs spécialisés qui permettent de cartographier la vitesse et la trajectoire des particules pour déduire où se trouvent les atomes d'intérêt et comment ils se comportent.

Ces informations permettent aux chercheurs de déterminer la structure et les propriétés des matériaux en les étudiant sous diverses formes telles que les liquides, poudres, et des échantillons de cristal. Les enseignements de ces études peuvent éclairer la production de meilleures batteries, développement de médicaments plus efficaces, et d'autres applications pratiques. Parce que les expériences de diffusion de neutrons ne seraient pas possibles sans détecteurs de neutrons, une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) les développe en interne pour chaque instrument de la source de neutrons de spallation (SNS) et du réacteur à isotope à haut flux (HFIR) du laboratoire.

"Considérez les détecteurs comme les yeux d'un instrument, " a déclaré Rick Riedel, un chercheur scientifique principal de l'ORNL qui a travaillé sur les détecteurs pendant plus de 15 ans. « Ils vous aident à voir où et quand les neutrons se dispersent. À partir de ces informations, vous pouvez dire ce qui se passe à l'intérieur d'un cristal."

De nombreux détecteurs de neutrons sont fabriqués à l'hélium-3, un gaz qui possède de nombreuses propriétés souhaitables et qui est utilisé depuis plus de 50 ans. Cependant, d'autres matériaux sont nécessaires pour répondre aux exigences de plus en plus exigeantes des instruments de diffusion de neutrons. Les caméras de colère et les détecteurs à fibre à décalage de longueur d'onde (WLS) sont deux technologies utilisées au SNS qui utilisent ces différentes ressources.

Les caméras Anger et les détecteurs WLS peuvent être classés dans la catégorie des détecteurs de neutrons à scintillateur. Ces scintillateurs sont suffisamment sensibles pour détecter des neutrons isolés. Les scintillateurs absorbent les neutrons diffusés et émettent des éclairs lumineux pour indiquer la position finale de chaque particule. (En dehors des sources de neutrons, les scintillateurs servent de détecteurs de rayonnement dans les aéroports et d'appareils d'imagerie médicale à des fins de diagnostic.)

Riedel et son équipe conçoivent des variantes de scintillateurs et d'autres détecteurs en fonction des spécialités scientifiques et des contraintes physiques des instruments afin de fournir les meilleures données possibles lors des expériences.

"La conception de chaque instrument est spécialement conçue pour optimiser les données que nous pouvons collecter à partir d'échantillons réels dans la ligne de lumière, " a déclaré Riedel.

L'équipe de développement de l'ORNL a remporté un prix R&D 100 pour les détecteurs WLS et un autre pour le système de détection de neutrons Pharos à hélium-3. Ils travaillent continuellement à améliorer les conceptions originales des détecteurs, souvent en combinant la technologie existante avec des ressources plus modernes.

"La technologie des caméras de colère existe depuis 1970, et nous avons utilisé l'électronique moderne pour améliorer la résolution et la fiabilité de ces détecteurs, " a déclaré Riedel. " Nous développons actuellement une nouvelle génération de caméras Anger qui sera encore meilleure. "

Ils surveillent également les technologies émergentes dans le monde qui pourraient potentiellement être incorporées dans les conceptions futures. Riedel considère la collaboration internationale avec d'autres scientifiques et installations comme faisant partie intégrante du cycle continu de développement des détecteurs.

« C'est un effort constant pour développer et installer de meilleurs détecteurs, ", a-t-il déclaré. "Nous pourrions permettre une nouvelle science lorsque nous concevons des détecteurs avec des résolutions plus élevées ou des niveaux de bruit de fond plus faibles."

L'équipe teste de nouveaux détecteurs pour des facteurs clés tels que le taux, résolution, et l'uniformité dans un laboratoire de détection et sur une ligne de lumière de développement HFIR, exécute ensuite des simulations pour s'assurer qu'ils fonctionnent correctement avant de commencer le processus d'installation. Ils facilitent également les mises à niveau continues des instruments en modifiant les détecteurs existants et en ajoutant des modèles de nouvelle génération qui capturent les données neutroniques sous autant d'angles que possible.

"Remplir la suite de détecteurs augmente la quantité de données que vous pouvez collecter en un temps plus court et améliore généralement l'expérience utilisateur, " a déclaré Riedel. " C'est vraiment excitant d'améliorer le fonctionnement d'un instrument de cette façon. "

Un instrument qui a reçu ce traitement est MaNDi, ligne de lumière SNS 11B, que Riedel décrit comme "un ballon de football des caméras de la colère". Plus récemment, l'équipe a amélioré la moitié de POWGEN, ligne de lumière SNS 11A, en ajoutant 10 nouveaux détecteurs WLS.

En plus de ces améliorations, d'autres projets prévus comprennent le développement de scintillateurs améliorés, produire de nouveaux détecteurs pour les instruments d'imagerie neutronique à haute résolution, et la conception de détecteurs rapides pour les futurs instruments avec des débits de données plus élevés.

« La plupart de ces projets sont actuellement au stade de la pré-production, " a déclaré Riedel. " Alors que nous continuons à produire des détecteurs de haute qualité, nous savons que de nouvelles découvertes pourraient être au coin de la rue."