Les détecteurs pour la réflectométrie doivent détecter beaucoup de neutrons dans un laps de temps très court. Cela signifie qu'ils doivent être conçus avec des capacités de taux de comptage très élevées. Malheureusement, les détecteurs actuels doivent s'améliorer pour répondre aux exigences des expériences de réflectométrie, de sorte que les chercheurs de la source ISIS de neutrons et de muons ont travaillé sur un détecteur qui le peut.

Les détecteurs de neutrons qui utilisent des scintillateurs ZnS:Ag / 6LiF sont couramment utilisés car ils émettent une lumière vive lorsqu'un neutron le frappe. La lumière est ensuite collectée par une fibre à décalage de longueur d'onde (WLS) et transférée vers un tube photomultiplicateur (PMT) où elle est convertie en signaux électriques.

Les détecteurs à scintillation qui utilisent le ZnS:Ag ne sont pas optimaux car il y a une rémanence associée au scintillateur qui limite la capacité de débit à 20 kHz par canal de tube photomultiplicateur (PMT). SINE2020 a permis à une équipe d'ISIS au Royaume-Uni de concevoir un détecteur à scintillateur basé sur ZnS:Ag/6LiF avec une lecture de fibre WLS connectée à des PMT multianodes (MA) dans le but d'augmenter simultanément cette capacité de débit et de réduire les coûts.

Il s'avère que les réflectomètres ne diffusent généralement que des taux élevés de neutrons sur 1 à 3 lignes (ou pixels de détecteur) sur la face du détecteur. La conception conventionnelle d'un détecteur permet uniquement à la lumière de scintillation brillante d'être captée par quelques canaux PMT, ce qui rend impossible un taux de comptage de neutrons élevé en raison du temps mort du détecteur. Si cette forte intensité pouvait être répartie sur tous les PMT, plutôt que quelques-uns, la capacité de débit pourrait être augmentée.

L'équipe a créé un détecteur avec 128 fibres croisées qui couvrent une zone active de 32 × 32 mm2, divisé en 4096 pixels. Les fibres sont connectées à deux MA PMT à 64 canaux. L'ensemble peut être facilement tourné dans le faisceau de neutrons afin que les lignes intenses puissent être réparties à volonté sur un nombre variable de canaux PMT.

La configuration a été testée sur la ligne de lumière CRISP pour étudier des paramètres tels que la résolution de la position, capacité d'image fantôme et de taux. Le détecteur a montré une résolution de position FWHM de 0,6 mm et la capacité de débit s'est améliorée d'un facteur 5. Cependant, la conception des fibres croisées n'est pas en mesure de tirer pleinement parti des gains de capacité de débit et il y avait des problèmes de fantômes (c'est-à-dire de positionnement incorrect des neutrons) lorsque l'assemblage n'était pas à des angles de 90 degrés.

L'équipe a donc décidé d'essayer une nouvelle approche pour améliorer la capacité de débit à la place. Pourquoi ne pas segmenter la zone du détecteur d'une manière qui permette d'isoler optiquement les pixels individuels du détecteur ? Cela compromet la résolution dans le sens horizontal mais aide à éliminer les images fantômes. C'est ce que les chercheurs ont fait avec leur détecteur bidimensionnel à rapport d'aspect élevé (SHARD2).

Ils ont divisé la zone active de 64 × 64 mm2 du détecteur en quatre colonnes ou segments de 16 mm de large. Chaque segment a ensuite été recouvert de 64 fibres WLS de 1 mm de diamètre, qui étaient chacun reliés à un MA PMT 64 canaux, formant un pixel. Les fibres et les segments ont été isolés optiquement les uns des autres par une fine feuille d'acier inoxydable pour éviter la propagation de la lumière d'une fibre à l'autre. Cela signifie que le PMT ne pourra détecter que les événements neutroniques se produisant exactement sur cette seule fibre. Des feuilles de scintillateur montées directement devant et derrière les fibres complétaient ensuite l'agencement.

Par rapport aux détecteurs non segmentés, la capacité de débit était plus d'un facteur 4 meilleure lorsqu'elle a été testée sur la ligne de lumière INTER. Il y avait très peu de fantômes, et ce qui s'est produit devrait être facile à éliminer en utilisant une électronique améliorée. Actuellement, la résolution de position est de 1 mm et la capacité de débit est maintenant de quelques kHz/mm2.

Un avantage de la segmentation est qu'il y a la possibilité de n'en rendre qu'une petite partie capable de détecter un taux de neutrons très élevé. Il suffit de s'assurer que le faisceau intense tombe sur cette section à haut débit du détecteur. Le développement n'a alors qu'à se concentrer sur l'amélioration de la capacité de débit dans une partie du détecteur, ce qui coûtera moins cher et prendra moins de place sur l'équipement que si vous essayiez de rendre toute la zone active capable de détecter ces débits plus élevés.

La prochaine étape de développement passe à une résolution de position de 0,5 mm avec une mécanique compatible avec le vide. Le premier détecteur de ce nouveau concept sera utilisé pour le réflectomètre INTER permettant à la ligne de profiter de leur nouveau guide et d'augmenter le flux.