Detektorlabor

Das Detektorlabor in EM-AMCT unterstützt Experimentatoren und Messgäste bei allen Fragen im Zusammenhang mit Neutronendetektoren rund um die Neutronenquelle BER II. Oberstes Anliegen ist es, einen störungsfreien Meßbetrieb und damit eine effiziente Nutzung der wertvollen Messzeit sicherzustellen. Der abgedeckte Bereich schließt neben den primären Detektoren (Monitore, Delayline-Detektoren, Zählrohranordnungen) auch die Verstärker- und Diskriminatorelektronik sowie die Schnittstellen zur Datenerfassung ein. Unterstützung wird auch für die an den Instrumenten des BER II verwendete Software DeLiDAQ und qmesydaq gewährleistet.

Helium-3-Krise und Projekte der ICND

In den Jahren nach 2009 hatte es eine dramatische Verknappung an dem im großen Umfang verwendeten Neutronenkonverter Helium-3 gegeben. In Folge dessen hatten sich alle führenden Neutronenstreulabore (FRM-II, FZJ, ILL, ISIS, SNS, JPARC, usw.) zu einer Kollaboration (ICND – International Collaboration for the Development of Neutron Detectors) zusammengeschlossen [1], die drei alternative Technologien zu Helium-3 untersucht. Diese sind (i) Szintillationsdetektoren (Koordinierung ISIS), (ii) Detektoren mit multiplen Bor-10 Schichten (Koordinierung ILL) sowie (iii) Detektoren mit Bortrifluorid (Koordinierung HZB). Eine besondere Dringlichkeit war für großflächige Detektoranordnungen gegeben (z.B. Flugzeitspektrometer), die Flächen von mehreren Dutzend Quadratmetern Detektionsfläche aufspannen und hierfür mehrere tausend Liter Helium-3 ersetzt werden müssen. Aus dem Projekt, das heute nicht mehr weiter verfolgt wird, sind erfolgversprechende Ansätze zum sicheren Betrieb von ortsauflösenden Zählrohren mit Bortrifluorid zum Nachweis von kalten Neutronen in Flugzeitinstrumenten hervorgegangen [2].

Ein weiterer Schwerpunkt der Aktivität des Detektorlabors lag in der Entwicklung eines MSGC-Detektors mit Gadolinium-157 als Neutronenkonverter. Dieser Detektor zeichnet sich durch sehr hohe Zählratenverträglichkeit (~1E7 n/s) und eine sehr gute 2-dimensionale Ortsauflösung (<0.5 mm) aus. In Testmessungen konnte eine Ortsauflösung von ~100 µm extrahiert und eine Zählratenverträglichkeit von ~10 MHz extrapoliert werden [3]. 

Detektoren für Instrumente am BER-2

Die Expertise in Neutronendetektorsystemen fließt auch in die Beratung der Experimentverantwortlichen bei der Konzeption neuer Instrumente in Bezug auf Auswahl geeigneter Detektoren ein. Durch ausführliche Simulationsrechnungen wird im Vorfeld sichergestellt, daß die vorgeschlagenen Detektor-Konzepte den Anforderungen seitens der wissenschaftlichen Fragestellung gerecht werden. Darüber hinaus wird die mechanische Konstruktion und Fertigung begleitet, das Detektorsystem im Labor aufgebaut und getestet und schließlich nach dem Einbau und der Inbetriebnahme am Instrument dem Experimentverantwortlichen übergeben. Beispiele hierfür sind die vier Detektorpanels des Experiments EXED mit jeweils 48 ortsauflösenden Zählrohren pro Panel sowie der neue Detektor für SANS und VSANS mit jeweils 112 ortsauflösenden Zählrohren.

In jüngster Zeit wurde das Detektorlabor genutzt, um vier großflächige Detektorpanels im sog. Multitube-Design für das HFM-EXED-Projekt in enger Kollaboration mit der Detektorgruppe des ILL zu bauen. Dabei konnte auf fertige mechanische Konzepte, bestens geeignete Fertigungs- und Testmöglichkeiten sowie auf vor 2009 beschafftes Helium-3 zurückgegriffen werden. Zwei der gefertigten Detektorpanels bestehen aus 31 Zählrohren mit 3/4“ Durchmesser und einer Länge von 238 cm, die anderen beiden aus 23 Zählrohren mit gleichem Durchmesser und 200 cm Länge. Eine große Herausforderung in diesem Projekt war die Gewährleistung der langfristigen Heliumdichtigkeit der großflächigen Endflansche der Detektorpanels mit einem Innendruck von 10 bar. Dies gelang schließlich mittels Helicoflex-Dichtungen und spezieller, hochfester Schrauben. Die Detektoren wurden gemäß der neuen Richtlinie 2014/68/EU für Druckgeräte zertifiziert. Sie sind heute am Instrument EXED bei Neutronenstreuexperimenten mit höchsten magnetischen Feldern im Einsatz.

Detektorteststand V17

Für Testmessungen und Charakterisierung von Detektoren verfügt das Detektorlabor über einen eigenen Teststand V17 in der Neutronenleiterhalles 1 des HZB. Hier stehen Neutronen mit einer Wellenlänge von 0.335 nm und einer Intensität von bis zu 3*105 Neutronen/cm² für Messungen zur Verfügung. Zur Bestimmung der Ortsauflösung von Detektoren kann der Neutronenstrahl mittels zweier X-Y-Blenden aus boriertem Aluminium präzise kollimiert werden. Detektoren mit einem Gewicht von bis zu 80 kg können dabei um 1100 mm in der vertikalen und etwa 800 mm in der horizontalen Richtung vor dem stationären Neutronenstrahl in Position gebracht werden. Im Detektorlabor sind vielfältige Elektronikmodule und ein Datenaufnahmesystem vorhanden, die es erlauben, verschiedenste Detektortypen auszulesen und zu charakterisieren.

Literatur

[1] www.icnd.org
[2] Th. Wilpert, Boron trifluoride detectors, Neutron News 23/4 (2012) 14-19.
[3] B. Mindur, S. Alimov, T. Fiutowski, C. Schulz, T. Wilpert, Performance of a Micro-Strip Gas Chamber for event wise, high rate thermal neutron detection with accurate position determination, J. Instrum. 9 (2014) P12004.