Development and Performance Study of a Capillary Liquid Scintillator Neutron Detector

In de zoektocht naar het begrijpen van hoe sterren worden geboren en hoe we hun kracht kunnen aanwenden, kijken wetenschappers vaak naar de meest gewelddadige gebeurtenissen in het laboratorium: de implosie van kleine brandstofpellets in fusie-experimenten. Wanneer deze pellets instorten, laten ze een vloedgolf van hoogenergetische neutronen vrij die een geheime kaart vormen van de vorm en symmetrie van de explosie. Om deze kaart te kunnen lezen, hebben onderzoekers detectoren nodig die deze onzichtbare deeltjes met extreme scherpte kunnen zien, waarbij ze details onderscheiden die slechts een fractie van een millimeter uit elkaar liggen. De uitdaging ligt in het vastleggen van de zwakke lichtflits die deze neutronen creëren, zonder dat dat licht vervaagt tot een veeg, wat de fijne details die nodig zijn om het fusieproces te begrijpen, zou vernietigen.

Een team onderzoekers in China heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type neutronendetector te bouwen en te testen. In plaats van massieve blokken of vezels te gebruiken, construeerden zij een apparaat gemaakt van duizenden kleine, holle glazen buisjes die als een honingraat tegen elkaar aan liggen. Elk buisje, of capillaire, is gevuld met een speciale vloeistof die gloeit wanneer een neutron er een treft. Het doel was om te zien of deze structuur het licht van elk individueel neutron binnen zijn eigen buisje kon houden, zodat de detector precies kan bepalen waar het deeltje is ingeslagen. Hoewel eerdere computermodellen suggereerden dat dit zou werken, brengt de echte wereld vaak complicaties met zich mee, zoals licht dat uit het ene buisje naar zijn buurman lekt, wat het beeld kan vervagen en de gegevens kan verwarren.

Om hun ontwerp te testen, maakten de onderzoekers een detector met behulp van een hexagonale reeks kwartsglazen capillairen, elk met een binnendiameter van ongeveer 50 micrometer. Ze vulden deze buisjes met een vloeibare scintillator genaamd EJ-309, een stof die bekend staat om haar vermogen om neutronenergie om te zetten in zichtbaar licht. Omdat de vloeistof een iets andere optische dichtheid heeft dan de glazen wanden, heeft het licht de neiging om binnen de buisjes te stuiteren, net zoals een glasvezelkabel een signaal geleidt. De onderzoekers wisten echter dat in een echt apparaat er onvermijdelijk wat licht zou ontsnappen en overstromen naar aangrenzende buisjes. Om dit te stoppen, bedekten ze de buitenkant van de glazen buisjes met een donker, lichtabsorberend materiaal, wat in feite het buitenkant van de honingraat beschilderen is om eventuele rondvliegende fotonen op te vangen voordat ze verder kunnen reizen.

Het team testte eerst het concept met behulp van een groene laser om een punt van licht te simuleren dat de buisjes binnengaat. Zonder de donkere coating verspreidde het licht zich breed en creëerde het een wazige vlek die een gebied van ongeveer 260 micrometer besloeg. Wanneer ze de gecoate buisjes gebruikten, bleef het licht strak geconcentreerd en kromp de vlek tot slechts 90 micrometer. Deze eenvoudige maar effectieve aanpassing bewees dat de coating het licht succesvol kon beperken in zijn laterale verspreiding, waardoor het signaal scherp bleef.

Vervolgens gingen ze over naar de echte test: het blootstellen van de detector aan neutronen van een Americium-Beryllium-bron. Ze namen duizenden frames aan gegevens op en filterden zorgvuldig de achtergrondruis weg om echte neutronengebeurtenissen te identificeren. De resultaten waren veelbelovend. De detector identificeerde de individuele neutronen succesvol en mat hun energie met een hoge mate van nauwkeurigheid. De onderzoekers ontdekten dat de detector ongeveer 10% van de neutronen die het oppervlak raakten, registreerde, een cijfer dat steeg naar ongeveer 13,5% wanneer dit werd berekend op basis van alleen het oppervlak dat door de actieve vloeistof wordt ingenomen, exclusief de glazen wanden. Dit niveau van efficiëntie wordt als sterk beschouwd voor een apparaat van deze omvang en complexiteit.

Misschien nog belangrijker is dat het team analyseerde hoe goed de detector kon onderscheiden tussen één neutron die een enkel buisje raakt en meerdere neutronen die gelijktijdig nabijgelegen buisjes raken. Voor gebeurtenissen waarbij één of twee buisjes betrokken waren, was de respons van de detector bijna perfect lineair, wat betekent dat de signaalsterkte verdubbelde bij twee geraakte buisjes vergeleken met één. Echter, bij drie of meer buisjes werd het signaal lichtelijk verstoord. Dit gebeurde omdat het licht van de centrale buisjes zich verspreidde naar de naburige buisjes, en het grotere gebied dat gebruikt werd om het signaal te meten, per ongeluk ook wat van dit extra, verstrooide licht opving. Hoewel dit een limiet onthulde in het vermogen van de detector om complexe, overlappende gebeurtenissen te verwerken, bood het ook een duidelijk fysiek begrip van hoe het licht zich gedraagt, waardoor toekomstige ontwerpen rekening kunnen houden met dit effect.

De studie mat ook het vermogen van de detector om de locatie van een neutron te bepalen. Door de vorm van de lichtvlekken te analyseren, bepaalden de onderzoekers dat de kern van het signaal ongelooflijk scherp was, met een breedte van ongeveer 12,7 micrometer. Dit stelde hen in staat om het centrum van de lichtvlek te berekenen met een precisie van ongeveer 5,5 micrometer. De uiteindelijke limiet voor hoe dicht twee afzonderlijke neutronen bij elkaar konden liggen en nog steeds als afzonderlijke punten gezien konden worden, werd echter bepaald door de fysieke afstand tussen de buisjes zelf, die ongeveer 54 micrometer bedroeg. Dit betekent dat hoewel de elektronica het centrum van een plek zeer precies kan vinden, de detector twee neutronen niet kan onderscheiden als ze in buisjes landen die te dicht bij elkaar liggen.

Deze bevindingen bieden een praktisch stappenplan voor het bouwen van betere neutronenimagers voor toekomstig fusieonderzoek. Het werk bevestigt dat het coaten van de buitenkant van de capillairen een levensvatbare manier is om te voorkomen dat licht het beeld vertroebelt, en het geeft een helder beeld van de sterktes en beperkingen van de detector. Door precies te begrijpen hoe het licht zich verspreidt en waar de resolutiegrenzen liggen, kunnen technici nu detectoren van de volgende generatie ontwerpen die nog scherper zijn, wat potentieel een helderder zicht op het fusieproces ontsluit en ons dichter bij het doel van schone, grenzeloze energie brengt.