A nRPC-4D Neutron Detector Concept with Timing and Three-dimensional Position Readout Capability

Abstract

Neutron scattering techniques play a critical role in advancing scientific knowledge in physics, chemistry and biology as well as boosting technological innovations across medical and material research, homeland security and cultural heritage conservation. One common need for all neutron scattering science applications is a detector capable of detecting the neutrons that are transmitted through, reflected by or scattered in the sample. For a long period of time, 3He-based detectors were the gold standard in neutron scattering science. However, with the 3He supply crisis starting in 2001 due to the United States vast use of neutron detectors in homeland security, the demand for 3He quickly rose, until surpassing the supply in 2009. The resulting high cost of 3He made the construction of large-area detectors based on this isotope economically not feasible. To reduce the dependency on 3He in neutron scattering science, attention was redirected to finding alternative detection technologies. A novel concept of a thermal/cold neutron detector based on the 10B-RPC technology, called the nRPC-4D, is presented in this dissertation thesis. The big goal of the project ongoing in LIP is to demonstrate that an nRPC-4D detector can provide a four-dimension readout capability (XYZ and time) of the neutron events with submillimetre positional and ns-scale timing resolution, making it a competitive alternative compared with the performance of the current state-of-the-art neutron detectors. Aligned with this goal, the main objectives of the work on this thesis were to construct such a detector prototype and perform its characterisation with thermal neutrons. My main efforts during this work consisted in the assembly of an nRPC-4D detector prototype, the development of data processing tools, and the subsequent data analysis of the experimental results. A detector prototype was assembled, tested and shipped to the Paul Scherrer Institute for characterisation at the neutron beamline. The counting rates measured from each module matched well the Monte Carlo simulation results, demonstrating good prediction power of the developed simulation model. The detector was able to accurately identify the XY (across the beam) and Z (along the beam) position of the neutron events. The precision of the Z coordinate determination is significantly improved compared to the previous generation of the 10B-RPC detectors. It was also demonstrated that the detector is capable to reliably measure the neutron time of flight by recording the neutron wavelength spectrum at the beamline and comparing it with the known data. These experimental results demonstrate that the developed detector concept is a strong candidate to be applied in designing the next generation instruments for TOF neutron diffraction, macromolecular neutron crystallography, and energy-resolved neutron imaging.

As técnicas de dispersão de neutrões desempenham um papel fundamental no avanço do conhecimento científico em áreas tão diversas como a física, química e biologia, bem como, no impulsionar a inovação tecnológica na medicina, no desenvolvimento de novos materiais, na segurança interna e na conservação do património cultural. A viabilidade destas técnicas, acessíveis apenas em instalações de neutrões de grande escala, só é possível através da utilização de detectores capazes de detectar os neutrões transmitidos, refletidos ou dispersos pelas amostras. Durante um longo período de tempo, os detectores usados para aplicações na ciência de dispersão de nêutrons eram baseados na tecnologia de detecção do Hélio-3. Com a crise de fornecimento de Hélio-3 iniciada em 2001, e motivada pelo uso massivo deste isótopo na construção de detectores de neutrões para fins de segurança interna, nos Estados Unidos da América, a procura ultrapassa a oferta por volta de 2009. O elevado custo do Hélio-3 tornou economicamente inviável a construção de detectores de grandes áreas baseados neste isótopo. De modo a reduzir a dependência do Hélio-3 em aplicações na ciência da dispersão de neutrões, têm vindo a ser envidados esforços no sentido de desenvolver tecnologias de detecção alternativas tendo em vista a sua substituição. Nesta dissertação é apresentado um novo conceito de detetor de neutrões térmicos/frios baseado na tecnologia 10B-RPC, e denominado de nRPC-4D. O principal objetivo do projeto em curso no LIP, é demonstrar que um detetor nRPC-4D tem capacidade de detectar e realizar a leitura de eventos de neutrões a quatro dimensões (XYZ e tempo), e com resolução posicional submilimétrica e temporal da ordem do ns, fazendo deste tipo de detector uma alternativa com um desempenho competitivo em comparação aos actuais detectores de neutrões de última geração. Integrado neste projecto, os principais objectivos do trabalho desta tese de dissertação foram, o desenvolvimento e construção de um protótipo de detetor e a sua caracterização em feixe de neutrões com vista à prova de conceito. A minha principal contribuição para este projecto consistiu na participação da construção de um protótipo de um detector nRPC-4D, no desenvolvimento de ferramentas de processamento de dados e na subsequente análise dos resultados experimentais obtidos nos testes em feixe de neutrões.Depois de construído, e testado, enviou-se o protótipo para o Paul Scherrer Institute para caracterização em feixe de neutrões. Resultados experimentais dos testes demonstram que, as taxas de contagem em cada módulo de detecção que constituem o detector nRPC-4D, exibem boa concordância com os resultados da simulação de Monte Carlo, demonstrando a boa capacidade de previsão do modelo de simulação desenvolvido. É ainda demonstrada a capacidade do detector para identificar com precisão a posição XY e Z (direção do feixe) dos eventos de neutrões. A precisão com que é determinada a coordenada Z foi significativamente melhorada relativamente à anterior geração de detectores baseados nas 10B-RPCs. Também é demonstrada a capacidade do detector para medir, de forma fiável, o tempo de voo dos neutrões, e com isso, determinar o seu espectro de comprimento de onda do feixe. Estes resultados experimentais demonstram que o conceito de detector desenvolvido se apresenta como um forte candidato a ser aplicado na concepção de detectores para a próxima geração de instrumentos para difração de neutrões em TOF, cristalografia macromolecular com neutrões, e imagiologia de neutrões resolvida em energia.