High-rate thermal neutron gaseous detector for use at neutron spallation sources

Due to the current worldwide 3He-shortage the present neutron scientists are facing the challenge of finding alternative technologies to 3He as a thermal neutron detector with a high-rate capability to profit of the high flux of modern spallation sources like European Spallation Source (ESS). The aim of the presented PhD project is the development of a high-rate thermal neutron gaseous detector for applications in spallation sources. The detector is based on the Gas Electron Multiplier (GEM) technology and is provided with a geometrically optimised "converter", as boron carbide 10B4C layers, in order to detect thermal neutrons through the 10B(n,α)7Li reaction. Four detector prototypes with different converters geometry were constructed and tested in spallation sources. The evolution of the converter technology goes with the improvement of detector performance such as efficiency (ε = 40% at λ = 4 Ang) and spatial resolution (FWHM ~ 6mm). On the base of the performance results obtained with this new technology a collaboration with ESS was established with the aim to develop a thermal neutron detector with a boron-based 3D converter, as a part of the detector system of LoKI, a SANS instrument and one of the first to be constructed.

Il problema, rilevato a livello globale, circa la progressiva riduzione di disponibilità di 3He, ha indotto la comunità scientifica ad intraprendere un’intensa fase di ricerca e sviluppo con lo scopo di trovare tecniche di rivelazione di neutroni alternative a quelle standard basate su 3He. Queste nuove tecnologie, oltre ad avere un’efficienza comparabile a quella dei tubi a 3He, devono risultare idonee ad effettuare misure in sorgenti ad alto flusso di neutroni come la futura European Spallation Source (ESS). In questa tesi di dottorato si ripercorre lo sviluppo di un rivelatore a gas per neutroni termici in grado di supportare ratei di conteggio pari ai MHz/mm2. Il rivelatore è basato sulla tecnologia del Gas Electron Multiplier (GEM) ed è dotato di un “convertitore” contenente 10B4C, la cui geometria è stata ottimizzata per rivelare neutroni termici tramite la reazione di cattura nucleare 10B(n,α)7Li. Quattro prototipi, con quattro differenti convertitori, sono stati testati in sorgenti di neutroni a spallazione e in reattori nucleari. L’evoluzione dei convertitori riflette il miglioramento delle performance del rivelatore, in particolare l’efficienza (ε = 40% at λ = 4 Ang) e la risoluzione spaziale (FWHM ~ 6mm). Sulla base dei risultati ottenuti con questa nuova tecnologia si è instaurata una collaborazione con ESS allo scopo di ottimizzare il rivelatore oggetto del presente studio, che verrà quindi installato nel sistema di rivelatori di LoKI, una delle prime linee di fascio ad entrare in funzione a ESS.