Design and development of a thermal neutron GEM detector based on multi-layer 10B4C technology

The work presented in this thesis is related to the development and characterisation of a Gas Electron Multiplier (GEM) detector for thermal neutrons. Thermal neutron detection is nowadays mostly based on 3He, a noble gas with a high neutron cross-section (5330 b for thermal neutrons). Since 2010, the 3He availability is rapidly decreased due to its use in the strategic military field, thus new alternatives have been explored to compensate the 3He shortage. Moreover, the recent upgrades of the neutron facilities require new dedicated neutron detectors with good features, such as a high detection efficiency and a good spatial resolution. Based on these premises, several neutron converters have been studied and coupled with detectors. GEM detectors have been optimised for thermal neutrons through the use of the 10B, where neutrons are converted via the nuclear reaction 10B(n,α)7Li. This PhD thesis shows a new GEM detector optimised for neutron detection thanks to the use of the innovative boron-GEM foils, i.e. GEM foils covered on both sides with a boron layer. The new detector, named MBGEM, has been developed to reach a high detection efficiency through stacking the boron GEM foils, since they increase the neutron conversion. The detector is made of two parts: the six boron GEM foils stack and the three standard GEM foils stack. The boron GEM foils stack is the neutron conversion region, while the standard GEM foils stack is necessary to multiply the electrons arriving from the boron GEM foils stack. During my PhD work, the detector has been assembled at the Milano-Bicocca University and Istituto per la Scienza e la Tecnologia dei Plasmi (ISTP) of CNR, where the preliminary tests have been conducted. The detector has been preliminarily characterised with an X-ray source to study the capability to extract electrons from the GEM foil holes. This study has confirmed the good operation of the two stacks coupling (conversion stack and electron multiplication stack), in fact the primary electrons produced inside the boron stack are guided with a unitary gain and without losses through the boron GEM until they reach the triple GEM foils, where electrons are multiplied. Then, the study of the capability to sustain high count rates has been performed with a thermal neutron beam at the TRIGA Mark II reactor at the Laboratorio Energia Nucleare Applicata (L.E.N.A.). The MBGEM detector has shown a linear response up to a thermal neutron flux of 10^6 n/s*cm2 The final detector characterisation has been performed with a pulsed neutron source, the ISIS Neutron and Muon Source (UK), with a thermal and epithermal neutron beam of 10^7 n/s*cm2 at the VESUVIO experiment. The MBGEM detector main features have been determined with a series of measurements. In particular, it has been estimated the detection eciency of neutrons from 0.5 Å up to 6 Å, the detector stability during time and the detector capability to discriminate the neutrons from gamma rays. The data analysis highlights a detection efficiency of 16% at 1.8 Å(25 meV), a detector stability of 99% and capability to discriminate gamma rays from neutrons is 1.36 ∗ 10−5 γ/n. The good properties shown by the MBGEM detector suggest the possibility to use it to perform different experiments at spallation sources, where detectors capable to sustain high fluxes are required. In particular, it will be possible to use the MBGEM to perform experiments in transmission geometry aimed to determine the total neutron cross section of samples, but also for SANS (Small-Angle Neutron Scattering), where detectors need to sustain high count rates.

Il lavoro presentato in questa tesi è relativo allo sviluppo e alla caratterizzazione di un rivelatore basato sulla tecnologia Gas Electron Multiplier (GEM) per neutroni termici. Attualmente, la rivelazione dei neutroni termici è basata principalmente sull'uso di 3He, un gas nobile con una elevata sezione d'urto per i neutroni termici (5330 b). Dal 2010, la disponibilità di 3He è diminuita rapidamente a causa del suo impiego nel campo militare strategico, quindi nuove alternative sono state esplorate per compensare la carenza di 3He. Inoltre, le recenti migliorie nelle strutture di rivelazione dei neutroni richiedono nuovi rivelatori con specifiche caratteristiche come un'elevata efficienza di rivelazione e una buona risoluzione spaziale. Sulla base di queste premesse, sono stati studiati diversi convertitori di neutroni e accoppiati a rivelatori. I rivelatori GEM sono stati ottimizzati per i neutroni termici mediante l'uso del 10B, dove i neutroni vengono convertiti tramite la reazione nucleare 10B(n,α)7Li. Il nuovo rivelatore, denominato MBGEM, è stato sviluppato per raggiungere un'alta efficienza di rivelazione impilando i fogli GEM di boro, poiché aumentano la conversione dei neutroni. Il rivelatore è composto da due parti: lo stack di sei fogli GEM di boro e lo stack di tre fogli GEM standard. Lo stack di fogli GEM di boro è la regione di conversione dei neutroni, mentre lo stack di fogli GEM standard è necessario per moltiplicare gli elettroni che provengono dallo stack di fogli GEM borate. Durante il mio lavoro di dottorato, il rivelatore è stato assemblato presso l'Università degli Studi di Milano-Bicocca e presso l'Istituto per la Scienza e la Tecnologia dei Plasmi (ISTP) del CNR, dove sono stati condotti i test preliminari. Il rivelatore è stato caratterizzato con una sorgente di raggi X per studiare la capacità di estrarre gli elettroni dai fori dei fogli GEM. Questo studio ha confermato il buon funzionamento dell'accoppiamento dei due stack (stack di conversione e stack di moltiplicazione degli elettroni); infatti, gli elettroni primari prodotti all'interno dello stack di boro sono guidati con un guadagno unitario attraverso i fogli GEM borati fino a raggiungere la tripla GEM standard, dove gli elettroni vengono moltiplicati. Successivamente è stato condotto uno studio sulla capacità del rivelatore di sostenere elevati ratei di conteggio con un fascio di neutroni termici presso il reattore TRIGA Mark II situato presso il Laboratorio di Energia Nucleare Applicata (L.E.N.A.). Il rivelatore MBGEM ha mostrato una risposta lineare fino a un flusso di neutroni termici di 10^6 n/scm². La caratterizzazione finale del rivelatore è stata eseguita con la sorgente di neutroni impulsata ISIS (Regno Unito), con un fascio di neutroni termici ed epitermici di 10^7 n/scm² presso l’esperimento VESUVIO. Le principali caratteristiche del rivelatore MBGEM sono state determinate attraverso una serie di misure. In particolare, è stata stimata l'efficienza di rivelazione dei neutroni da 0,5 Å a 6 Å, la stabilità del rivelatore nel tempo e la capacità del rivelatore di discriminare i neutroni dai raggi gamma. L'analisi dei dati ha evidenziato un'efficienza di rivelazione del 16% a 1,8 Å (25 meV), una stabilità del rivelatore del 99% e una capacità di discriminare i raggi gamma dai neutroni pari a 1,36 * 10^-5 γ/n. Le buone proprietà mostrate dal rivelatore MBGEM suggeriscono la possibilità di utilizzarlo per condurre diversi esperimenti presso sorgenti a spallazione, dove sono necessari rivelatori in grado di sopportare flussi elevati. In particolare, sarà possibile utilizzare il MBGEM per condurre esperimenti in geometria di trasmissione mirati a determinare la sezione d'urto totale dei neutroni per campioni, ma anche per la SANS (Small-Angle Neutron Scattering), dove i rivelatori sono sottoposti a ratei di conteggio elevati.