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SoNDe: A Detector for Neutrons and More

Neutrons are electrically-neutral building blocks of the nucleus of an atom. They are produced in specialized research facilities, and with the help of so-called scattering instruments are directed at the sample to be investigated. The neutrons "bounce off" the samples' atomic nuclei and may in the process alter their direction and speed. This type of scattering gives information about the positioning and movement of the atoms in the sample that allow investigations in virtually all fields of science, such as physics, chemistry and biology. Detectors transform the scattered neutrons into electronic signals using a multi-step process. This complicated process is necessary, as neutrons are invisible to the human eye and do not carry an electric charge. In the SoNDe project a new kind of detector technology is developed, that will outperform current detectors for neutrons by a factor of 20 or more. Additionally, because the technology is so versatile, it can be used in other applications, like autonomous cars or turbulence detection via LIDAR. More: www.fz-juelich.de/jcns/SoNDe Partner: European Spallation Source ERIC (ESS) / Lund, Sweden Integrated Detector Electronics AS (IDEAS) / Oslo, Norway Laboratoire Léon Brillouin (LLB) / Gif sur Yvette Cedex, France Lund University, Nuclear Physics Department / Lund, Sweden Funding The work on the SoNDe project is funded by the European Union within the Horizon 2020 framework under project number 654124. The financial support by the European Union is gratefully acknowledged. --- Neutronen sind Teile der Atomkerne. Sie erlauben uns Fragen in allen möglichen Wissenschaftsbereichen zu beantworten. Das reicht von Fragen über den Ursprung des Universums, über chemische und biologische Prozesse bis hin zu Problemen der Material- und Ingenieurswissenschaften. Mit Neutronen können wir die Struktur von Materialien bis auf wenige millionstel Millimeter und die Bewegung von Atomen bis auf wenige milliardstel Sekunden untersuchen. Da Neutronen jedoch für das bloße Auge unsichtbar sind, und sich auch nicht mit einer optischen Kamera aufzeichnen lassen benötigen wir fortschrittliche Technology um sie zu beobachten. Diese Detektoren müssen immer weiter verbessert werden, da auch Neutronenquellen immer stärker werden. Die neusten dieser Neutronenquellen sind so stark, dass die meisten der gegenwärtig verfügbaren Detektoren von ihnen geblendet würden, genau wie eine Person, die in die Sonne schaut. Um diese Neutronenquellen optimal nutzen zu können, haben wir den Solid State Neutron Detector, SoNDe, entwickelt. SoNDe verwendet ein modulares Design, das uns erlaubt bis zu 250.000 Neutronen auf einem einzigen Modul pro Sekunde zu zählen. Diese Module stellen das Herzstück der Technologie dar, und jedes von ihnen lässt sich auch alleine nutzen. Dies erlaubt uns Detektoren mit jeder beliebigen Geometrie herzustellen. Wenn ein Neutron auf den Detektor zufliegt, trifft es als erstes auf das Szintillatorglas. Dieses Glas enthält ein bestimmtes Lithiumisotop, das aufleuchtet, wenn es von einem Neutron getroffen wird. Für jedes Neutron werden dabei nur etwa 600 Photonen in den Detektor abgestrahlt. Zum Vergleich: Eine brennende Kerze erzeugt etwa 3x1018 Photonen, also eine 3 mit 18 Nullen, und das pro Sekunde. Diese 600 Photonen sind für eine Person nicht wahrnehmbar, der Photomultiplier jedoch ist in der Lage auch diesen winzigen Lichtblitz zu detektieren. Daraus erzeugt der Detektor ein Signal. Um nun ein vollständiges Bild der Probe darzustellen, werden all diese Signale zusammengefügt, wie bei einer Fotokamera. Hier finden wir nun ein schönes Stück Ingenieurskunst, das uns erlaubt zu sehen von wo Neutronen kommen, und wie schnell sie unterwegs sind. Diese Technik lässt sich allerdings auch anderweitig einsetzen. Selbstfahrende Autos benötigen Detektoren um den anderen Verkehr zu sehen, und zu messen wir schnell sich die anderen Verkehrsteilnehmer bewegen, um so sicher zu fahren. Auf die gleiche Art kann SoNDe auch helfen um während des Fluges Turbulenzen zu entdecken, die für das bloße Auge unsichtbar sind.