Development of a novel low-pressure detector with high position and time-of- flight resolution for thermal neutron detection

Titel 1 Einleitung 1 2 Konverter und Detektoren für Neutronenstreuexperimente 5 2.1 Neutronenkonverter 5 2.2 Detektoren ohne Flugzeitauflösung 11 2.3 Szintillationsdetektoren 12 2.4 Halbleiterdetektoren 13 2.5 Hochdruck-Gasdetektoren 15 2.6 Niederdruck-Gasdetektoren 20 2.7 Der neuartige Neutronendetektor im Überblick 22 3 Optimierung des Neutronenkonverters 25 3.1 Folienkonverter aus 157Gd 25 3.2 Erzeugung von Sekundärelektronen 33 3.3 Erhöhung der Sekundärelektronenausbeute 41 3.4 Herstellung des Neutronenkonverters 49 4 Der Mikrostreifendetektor 57 4.1 Aufbau des Mikrostreifendetektors 57 4.2 Optimierung der Gasverstärkung 58 4.3 Optimierung der Mikrostreifengeometrie 70 4.4 Technische Realisierung des Mikrostreifendetektors 75 4.5 Testmessungen an den Mikrostreifendetektorplatten 87 5 Optimierung der Signalauslese mit Verzögerungsleitungen 91 5.1 Signalausbreitung auf dem Mikrostreifendetektor 91 5.2 Theoretische Grundlagen der Verzögerungsleitungen 96 5.3 Simulation einer m-abgeleiteten Verzögerungsleitung 100 5.4 Verringerung von differentiellen Nichtlinearitäten 103 5.5 Entkopplung der Verzögerungsleitung vom Mikrostreifendetektor 108 5.6 Berechnung der Ortsauflösung 112 6 Signalverarbeitung und Datenaufnahmesystem 117 6.1 Signalverarbeitung 117 6.2 Zählratenkapazität 119 6.3 Das Datenaufnahmesystem 121 7 Zusammenfassung 127 8 Literaturverzeichnis 131Die gepulste Hochfluß-Neutronenquelle ESS, in Verbindung mit weiterentwickelter Neutronenoptik und Spektrometern, erfordert Detektoren mit besserer Orts- und Flugzeitauflösung und höherer Zählratenkapazität als sie derzeit verfügbar sind. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit, die Teil eines Projektes am Hahn-Meitner-Institut (HMI) ist, ein neuartiger Neutronendetektor entwickelt. Im Zentrum des Detektors steht ein 157Gd/CsI-Zweischichtenkonverter, der beidseitig auf einer dünnen Trägerfolie aufgebracht ist. Nach dem Neutroneneinfang am 157Gd und der folgenden Emission von Konversionselektronen werden mehrere niederenergetische Sekundärelektronen zu einer (oder beiden) Seite(n) des Konverters emittiert. Dieser ist gemeinsame Driftkathode einer Doppel-Mikrostreifenplatten-Anordnung, wobei die beiden Mikrostreifenplatten- Ebenen mit jeweils vier Platten pro Ebene den aktiven Gasraum nach außen abschließen. Die Sekundärelektronen werden durch einen zweistufigen Gasverstärkungsprozeß nachgewiesen. Die neuartigen Mikrostreifen-Strukturen sind in mehreren dünnen Schichten auf einem soliden Glasträger aufgebaut und erlauben, zwei orthogonale Ortskoordinaten mit 0.1 - 0.3 mm Ortsauflösung (FWHM) zu messen sowie die Flugzeit thermischer Neutronen mit weniger als 4 ns Zeitauflösung zu bestimmen. Alle Mikrostreifen-Strukturen wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals anhand von vollständigen Modellrechnungen für den Niederdruckbetrieb optimiert. Für die zweite Ortskoordinate wurden neuartige Elektrodenstrukturen gefunden, die höhere und schnellere Signale liefern. Neutronenkonverter aus natGd/CsI mit optimiertem Schichtaufbau wurden im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und verschieden strukturierte CsI-Schichten mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Für die Datenaufnahme und Auswertung wurde ferner eine neue PCI-Bus-Karte entwickelt, die eine sehr hohe Zählratenkapazität von 107 Neutronen pro Sekunde ermöglicht.The pulsed high-flux neutron source ESS, in synergy with advanced neutron optics and spectrometers, will require imaging detectors with better resolution and faster response than presently available. Thus in this work, which is part of a project of the Hahn-Meitner-Institut (HMI), a novel neutron detector has been developed. In the central detector plane a composite foil converter (157Gd/CsI) is located, emitting, after neutron capture and subsequent emission of conversion electrons, a detectable cluster of low-energy electrons. In two adjacent low- pressure gas gaps, sandwiched between fourfold segmented micro-strip gas chamber (MSGC) plates on each side, the clusters are pre-amplified in parallel-plate mode and further in the strong alternating fields between the micro-strips. The advanced micro-strip design is made in multilayer technology on a robust glass substrate. Two closely spaced electrode planes are used for two- dimensional position readout. The expected position resolution is 0.1 - 0.3 mm and the time-of-flight resolution for thermal neutrons is less than 4 ns. Within the scope of this work all electrodes have been optimised for low- pressure, two-stage amplification by a comprehensive modelling. For the second coordinate plane a new electrode structure was found, which gives fast and high signals. Composite foil converters of natGd/CsI with optimised layer structure have been made and different CsI-layers have been investigated with an scanning electron microscope. A novel, fast data acquisition system has been developed which allows count rates up to 107 neutrons per second