Gemessenes Pulshöhenspektrum einer ca. 400 nm dicken Borschicht
Gemessenes Pulshöhenspektrum einer ca. 2.3 mm dicken Borschicht bei relativ hoher Diskriminatorschwelle
Für die Planung der festen Konverterschichten wurden ausführliche Berechnungen bezüglich der erreichbaren Nachweiseffizienz und Ortsauflösung sowie des erwarteten Verlaufs des Pulshöhenspektrums durchgeführt. Ebenso wurden verschiedene Verfahren untersucht, mit deren Hilfe die GEM-Folien mit einer entsprechenden Konverterschicht beschichtet werden können.
Mit Hilfe einzelner fester Borschichten konnten die theoretischen Überlegungen zum erwarteten Verlauf des Pulshöhenspektrums überprüft werden.
Gemessenes Pulshöhenspektrum einer ca. 400 nm dicken Borschicht |
Gemessenes Pulshöhenspektrum einer ca. 2.3 mm dicken Borschicht bei relativ hoher Diskriminatorschwelle |
Mit Hilfe der ersten funktionstüchtigen beschichteten GEM-Folien (sensitive Fläche: 4 cm x 4 cm) wurde gezeigt, daß die GEM-Folien kaskadiert und als ladungstransparenter Träger der Borschicht eingesetzt werden können. Das räumliche Auflösungsvermögen beträgt mindestens 3-5 mm und die Ortsinformation konnte ohne Verzerrung durch die gesamte Kaskade der Borschichten auf eine MSGC abgebildet werden. Der Detektor wird bei Normaldruck betrieben und ist unempfindlich gegenüber Gammastrahlung.
 |
Gemessenes Ortsspektrum eines mit vier beschichteten GEM-Folien ausgestatteten Detektors. Nach und nach wurden die einzelnen GEM-Folien für Ladung transparent geschaltet. Die einzelnen Meßkurven enthalten die Intensität der sukzessiv erweiterten Kaskade. Schließlich wurden bei Transparenz auch der letzten GEM zusätzlich die Neutronen sichtbar, die von der mit Bor beschichteten Driftelektrode konvertiert wurden. Jede beschichtete GEM-Folie steigert sichtbar die Nachweiseffizienz. |
 |
Dieses Flugzeitspektrum wurde im direkten Strahl von PF1a am ILL/Grenoble mit einem 100mm x 100mm großen
Detektor gemessen. Instantane Zählraten bis zu 2.7 MHz konnten auf einem einzelenen Auslesekanal gemessen
werden ohne Anzeichen
von Sättigungseffekten des Detektors. Der Untergrund rührt zum einen von dem Neutronengas, das durch Luftstreuung in der Kasematte von PF1a entsteht, und zum anderen von der verwendeten Chopperscheibe. Deren absorbierende Beschichtung ist inhomogen und läßt noch Neutronen in der Größenordnung von 5x10-5 hindurch (Die Position des kleinen Peaks bei 50 Angström hängt von der Chopperfrequenz ab.). Ein linearer Plot des TOF-Spektrums ist hier zu finden. |
 Die Abbildung zeigt die theoretisch erreichbare Nachweiseffizienz für thermische Neutronen (1.8Angström) in Abhängigkeit von der Dicke der 10Bor-Schicht auf den GEM-Folien. Der Parameter entspricht der Anzahl der beidseitig mit 10Bor beschichteten Folien. |
 Nachweiseffizienz gemessen am PSI für 3 Schichten aus 10Bor, gemessen am ILL für 8 Schichten aus 10Bor und theoretische Erwartung. |
 |
Theoretische Nachweiseffizienz für 20 kaskadierte 10Bor-Schichten. Durch geeignete Variation der Beschichtungsstärke wird die Effizienz in einemwählbaren Bereich unabhängig von der Wellenlänge. Der Detektor kann in einem solchen Bereich dann als "schwarzer" Detektor bezeichnet werden. |
Obige Abbildung zeigt die Rohdaten aufgenommen am Strahlplatz EKN des Forschungszentrums Jülich
mit einem kollimierten Neutronenstrahl von 0.57mm Durchmesser. Der Pitch der 2D-Auslese-Struktur
beträgt 1.57mm. Der CASCADE Detektor mit einer sensitiven Fläche von 200mm x 200mm wurde mit
einer Zählgasmischung Ar/CO2 = 90/10 betrieben.
Der genaue Wert der Ortsauflösung ist letztlich immer von der Stopping Power und damit
von der Art des Zählgases abhängig. Bei einem Betrieb des
Detektors unter Atmosphärendruck beträgt die Ortsauflösung rund 2.6mm. Für spezielle
Anwendungen (einige Bar Überdruck) ist aber auch ein Wert von bis zu 1 mm möglich.
CASCADE Prototyp mit einer sensitiven Fläche von 200mm x 200mm.
Detailed calculations with respect to detection efficiency and spatial resolution have been performed in preparation to the layout of solid converter coatings. A thorough understanding of the pulse hight distribution with varying converter thickness could be obtained. Further, various coating processes were investigated, and some quite stray, ingenious methods invented, in order to obtain stable neutron-converting coatings on the GEM-foils.
Single Boron coatings on GEMs allowed to confirm the theoretical models towards the pulse hight distribution.
Pulse hight distribution as measured on a 400 nm Boron coating. |
Pulse hight distribution as measured on a boron coating of about 2.3 mm thickness. |
The first operable coated GEM-foils (4cm x 4cm) allowed to prove unambiguously that cascaded GEM-foils do serve as charge-transparent substrate for thin neutron converting coatings such as Boron. Spatial resolution was better than 3 to 5mm and the spatial information could be imaged without distortions through several successive coated GEM-foils onto a signal readout electrode. The detector is operatad at ambient pressure and is absolutely insensitive to gamma background.
|
Spatial spectrum of a position sensitive CASCADE detector. The data was generated with a CASCADE prototype containing four cascaded Boron coatings and four GEMs. Individual GEMs were successively switched to charge-transparent mode. The different data sets correspond to the GEMs being switched transparent one by one, adding additional converter coatings. Each additional converter coating clearly gives stepwise additional detection efficiency. |
|
TOF spectrum measured in the direct beam of PF1a at the ILL/Grenoble with a CASCADE-Prototype
of size 100mm x 100mm. Instantaneous count rates of 2.7 MHz have been observed on one single readout channel without
saturation of the detector. The background level is due to the neutron gas scattered on air within the casematte of PF1a and due to a leakage in the inhomogeneous absorbing coating of the chopper disk (see the wiggle at 50 Angström which depends on chopper frequency). A Linear plot of the TOF spectrum is given here. |
This image shows a plot of theoretically obtainable detection efficiencies for thermal neutrons (1.8 Angstrom) for the CASCADE-detector as a function of the single 10Boron layer thickness. The parameter given lables the number of twosidedly coated GEMs, or equivalently, half the number of 10Boron layers involved. |
Data of detection efficiency measured on a three layer 10Boron-layer prototype at the SANS beamline at PSI/Switzerland, on a 8 layer 10Boron-layer prototype at the CT2 instrument at Ill/Grenoble compared to the corresponding theoretical prediction. |
|
Predicted detection efficiency for 20 cascaded 10Boron-layers. Note 50% detection efficiency for thermal neutrons. Through a variation of individual layer thickness, detection efficiency can be customized to e.g. enhance efficiency on a certain band of wavelengths or, alternatively, obtain a "black" detector beyond about 5 Angstrom neutron wavelength. |
The image above shows data taken at FZ Jülich with a collimated neutron beam and a
collimator orifice of 0.57mm in diameter. A single
readout strip of the 2D-readout structure has 1.57mm width. These measurements were performed with
a 200mm x 200mm CASCADE area detector and a mixture of counting gas 90/10
Argon/CO2. The precise value of spatial resolution
can be manipulated through the choice of
the counting gas mixture. Typical value for spatial resolution with ambient operating
pressure is 2.6mm. For special configurations (several bar of overpressure), resolution can be
as small as 1mm.
A CASCADE Prototype with a sensitive area of 200mm x 200mm.
