Neutron-Induced Scintillation in Organics

Neutroner hittar man inuti atomens kärna.
Som namnet anger är neutronen en neutral partikel, dvs. den saknar elektrisk laddning.
Om man frigör dessa från atomen så har man ett mycket användbart verktyg.
Utan elektrisk laddning kan neutronen penetrera djupare in i materia och därför användas för materiella studier för att ge information om den atomära och subatomära världen, till exempel inom fysik, kemi, biologi och medicin.
Men samtliga metoder som använder sig av neutroner behöver ett sätt att ``se'' neutronen.
En neutron detektor!

Neutron detektorer finns färdiga att köpa direkt från en tillverkaren men kan också för unika ändamål behöva specialutvecklas. Till exempel på European Spallation Source (ESS) här i Lund så pågår där utveckling av nya och unika neutron detektor system för att kunna uppfylla dom framtida höga kraven när ESS drar igång. Men oberoende vilken väg man väljer krävs det att man skapar sig mycket god förståelse om varje specifik detektor.
Frågor man behöver besvara kan inkludera: Är det någon skillnad när en gamma foton eller neutron träffar detektorn?
Kan man bestämma energin på neutronerna som detekteras?
Hur lång tid tar det att läsa ut en signal från detektorn osv.
För att kunna besvara dessa frågor och fler krävs ingående utveckling och studie samt tillgång till en dedikerad forskningsmiljö och utrustning.
I Source Testing Facility (STF) på Lunds Universitet finns just en sådan miljö.
Här har dussintals detektor prototyper och hundratals studenter strövat igenom sedans dess invigning hösten 2015.
Kärnan av STF består av en uppställning för neutron ”tagging” som kallas för Akvariet.
Här är det möjligt att med hjälp av radioaktiva neutron källor bestämma neutronens energi genom att mäta tiden den flyger över ett bestämt avstånd.
Eftersom neutronerna på STF har relativt höga hastigheter (ca 10’000’000 km/h) så behöver man mäta denna tid med mycket små marginaler.
Faktiskt så små som 0.000000001 sekunder eller 1 miljarddels sekund!

Men oberoende hur trevligt det än är att sitta på STF, så räcker det inte bara med ett labb och bra utrustning för att kunna karakterisera en neutron detektor.
Experimentella metoder för att utforska specifika egenskaper av detektorn behöver utvecklas och beprövas för att slutligen kunna implementeras.
Det är just metoderna som ger oss svaren vi är ute efter.
Fokuset på denna avhandling har varit att utveckla och implementera just experimentella metoder och främst för en just en typ av neutron detektor.
Den så kallade scintillator detektorn.
Scintillatorer har använts som partikel detektorer i över 100 år och utvecklingen av nya scintillator material är än idag ett aktivt forskningsområde.
Scintillator detektorn fungerar genom att den inkommande neutronen träffar materialet och ge upphov till ljusblixtar.
Generellt så blir dessa ljusblixtar stora och skarpa för höga neutron energier och svagare för låga neutron energier.
En ljuskänslig sensor omvandlar dessa ljusblixtar till elektriska signaler som kan användas för att studera händelsen.

Metoder som utvecklats i denna avhandling har använt dessa ljusblixtar för att bland annat urskilja neutroner och gamma fotoner i radioaktiva miljöer.
Tillsammans med neutron tagging metoden på STF har detta resulterat i fördjupad insikt om scintillator materialets basfunktion.
Även metoder baserade på datasimulering har utvecklats från granskningen av dessa ljusblixtar.
Man kan använda sig av simuleringar för att säkerställa sina experimentella resultat samt att ge insikt i den bakomliggande fysiken.
Simulering är ett mycket kraftfull redskap eftersom det ger dig facit direkt i hand.
Detta innehåller detaljerad information om vad som träffade detektorn, när det hände, med vilken energi osv.
När man lyckas att återskapa dom experimentella resultaten i sin simulering så har man tillgång till hela detta facit!
Denna kopplingen mellan simulering och experimentella resultat har givit upphov till metoder för energibestämning av detekterade partiklar med högre precision samt publicering av första karakteriseringen av nya scintillator material.