Instrument Servicegruppe Detektoren

Hocheffiziente und leistungsstarke Detektoren sind eine Schlüsselkomponente moderner wissenschaftlicher Instrumente in Neutronenstreuanlagen. Aufgabe der Servicegruppe Detektoren ist es, solche Detektorsysteme und die dazugehörige Ausleseelektronik zu konzipieren, an den Instrumenten des MLZ zu installieren und diese Systeme dauerhaft auf dem neuesten Stand der Technik zu halten. Um maßgeschneiderte Lösungen für die Instrumente bereitzustellen, kommen sowohl kommerziell erhältliche als auch selbst entwickelte Detektoren zum Einsatz. Des Weiteren kümmert sich die Gruppe um die Wartung, Fehlerbehebung und Kalibrierung der installierten Detektorsysteme. Darüber hinaus ist die Gruppe im Rahmen internationaler Kooperationen aktiv an der Erforschung neuer Detektortechnologien beteiligt.

Im Jahr 2021 konnte die Servicegruppe Detektoren mit der Fertigstellung des Laborgebäudes UYL zwei neue, bestens ausgestattete Laborräume mit einer Gesamtfläche von 180m² beziehen und damit die Möglichkeiten zur Entwicklung und Wartung moderner großflächiger Detektoren deutlich verbessern. Das erste, in Abb.1 dargestellte Labor ist für die mechanische Fertigung und Integration von Detektorkomponenten sowie dem Test ganzer Detektorsysteme ausgelegt. Der Schwerpunkt liegt auf der Produktion und Wartung großer ³He-basierten und anderer Gasdetektoren, auf die sich die Servicegruppe Detektoren spezialisiert hat. Herzstück des Labors ist ein 30m² großer Reinraum, in dem die hochempfindlichen inneren Komponenten der Detektoren hergestellt werden. Abb.2 zeigt eine Ansicht des Reinraums mit den darin installierten Laminar-Flow-Kabinetten und weiteren Anlagen zur Detektorfertigung. Das zweite, in Abb.3 dargestellte Labor ist ein hochmodernes Elektroniklabor, dessen Schwerpunkt auf der Entwicklung, Untersuchung und Prüfung elektronischer Komponenten zur Auslesung von Detektorsystemen liegt. Darüber hinaus betreibt die Gruppe zum Testen von Detektoren eine 1mCi ²⁵²Cf-Neutronenquelle, die sich in einem speziellen Labor in der Neutronenleiterhalle West befindet.

Das derzeit sich in der Neutronenleiterhalle Ost im Aufbau befindliche Instrument SAPHiR widmet sich der Untersuchung flüssiger und polykristalliner Proben unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen. Das Instrument wird mit drei großflächigen Detektorbänken ausgestattet, die jeweils senkrecht und in Vorwärtsstreurichtung zum Primärstrahl angeordnet sind. Jede Detektorbank trägt eine Anordnung horizontal ausgerichteter linear ortsempfindlicher ³He-Detektorröhren (PSD). Dabei sind die Röhren entlang eines Bogens mit einem Radius von 1500 mm um die Probenposition angeordnet. Abb.4 zeigt eine Vorderansicht der 0°-Vorwärtsbank, wobei der Neutronenstrahl durch eine Öffnung in der Mitte der Detektorbank geleitet wird.
Die ³He-Detektorröhren haben jeweils eine aktive Länge von 400 mm, einen Durchmesser von 8 mm und sind mit 20bar ³He-Gas gefüllt. Die Nachweiseffizienz für Neutronen variiert zwischen 50% bei 1 Å und 70% bei 2,4 Å. Beide Enden des Widerstandsanodendrahts des Detektorröhrchens sind mit ladungsempfindlichen Vorverstärkern verbunden und das Verhältnis der beiden Signalamplituden ergibt den Ort entlang der Röhre an, an dem das Neutron nachgewiesen wurde. Eine erreichbare Ortsauflösung von 2,8 mm (FWHM) wurde in früheren Testmessungen bestimmt.

Das wohl bislang anspruchsvollste Projekt der Servicegruppe Detektoren war die Entwicklung und Produktion von zwei gekrümmten, großflächigen zweidimensional positionsempfindlichen ³He-gefüllten Vieldrahtproportionalkammern (MWPC) in Zusammenarbeit mit dem Paul-Scherrer-Institut (PSI) im Rahmen des CHARM-Projekts [1]. Die Detektoren, deren Design auf einem in den Brookhaven National Laboratories (BNL) entwickelten Konzept basiert, wurden für das neue Pulverdiffraktometer ERWiN am MLZ und die Modernisierung des bestehenden Pulverdiffraktometers DMC am PSI entwickelt.
Jeder Detektor mit einer Krümmung von 800 mm bietet eine horizontale Akzeptanz von 130° und eine vertikale Akzeptanz von 14° mit einer Winkelauflösung (FWHM) von 0,115° in beiden Dimensionen. Er besteht aus neun einzelnen gebogenen MWPC-Segmenten, die nahtlos in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind, der mit 6,5bar ³He + 1,5bar CF⁴ gefüllt ist. Die Nachweiseffizienz für thermische Neutronen beträgt 75%. Jedes Segment besteht aus einer gekrümmten Leiterplatte mit 128 horizontalen Kathodenstreifen und 128 vertikal gespannten Anoden- und Kathodendrähten mit jeweils 1,6 mm Streifen-/Drahtabstand. Insgesamt wurden im Detektorlabor am MLZ 24 dieser MWPC-Segmente gebaut, wovon 12 für den PSI-Detektor im Einsatz sind. Abb.5 zeigt den Einbau der neun MWPC-Segmente in den Druckbehälter während der Integration des ERWiN-Detektors im Reinraum des Detektorlabors.
Zur Bestimmung der Ankunftszeit und der Auftreffposition jedes einzelnen Neutrons wird die Einzeldraht-/Streifenauslesung unter Verwendung der Zeit-über-Schwelle-Methode mit einem Schwerpunktalgorithmus angewendet. Die kompakte Frontend- und Signalverarbeitungselektronik [2], die vollständig von der Servicegruppe Detektoren entwickelt wurde, ist direkt auf dem Detektordruckgefäß montiert. Abb.6 zeigt den fertigen Detektor während der Installation am Instrument ERWiN am FRM II.
Die Integration der Komponenten für den DMC-Detektor wurde im Detektorlabor des PSI durchgeführt. Nach der Installation und Inbetriebnahme am Instrument DMC befindet sich der Detektor seit September 2022 im Nutzerbetrieb.

Im Rahmen des CHARM-Projekts entwickelte die Servicegruppe Detektoren ein modulares Auslese- und Datenerfassungssystem für Vieldrahtproportionalkammern (MWPC) mit Einzelkanalauslese. Das System ist für die Auslese nahezu beliebig vieler einzelner MWPC-Segmente ausgelegt, die in einem gemeinsamen Druckbehälter montiert sind. Das analoge Front-End besteht aus ladungsempfindlichen Vorverstärkern mit einer peaking time von 350ns, gefolgt von Komparatoren, um ein Zeit-über-Schwelle (ToT)-Signal zu liefern. Die ToT-Signale werden von FPGA-basierten Boards mit 80 MHz kodiert und mit einem Zeitstempel versehen. Die Signalverarbeitung umfasst eine Clustererkennung in x- und y-Position sowie die Bestimmung der Signalankunftszeit. Die Position des Neutroneneinfalls wird dann mithilfe eines ToT-gewichteten Schwerpunktalgorithmus bestimmt. Eine weitere FPGA-basierte Platine sammelt und verarbeitet Daten aus allen Segmenten, um Neutronenereignisse zu rekonstruieren, die an der Grenze zweier benachbarter MWPC-Segmente auftreten. Schließlich werden die rekonstruierten Neutronenereignisse mit einer Positionsauflösung von 10 Bit, einer Zeitstempelung mit einer Genauigkeit von 100ns und mit der in einem Ereignis deponierten Gesamtladung mit einer Auflösung von 8 Bit an das DAQ-System übermittelt.