[論文レビュー] Prospects in MPGDs development for neutron detection

B. Guérard, R. Hall-Wilton+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、マイクロパターンガス検出器（MPGDs）が中性子検出に向けた可能性を評価し、従来の3He検出器の限界を克服できる可能性を提案している。高エネルギー物理学で実証済みのMPGDの優れた空間分解能、放射線耐性、高レート対応性能を活用することで、本研究は、特にヨーロピアンスパルセーションソース（ESS）のような施設における需要増加と3He不足という状況を踏まえ、MPGDを中性子科学分野に適応させる道筋を提示する。

ABSTRACT

Compared to Multi Wires Proportional Chambers (MWPC), Micro-Pattern Gas Detectors (MPGD) used in HEP to detect MIPs offer better spatial resolution, counting rate capability, and radiation hardness; their fabrication is also more reproducible. Provided similar advantages are applicable to detect neutrons, MPGDs might contribute significantly to the development of neutron scientific instrumentation. In order to evaluate the prospects of neutron MPGDs, it is worth knowing the applications which would benefit from a gain in performance, and if they offer a competitive alternative to conventional 3He detectors. These questions have been at the focus of the workshop "Neutron Detection with Micro-Pattern Gaseous Detectors" organized by RD51 in collaboration with HEPTech, which took place at CERN on October 14-15, 2013. The goal of this workshop was to help disseminating MPGD technologies beyond High Energy Physics, and to give the possibility to academic institutions, potential users and industry to meet together. This summary article starts with a short summary of the state of the art of MPGD techniques for HEP; then specificities in the design of neutron detector are described; the consequence of the 3He shortage are briefly discussed; requirements for neutron scattering science at current facilities and at the future ESS are described; finally, we give some recommendations about possible directions where we believe the development of neutron MPGDs is of particular interest for possible use on neutron scattering instruments.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学で実証済みのMPGD技術を中性子検出に適応可能かどうかを評価すること。
• 3He不足という増大する課題に対応し、代替の中性子検出技術を同定すること。
• ヨーロピアンスパルセーションソース（ESS）のような現在および将来の中性子散乱施設における中性子検出器の性能要件を定義すること。
• MPGDを用いた中性子検出器が既存技術を上回る顕著な利点を示す可能性がある主な応用分野を特定すること。
• 科学的計測機器分野における中性子用MPGDの今後の研究開発を導くために、具体的な開発方向を提言すること。

提案手法

• 高エネルギー物理学（HEP）分野におけるMPGDの最新状況をレビューし、空間分解能、カウントレート、放射線耐性の面での利点に焦点を当てる。
• MPGDを中性子検出に適応させるにあたり直面する具体的な設計課題を分析する。特に、中性子の相互作用メカニズムと変換層の統合に関するものである。
• 既存の中性子検出器、特に3Heベースのシステムの性能を評価し、材料不足に起因する制限要因を明らかにする。
• 時間飛行法および画像化応用を含む中性子散乱施設からの要件を調査し、MPGDのターゲット仕様を定義する。
• MPGDを用いた中性子検出に関するRD51ワークショップからの情報を統合し、有望な技術的道筋と協働の機会を同定する。
• MPGD部品の技術的成熟度と応用分野のニーズに基づき、焦点を当てた研究開発の方向性を提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー物理学で開発されたMPGDは、中性子検出に効果的に適応可能か？
• RQ2 ヨーロピアンスパルセーションソース（ESS）のような現代の中性子散乱施設における中性子検出器に求められる主な性能要件は何か？
• RQ3 効率、分解能、スケーラビリティの観点から、MPGDは従来の3Heベースの検出器と比べてどのように差をつけることができるか？
• RQ4 特に熱中性子に対して効率的な中性子相互作用を実現するために、MPGDに必要な設計上の変更は何か？
• RQ5 どの科学的応用分野が、MPGDを用いた中性子検出器の性能向上により最も恩恵を受けるか？

主な発見

• MPGDは、従来のマルチワイヤプロポーショナルチェンバー（MWPC）と比較して、優れた空間分解能、放射線耐性、高レート対応性能を有しており、中性子検出に適した強力な候補である。
• 3He不足は代替の中性子検出技術の緊急な必要性を生じさせ、MPGDは実用的かつ競争力のある解決策として位置づけられる。
• ヨーロピアンスパルセーションソース（ESS）のような中性子散乱施設は、高効率、良好な時間分解能、スケーラビリティを備えた検出器を要請しており、MPGDはこれらの要件を満たす可能性を有する。
• MPGDを中性子検出に適応させるには、中性子変換層（例：6Li や 10B）の統合と、ガス混合比および電極形状の最適化が必要である。
• RD51ワークショップでは、時間飛行法中性子散乱や画像化応用など、いくつかの有望な応用分野が同定され、MPGDは既存技術を上回る可能性がある。
• ワークショップからの提言は、ガス増幅構造、中性子変換層、システム統合の分野における焦点を当てた研究開発が、主な開発方向であることを示している。