Borcarbid-Beschichtungen für Neutronen-Detektoren

Als eine von wenigen Firmen sind wir darauf spezialisiert, Beschichtungen mit angereicherten Borcarbiden für Komponenten von Neutronen-Detektoren herzustellen, die im Strahlenschutz oder der Grundlagenforschungen eingesetzt werden.

Mittels Magnetronabscheidung beschichten wir GEM-Folien (siehe unten) und Aluminium- oder Kupferfolien einseitig oder beidseitig mit Abmessungen von bis zu 400 x 1200 mm und Schichtdicken von bis zu 2 μm.

Das aus Borcarbid-Targets abgeschiedene angereicherte Isotop ¹⁰B dient in der Folge als Neutronenkonverter: Neutronen passieren eine Schicht aus angereichertem ¹⁰B und werden dort in ein Lithium-7 Atom und ein Alphateilchen (Heliumkern) umgewandelt. Das geladene Alphateilchen kann dann mit Standardtechniken gemessen werden.

Wir sind im stetigen Austausch mit unseren Kunden und Partnern und stellen durch Kooperationen mit Partnern in Forschung und Entwicklung bei verschiedenen Firmen und Instituten stellen wir sicher, dass unser Herstellungsprozesse alle Anforderungen von Hochleistungsdetektoren für die physikalische Grundlagenforschungen erfüllen.

Beispielsweise haben wir in Zusammenarbeit mit der Firma CDT GmbH, Heidelberg, www.n-cdt.com, 10B4C-Beschichtungen für den DREAM Detektor an der Europäischen Spallationsquelle in Lund, Schweden, durchgeführt: https://europeanspallationsource.se/instruments/dream

DREAM wird ein herausragendes Werkzeug zur Strukturanalyse sein und neue physikalische und chemische Messungen in Material- und Nano-Physik mittels Neutronen-Diffraktometrie ermöglichen.

GEM-Folien (Gaseous Electron Multiplier) wurden am CERN, https://gdd.web.cern.ch/gem, für die großen Teilchendetektoren entwickelt, die nach neuer Physik suchen. Diese Folien vereinen Einfachheit und Hochtechnologie: Eine Kaptonfolie ist beidseitig mit Kupfer beschichtet, das als Hochspannungselektroden dient. Mehrere tausend Löcher, die durch die Folien gebohrt werden, erzeugen eine Transparenz, die Partikeln den Durchtritt ermöglicht. Geladene Teilchen, die die Löcher passieren, werden beschleunigt, ionisieren das Detektorgas und erzeugen eine Elektronenlawine, die vom Detektor gemessen wird.

Leider sind Neutronen frei von elektrischer Ladung und konnten bisher nicht mit der Standard-GEM-Foliendetektortechnik manipuliert und nachgewiesen werden. Nun sind auch solche Folien für die nächste Generation von Neutronendetektoren an Hochfluss-Neutronenquellen (wie ESS, PSI, ILL, Los Alamos, FRMII oder Oak Ridge) verfügbar.

Für die Umwandlung “neutraler” Neutronen in nachweisbare geladene Teilchen werden auch hier isotopenangereicherte 10B4C-Beschichtungen verwendet. Nach der Konversion werden die geladenen Teilchen wie oben beschrieben gemessen.

Allerdings ist Standard-B4C ein elektrisch leitfähiges Material und würde nach der Beschichtung einen Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden der Folie hervorrufen und somit das GEM-Prinzip verhindern.

Die Entwicklung nichtleitender und angereicherter 10B4C-Beschichtungen ist die Lösung. Solche Spezialbeschichtungen wurden bei Magtec entwickelt.

Weiterhin bieten wir unseren Kunden auch aus B4C gefertigte Werkstücke für die Neutronenphysik an.

Auswahl an Veröffentlichungen in diesem Bereich:

• Performance study of the Jalousie detector baseline design for the ESS thermal powder diffractometer HEIMDAL through GEANT4 simulations, I. Stefanescu, M. Christensen, R. Hall-Wilton, S. Holm-Dahlin, K. Iversen, M. Klein, D. Mannix, J. Schefer, C.J. Schmidt, W. Schweika and U. Stuhr, Journal of Instrumentation, Volume 14, (2019)
• Ultracold neutron detectors based on ¹⁰B converters used in the qBounce experiments, T. Jenke, G. Cronenberg, H. Filter, P. Geltenbort, M. Klein, K. Mitsch, T. Lauer, H. Saul, D. Seiler, D. Stadler, M. Thalhammer, H. Abele, Nucl. Instr. and Meth. A (2013)
• Experimental investigation of a low-cost solid state detector with high spatial resolution for ultracold neutrons, Th. Lauer, P. Geltenbort, P. Hoebel, M. Kaoui, H.C. Koch, A. Kraft, U. Schmidt, Yu. Sobolev, Eur. Phys. J. A (2011)