Um den inneren Aufbau unterschiedlicher Materialien analysieren zu können, führt das Paul Scherrer Institut (PSI) Neutronen-Streuexperimente durch. Dabei wird ein entsprechendes Probenstück mit Neutronen bestrahlt. Durch die Analyse der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Neutronen nach der Streuung am Probestück können die internen Strukturmerkmale bestimmt werden. Für diese Streuexperimente hat man bisher sogenannte Helium-3-Gasdetektoren eingesetzt. Der Nachteil: Helium-3 ist ein teures Spezialgas. Die jüngsten Entwicklungen bringen Szintillatoren und Silizium-Photomultiplier (SiPM) als Alternative ins Spiel. Unter einem SiPM versteht man eine spezielle Ansammlung von Photodioden mit dem Zweck, schwache Lichtsignale via Ladungstrennung und mittels Verstärkung als elektrisches Signal nachweisbar zu machen. Diese SiPMs erlauben es nun, Neutronen mittels speziellen Szintillator-Materialien, d.h. über Lichtimpulse, zu detektieren. Diese physikalischen Voraussetzungen bilden die Grundlage für die Bachelorarbeit, welche Elektrotechnik-Absolvent Alexey Gromov für das PSI erstellt hat.

Im Rahmen seiner Bachelorarbeit hat Alexey Gromov ein FPGA-basiertes System für die Neutronendetektion mittels Szintillatoren umgesetzt. FPGA steht für Field Programmable Gate Array, was sinngemäss heisst, dass ein integrierter Schaltkreis im Feld – also vor Ort bzw. beim Kunden – programmiert werden kann. FPGAs werden in allen Bereichen der Digitaltechnik eingesetzt, vor allem aber dort, wo es auf schnelle Signalverarbeitung und flexible Änderung der Schaltung ankommt. Im vorliegenden System werden die Eingangssignale von einem 16-kanaligen Neutronendetektionsmodul des PSI generiert. «Das Detektionsverfahren nutzt die Eigenschaft der Szintillatoren, einen Teil der Energie der nachzuweisenden Teilchen in Photonen zu transformieren. Diese werden durch einen Lichtwellenleiter auf die SiPMs geführt», erklärt Alexey Gromov. «Die Kombination von Szintillatoren und SiPMs reagiert auf ein Neutronenereignis mit einer schnellen, zeitlich abklingenden Pulsfolge.»

«Als Resultat konnte Alexey Gromov in seiner Bachelorarbeit verifizieren, dass es möglich ist, Neutronenereignisse mittels Szintillatoren zu detektieren», so Dozent Matthias Rosenthal, der die Arbeit betreut hat. «Das heisst für das PSI, dass eine neue kostengünstige Alternative zur Helium-3-Gasdetektion vorliegt.» Für diese neue Methode soll nun am PSI in einem nächsten Schritt der Feldtest anlaufen.