LNGS-Upgrade: Entwicklung mobiler Neutronen-Detektoren und einer Neutronen-Veto-Technologie mit Gd-beladenem Wasser - Entwicklung eines mobilen Neutronen-Detektors (Teilprojekt 2)

Abstract

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines hochsensitiven mobilen Neutronendetektors, mit dessen Hilfe der Neutronenfluss im Untergrundlabor LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in Italien genauer und bei niedrigeren Energien vermessen werden kann, als dies bislang möglich war. Der Neutronenfluss im LNGS entsteht dabei im Wesentlichen durch natü rliche Radioaktivitä t im Umgebungsgestein und in den Betonwä nden der Laborhallen und zu einem wesentlich kleineren Teil durch wenige kosmische Myonen, die trotz der massiven Gesteinsabschirmung noch in das Labor eindringen. Teilchenreaktionen von Neutronen müssen in vielen Experimenten in Untergrundlaboren wie dem LNGS möglichst vermieden oder identifiziert werden, um eine Suche nach sehr seltenen Prozessen wie z.B. von neutrinolosen doppelten Betazerfällen oder der Streuung von Dunkler Materie zu ermöglichen. Der Neutronendetektor sollte nach Abschluss des Projekts dem LNGS als Teil der wissenschaftlichen Infrastruktur des Labors zur weiteren Verwendung übergeben werden. Ein mobiles System erlaubt dabei, den Neutronenfluss flexibel an verschiedenen Experiment-stellen der 3 Hallen sowie in den Durchgängen des LNGS zu vermessen. Das Vorhaben wurde in enger Abstimmung mit dem Kooperationspartner Universität Mainz durchgeführt. Es fanden regelmäßige Arbeitstreffen, typischerweise als online-Meetings statt, an denen auch Kolleg*innen der italienischen Partner-Universität aus L´Aquila teilnahmen. Nach der ersten Konzeption eines Detektorsystems wurde auch das Direktorat des LNGS über den geplanten Bau und die Installation im LNGS informiert und die entsprechende Zustimmung zum Einbringen eines solchen mobilen Detektors eingeholt. Dabei wurden die spezifischen Anforderungen des Detektors (Stromversorgung, Datentransfer, Platzbedarf, Betreuung vor Ort) wie auch Sicherheitsvorschriften des Labors aufeinander abgestimmt. Als optimale Lösung für einen kompakten, spektralen Neutronendetektor mit den obigen Randbedingungen ergab sich ein System aus 36 Plastikszintillatoren, die die Neutronenenergie wie auch den Neutroneneinfang an sie umgebenden Gadoliniumfolien nachweisen können. Die Szintillatormodule mit ihren Auslese-Sensoren (PMTs) wurden dann am KIT zusammengebaut, in einen mechanischen Rahmen eingebracht und mit PMT-Hochspannungsversorgung und speziell am KIT entwickelter Auslese-Elektronik versehen. Ausgiebige Funktionstests einzelner Module wie auch des Gesamtsystems mit verschiedenen radioaktiven Quellen erfolgten zunächst am KIT. Nach Sicherstellung der korrekten Funktion der einzelnen Detektoren wie auch der Auslese-Elektronik wurde das Gesamtsystem am Neutronen-generator der ENEA (Department of Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security) in Frascati, Italien, mit verschiedenen Neutronen-Quellen kalibriert. Schließlich erreichte der Neutronendetektor Ende 2024 das Untergrundlabor LNGS und konnte nach erfolgter Zulassung durch die Laboraufsicht Anfang 2025 in Betrieb genommen werden. Wesentliches Ergebnis des Projekts ist der erfolgreiche Aufbau und die Inbetriebnahme eines mobilen Detektors zur spektralen Vermessung des Neutronenflusses und dessen Bereitstellung für das Untergrundlabor LNGS: ALMOND – An LNGS Mobile Neutron Detector Die Arbeiten hierzu wurden im Wesentlichen am KIT konzipiert und durchgeführt, die Kalibrationsphase erfolgte in enger Abstimmung mit Kollegen der ENEA in Frascati. Die Installation des Detektors am LNGS und dessen Messbetrieb wurde gemeinsam mit Kolleg*innen der Universität L´Aquila und des LNGS erreicht, seit Januar 2025 nimmt ALMOND kontinuierlich Daten im Untergrundlabor LNGS. Hiermit konnte dem LNGS ein relevantes Element der wissenschaftlichen Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden, das Experimenten der Astroteilchenphysik wichtige Parameter zur Untergrundunterdrükkung bei der Suche nach seltenen Prozessen liefert.