Verbesserte Analyse und Detektion von Neutronen bei hohen Energien

Neutronenstreuungstechniken kommen bei der Erforschung kondensierter Materie verbreitet zur Anwendung, etwa in der Festkörperphysik, der Chemie, den Werkstoffwissenschaften, der Biologie und der Polymertechnik. In einem von der EU finanzierten Projekt konnte die Energieauflösung hochenergetischer Neutronen bedeutend gesteigert werden, was zu weiteren Verbesserungen bei der Analyse und Detektion dieser Elementarteilchen beitragen kann.

Neutronen sind Elementarteilchen ohne Ladung und mit einer Masse, die fast gleich der eines Protons ist. Wenn diese Partikel hohe Energien erreichen, treten sie mit Atomkernen in Wechselwirkung, und die dabei auftretenden Streueigenschaften bilden ein wertvolles Hilfsmittel für die physikalische Forschung an kondensierter Materie. Insbesondere gepulste Neutronenquellen weisen ganz besondere spektrale Eigenschaften (z.B. die Breite der Energiespitzenwerte) auf, die exaktere spektroskopische Untersuchungen an kondensierter Materie zulassen.

Konventionell wird als effizienteste Methode der Energieanalyse das Verfahren der Kernresonanzabsorption genutzt. Uranfolien zeigen Kernresonanzerscheinungen, bei denen Neutronen über einen schmalen Energiebereich hinweg stark absorbiert werden. Bei dieser Neutronenstreutechnik wird die Folie zyklisch in den gestreuten Neutronenstrahl und wieder heraus bewegt. Dabei werden zwei Messungen vorgenommen, wobei sich bei einer Messung die Folie zwischen Probe und Detektor befindet, bei der anderen dagegen nicht. Aus der Differenz ergibt sich die Intensität der mit einer bestimmten Endenergie von der Probe gestreuten Neutronen.

Im vorliegenden Projekt ging es vornehmlich darum, die Energieauflösung der Neutronen der Größenordnung Elektronenvolt (eV) zu erhöhen, und hier wurden gegenüber der herkömmlichen Methode zwei wichtige Verbesserungen erzielt. Die erste besteht in einer Abkühlung der Urananalysatorfolie, da die Uranresonanz bei Zimmertemperatur durch thermische Bewegungen stark modifiziert wird, was zu ungenauen Ergebnissen führt. Die zweite Verbesserung besteht in der Anwendung der Doppeldifferenztechnik, bei der drei Messungen – eine ohne Folie und zwei mit Uranfolien unterschiedlicher Dicke und Transmission – vorgenommen werden. Dies ermöglicht eine Datenanalyse mit einer Genauigkeit, die fast einer Verdoppelung der erreichten Auflösung entspricht.

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Carla ANDREANI
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