Fortschritte in der Neutronenerkennung

Die Neutronenstreuung ist eines der Hauptinstrumente für das Verständnis von verdichteten Materialien. Im Rahmen des TECHNI-Projekts wurde die Effizienz von Anwendungen der Neutronenstreuung erhöht, indem man einen leistungsfähigeren Neutronendetektor entwickelte.

Der Begriff „Neutronenstreuung“ umfasst verschiedene Verfahren, die die Interaktion eines Neutrons mit einem Atom beinhalten. Wenn ein Neutronenstrahl auf einen Atomkern trifft, erfolgt eine Streuung der Wellen. Neutronen können tief in Materialien eindringen und werden deshalb oftmals als strukturelle Sonden verwendet. Die Wellenlängen und die Energie von thermischen Neutronen passen sich gut an die interatomischen Abstände und Anregungsenergien in verdichteten Materialien an und können deshalb für die Untersuchung von verdichteten Materialien verwendet werden. Sowohl leichte als auch schwere Elemente können untersucht werden. Außerdem können auch Isotope wahrgenommen werden.

Die Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS – Small Angle Neutron Scattering) umfasst die Ausrichtung eines monochromen Strahls von Neutronen auf eine solide Probe, die aus Partikeln in Nanometergröße besteht. Der übertragene Strahl dehnt sich proportional zur durchschnittlichen Größe der Teilchen aus. Eine Größe von 10-1000 Angstrom kann mit einer minimalen Auflösung untersucht werden. Die Erkennung umfasst die Wandlung der Neutronen in geladene Partikel, die dann von einem Zähler registriert werden. In proportionalen Zählern beispielsweise dringen die Protonen durch ein für Röntgenstrahlen transparentes Fenster in die innen befindlichen Gase, wobei das Zusammenwirken mit den inneren Gasen Ionen erzeugt, die dann erkannt werden. Neben der Größe können auch die Form und die Ausrichtung einiger Komponenten der Probe untersucht werden. Für eine Reihe von Materialien können Modelle, Porendurchmesser und Porenabstand bestimmt werden.

Die zunehmend dichteren Neutronenstreuungsquellen führten zu einem gesteigerten Bedürfnis nach effizienteren Neutronendetektoren, da derzeitige Detektoren nicht in der Lage sind, die erzeugten Informationen zu verarbeiten. Ergebnis war die Entwicklung des Mehrfach-PSPC, einem sehr schnellen 2D-Neutronendetektor für Kleinwinkel-Streuungsgeräte. Er besteht aus 128 Neutron Position Sensitive Proportional Counters (PSPC), die nebeneinander über einen Bestimmungsbereich von 1 m² angeordnet sind. Der Detektor verfügt über eine größere Zählrate als Vieldrahtproportionalkammern (MWPC – Multi Wire Proportional Chamber), ohne dass dadurch die Effizienz und Auflösung beeinträchtigt werden. Er kann herkömmliche MWPCs ablösen, die traditionell in Kleinwinkel-Streuungsanwendungen zum Einsatz kommen, und ist zudem noch preisgünstiger und schneller.