Lasergetriebene Neutronenquelle, relativistische Transparenz, Kernphysik
Neutronen bieten eine einzigartige Möglichkeit Materialeigenschaften zu untersuchen und zu beeinflussen. Neuartige, kompakte laserbasierte Neutronenquellen bieten sich aufgrund ihrer höheren Spitzenleistung als gute Ergänzung zu beschleunigerbasierten Spallationsquellen an. Mit Hilfe von Lasern können sehr kompakte Neutronenquellen betrieben werden, die sich einfacher an bestehende Einrichtungen koppeln lassen.
Durch den Einsatz eines Hochenergie-Kurzpulslasersystems kann eine effiziente Beschleunigung von Ionen, hier besonders Deuteronen, erreicht werden. Hierbei wird ein neuer Teilchenbeschleunigungsmechanismus verwendet, welcher auf relativistisch induzierter Transparenz von Festkörpern beruht. Die Konversion der Deuteronen in Neutronen führt zu sehr hohen Pulsleistungen und weist eine gerichtete Strahlcharakteristik auf. Damit konnten mit einer lasergetriebenen Neutronenquelle erstmals ausreichend Neutronen erzeugt werden um Anwendungen in der Radiographie zu verwirklichen.
Aktuelle Neutronendetektoren unterliegen jedoch, aufgrund ihrer technischen Eigenschaften, deutlichen Einschränkungen bezogen auf die möglichen Einsatzgebiete. Probleme entstehen aus der niedrigen Effizienz oder der hohen Empfindlichkeit gegenüber Gammastrahlung. Zusätzlich sind diese Detektoren nicht an lasergetriebene Neutronenquellen angepasst, welche deutlich größere Intensitäten bieten. Daher wird in der Arbeitsgruppe eine neue Generation von Detektoren entwickelt.
Damit Neutronen detektiert werden können, müssen sie mit der Materie innerhalb des Detektors interagieren. Die Wahrscheinlichkeit dafür hängt von der Menge des neutronensensitven Materials im Detektor ab. Dabei können Gase oder Festkörper verwendet werden. Über nukleare Reaktionen werden bei Neutroneneinfall Ionen frei. Diese Ionen können dann z.B. über deren Ionisationsspur nachgewiesen werden. Gasdetektoren bieten den Vorteil, dass die Ionen leicht detektiert werden können, dafür ist die Effizienz kleiner, da die Dichte von Gas wesentlich niedriger ist als von einem Festkörper. Die Ionen haben im festen Konvertern allerdings nur Reichweiten von einigen Mikrometern. Schafft ein Ion es nicht, den Festkörper zu verlassen, dann kann es auch nicht detektiert werden.
Die Lösung für dieses Problem ist eine Mikrostrukturierung des Konverters, welche wiederum neuartige Fertigungstechniken erfordert. Über eine für den 3D-Druck(SLA) optimierte Konverterform können bereits Wände mit Dicken von 18 µm und Höhen von einigen Millimetern gefertigt werden. Für die Zukunft ist geplant, durch die Nachbearbeitung der Konverter die Wanddicken weiter zu reduzieren.
Diese neuen Resultate könnten den Weg ebnen, um Anwendungen der Neutronenuntersuchung in Bereichen der Medizin, Materialwissenschaft oder Archäologie zu erlauben, die bislang nur an Großforschungsanlagen (Reaktoren oder Teilchenbeschleuniger) verfügbar waren.
Sebastian Meisel (September 2023)
