Spallation – moderne Neutronenquellen

Neutronen dienen der Wissenschaft als eine Art Supermikroskop – mit ihrer Hilfe erhalten sie einzigartige Einblicke in die Materie. Eine besonders effiziente Methode, um Neutronen zu erzeugen, ist die Spallation.

Effiziente Brennstoffzellen für Autos und Laptops der Zukunft, wirksamere Medikamente mit geringeren Nebenwirkungen, Nanobauteile für schnellere PC-Datenspeicher – die Erwartungen an Wissenschaft und Technologie sind enorm. Um sie zu erfüllen, müssen Forscher und Entwickler heute immer genauere Einblicke in komplexe Systeme und Stoffe erlangen. Denn die neuen Werkstoffe durch Versuch und Irrtum zu entwickeln, ist bei den heutigen Anforderungen an moderne Materialien nicht mehr machbar. Ein grundlegendes Verständnis von Prozessen und Materialien ist der mehr Erfolg versprechende Weg.

Die Forschung mit Neutronen ist seit Jahrzehnten eine unersetzbare Methode für die Materialforschung, weil sie Erkenntnisse möglich macht, die andere Methoden – zum Beispiel die Röntgenstreuung – nicht leisten. Wissenschaftler erforschen mit den elektrisch neutralen Teilchen einerseits die innere Struktur von Materialien, andererseits können sie damit auch Bewegungen von Atomen innerhalb von Materialien studieren.

Spallation und Kernspaltung

Zur Erzeugung von Neutronen gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Methoden: die Kernspaltung in Forschungsreaktoren und die neuere Methode der Spallation (englisch für „Absplitterung“). In einem Forschungsreaktor werden Neutronen durch die Spaltung von Urankernen gewonnen. Die erzeugten Neutronen können – wenn man sie abbremst, also „moderiert“ – weitere Kernspaltungen auslösen. Die Reaktortechnologie erlebte eine rasante Entwicklung in den späten 1940er und in den 1950er Jahren. Anfang der 1970er Jahre war die Technik derart perfektioniert, dass eine weitere Steigerung des Neutronenflusses und damit der Intensität der Neutronenstrahlen technisch nur noch sehr schwer möglich war.

Erzeugung freier Neutronen

Etwa um dieselbe Zeit erlebte die Technik, intensive Protonenstrahlen zu beschleunigen, einen großen Aufschwung – und diese Entwicklung dauert noch an. Protonenbeschleuniger lassen sich als Treiber von Spallationsquellen nutzen: Wissenschaftler und Ingenieure beschleunigen zunächst Salven von Protonen – die positiv geladenen Bestandteile des Atomkerns – fast bis auf Lichtgeschwindigkeit. Mit sehr hoher Energie werden die Protonengeschwader dann auf die Atomkerne eines schweren Metalls gelenkt.

In der für 2018 geplanten Europäischen Spallationsquelle ESS wird dieses sogenannte Target beispielsweise aus zehn bis zwanzig Tonnen einer flüssigen Bleilegierung bestehen. Im Target passiert zweierlei: Die auftreffenden Protonen können einzelne Kernbestandteile aus den Schwermetallatomen herausschlagen. Dabei entstehen aber nur wenige wissenschaftlich nutzbare Neutronen. Bedeutender ist die zweite Reaktion: Die Schwermetallkerne werden durch die auftreffenden Protonen energetisch so aufgeladen (angeregt), dass sie pro Kern zwanzig bis dreißig Neutronen „abdampfen“.

Bei der Neutronenerzeugung durch Spallation wird pro Neutron sechsmal weniger Energie aufgewendet als bei der Kernspaltung. Das heißt, es entsteht dabei auch sechsmal weniger Abwärme. Deshalb kann in Spallationsquellen eine höhere Energiedichte erreicht werden und somit eine höhere Intensität des Neutronenstrahls. Reaktoren zur Erzeugung von Neutronen für die Wissenschaft dagegen, die noch leistungsfähiger wären als die heutigen, wären technisch zu schwer handhabbar und zu teuer. Ein weiterer Vorteil der Spallation: Der Prozess beruht nicht auf einer Kettenreaktion – sobald der Protonenstrahl ausgeschaltet wird, stoppt auch der Spallationsprozess.

Von der Kerze zum Blitzlicht

In Forschungsreaktoren entsteht ein kontinuierlicher Neutronenfluss, in Spallationsquellen dagegen ein gepulster Neutronenstrahl, was Vorteile mit sich bringt. Denn wollen Forscher ihre Materialienproben mit Neutronen untersuchen, müssen sie die Geschwindigkeit und die Energie der eingestrahlten Teilchen genau kennen. Die Geschwindigkeit können sie indirekt bestimmen, indem sie die Flugzeit messen, die die Neutronen zwischen zwei Orten benötigen.

Neutronenfluss verschiedener Forschungsreaktoren

Bei einem kontinuierlichen Neutronenfluss, wie er in Forschungsreaktoren erzeugt wird, ist dies nur durch einen Trick möglich: Mithilfe sogenannter Chopper – einer Art schwebender Kreissäge – kann der Neutronenstrahl in definierte Pulse „gehackt“ werden. Der große Nachteil dieser Methode ist aber, dass der Neutronenstrahl dabei etwa zu 99 Prozent der Zeit unterbrochen ist und deshalb nur ein Prozent der erzeugten Neutronen genutzt werden kann.

Viel effizienter lassen sich die Teilchen an Spallationsquellen nutzen: Da die Neutronen bereits in Form von Pulsen entstehen, können die Wissenschaftler alle erzeugten Teilchen verwenden. Und das bringt einen weiteren Vorteil mit sich: Obwohl eine Spallationsquelle in etwa dieselbe Anzahl Neutronen wie ein Reaktor liefert, sind die einzelnen Neutronenpulse hier viel intensiver. Damit ermöglichen sie präzisere Messungen bei gleichzeitig kleinerer Probenmenge und kürzeren Messzeiten.

„Stellen Sie sich vor, man könnte das gesamte Licht einer Kerze einfangen und es dann in Form kurzer Lichtblitze wieder ausstrahlen. Die Gesamtmenge Licht wäre die gleiche, aber der einzelne Lichtblitz wäre sehr hell“, erläutert Dieter Richter vom Forschungszentrum Jülich. Als Direktor der dortigen Neutronenforschungseinrichtung betreibt er mit seinem Team das einzige europäische Forschungsinstrument an der derzeit stärksten gepulsten Spallationsquelle in Oak Ridge, USA. „So wie das Blitzlicht uns erlaubt, Fotografien aufzunehmen, die eigentlich deutlich leistungsfähigere Lichtquellen benötigten, um das Objekt auf dem Film sichtbar zu machen, so ist auch eine Spallationsquelle mit ihren Neutronenblitzen sehr viel effizienter als ein Forschungsreaktor desselben mittleren Neutronenflusses“, erläutert Richter.

Blitzschnelle Neutronen auf Experimentiergeschwindigkeit bremsen

Mit der Erzeugung der freien Neutronen im Target ist es noch nicht getan: Die Teilchen fliegen mit einer Geschwindigkeit von 20.000 Kilometern pro Sekunde davon und besitzen damit noch zu viel Energie, als dass die Forscher damit Experimente machen könnten – solche energiereichen Neutronen würden nämlich nicht wie gewünscht mit der Materialprobe in Wechselwirkung treten. Aus diesem Grund umgeben Tanks mit Wasser oder flüssigem Wasserstoff das Target als sogenannte Moderatoren und verringern die Geschwindigkeit der Neutronen je nach Experiment auf etwa zwei Kilometer pro Sekunde. Die abgebremsten Neutronen werden in langen Röhren zu den Experimentierstationen und auf die Proben gelenkt. Im Inneren sind die Röhren verspiegelt und luftleer. Die Neutronenstrahlen werden darin reflektiert und wie Licht in einem Glasfaserkabel geleitet.

Das Neutronenspinecho-Spektrometer

Der Startzeitpunkt eines Neutronenpulses, also der Moment, in dem er eine gepulste Quelle verlässt, ist genau bekannt: Es ist der Moment, in dem der Protonenimpuls aus dem Linearbeschleuniger das Spallationstarget erreicht – die Neutronen entstehen praktisch ohne Verzögerung. Detektoren um die Probe messen, wo und wann jedes Neutron ankommt. Die Differenz zwischen Startzeit und Ankunftszeit ist die Flugzeit. Aus Flugzeit, der zurückgelegten Strecke und dem Winkel, um den das Neutron in der Probe abgelenkt wurde, können die Wissenschaftler nun die Anordnung und Bewegung der einzelnen Atome in der Probe berechnen.

Ist nun damit zu rechnen, dass Spallationsquellen die Forschungsreaktoren in Zukunft vollkommen ersetzen werden? „Zunächst werden sich beide Formen sinnvoll ergänzen“, erwartet Richter. Denn: „In bestimmten Fällen ist ein kontinuierlicher Neutronenfluss vorteilhaft, zum Beispiel, wenn man dreidimensionale Aufnahmen großer Objekte durchführen will. So kann man zum Beispiel in laufenden Motoren die Ölschmierung untersuchen.“ Langfristig erwartet der Physiker aber, dass die Zukunft der Neutronenstreuung in den gepulsten Spallationsquellen liegt.