Neuer Szintillationsdetektor nutzt hochintensive Neutronenstrahlen
Herzstück der ESS wird ein 600 Meter langer Linearbeschleuniger sein, der Protonen auf ein Wolframtarget schießt, das dann Neutronen emittiert. Zum Zweck wissenschaftlicher Analysen werden mithilfe der Neutronen Struktur und Bewegungen verschiedener Werkstoffe auf atomarer/molekularer Ebene untersucht. Für den Bau der Anlage sind bedeutende technische Fortschritte an allen Fronten der Instrumentenbauteilgestaltung gefragt. Auch die Detektoren bilden da keine Ausnahme. Neue Quellen dieser Art sind in ihren Fähigkeiten den heute gebräuchlichen Neutronendetektoren überlegen, da sie hohe Raten emittierter Teilchen messen oder die Positionen von Teilchen im Raum hochgenau bestimmen können – oder gleich beides. Zu diesem Zweck muss der von einer leistungsstarken Neutronenquelle emittierte, anfänglich sehr helle Neutronenstrahl oft abgeschwächt werden. „Neutronenquellen der Nachfolgegeneration wie etwa die Europäische Spallationsquelle sind dermaßen leistungsstark, dass die meisten modernen Detektoren regelrecht von ihnen geblendet werden. Ihnen ergeht es ähnlich wie einem Menschen, der direkt in die Sonne schaut“, erklärt Sebastian Jaksch, Koordinator des EU-finanzierten Projekts SoNDe. Ein weiteres wesentliches Merkmal hocheffizienter Neutronendetektoren besteht darin, dass sie klar zwischen Neutronen und Gammastrahlung bzw. jeder anderen Art von Strahlung unterscheiden können.
Erster modularer Festkörperdetektor für hohe Neutronenflüsse
Echte Pionierarbeit im Bau eines Szintillationsdetektors, bei dem keine Abschwächung des Neutronenstrahls mehr erforderlich ist, hat das Projekt SoNDe geleistet. „SoNDe setzt auf eine modulare Gestaltung des Detektors, wodurch die Forschenden mit einem einzigen Modul von 5 x 5 cm2 Größe bis zu 250 000 Neutronen pro Sekunde zählen können. Auf diese Weise ist der Detektor mehr als 20 Mal leistungsfähiger als die Neutronendetektoren gemäß dem Stand der Technik. Jedes Modul kann unabhängig von oder zusammen mit anderen Detektoren in beliebiger gewünschter Anordnung eingesetzt werden“, erklärt Jaksch. Die Neutronen treffen zunächst auf das Szintillatorglas, das Li-6, ein stabiles Lithiumisotop, enthält, das als Reaktion darauf einen schwachen Lichtblitz aussendet. Für jedes eingefangene Neutron werden etwa 600 Photonen emittiert. Dazu erläutert Jaksch: „Mit SoNDe gelangen wir in den dynamischen Bereich, in dem unterschieden werden kann, ob 1 oder 250 000 Neutronen pro Sekunde emittiert werden. Der Photovervielfacher hilft uns, sowohl sehr schwache als auch starke Signale zu erkennen, um deren Stärke korrekt auszumessen.“ Das Projektteam erschloss hier das Potenzial der Mehranoden-Photovervielfacherröhren, die sich wie viele Detektoren vereint in einem verhalten, wobei jedes einzelne Pixel wie ein Photovervielfacher wirkt. Dank des viel kleineren Durchmessers können mehr Sensoren auf der Oberfläche untergebracht werden, wodurch sich die Detektorzählrate und die Auflösung verbessern lassen. Ein weiterer Riesenvorteil der neuen Neutronendetektortechnik besteht darin, dass der Szintillator kein Helium-3 enthält, was ein seltenes und teures Gas ist.
Blick in die Zukunft
Hocheffiziente Neutronendetektoren sind in vielen Bereichen, darunter den Werkstoffwissenschaften, Medizin, Biologie und Astronomie, von entscheidender Bedeutung. „Bei der Entwicklung besserer Mittel zur Wirkstoffabgabe, mit denen große Mengen gezielt an den richtigen Stellen im Körper verabreicht werden können, ist es sehr hilfreich, den Transport von Wirkstoffmolekülen mit Neutronen nachzuverfolgen. Außerdem verschaffen sie der Archäologie wichtige und sonst völlig unzugängliche Einblicke in antike Artefakte, ohne dass diese zerstört oder zerschnitten werden müssen“, merkt Jaksch an. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Untersuchung von Hochleistungsbatterien, wie sie für Elektrofahrzeuge gebraucht werden, im Betriebszustand. Detektortechnik dieser Art ermöglicht zudem neben der wissenschaftlichen Forschung neue praktische Anwendungen und kann an diese angepasst werden. „Für selbstfahrende Fahrzeuge werden geeignete Detektoren benötigt, um Hindernisse zu meiden, die Geschwindigkeit anderer Fahrzeuge zu messen und sicher auf den Straßen unterwegs zu sein. Außerdem kann sich die SoNDe-Detektortechnologie auch bei der Erkennung von Turbulenzen auf Flügen als nützlich erweisen“, beendet Jaksch seine Ausführungen.
Schlüsselbegriffe
SoNDe, Neutron, Neutronendetektor, Europäische Spallationsquelle (ESS), Szintillationsdetektor, Lithium, Mehranoden-Photomultiplier, Mehranoden-Photovervielfacher, selbstfahrende Fahrzeuge
