Da Neutronen in der Natur nur in Atomkernen gebunden vorkommen, müssen sie als Sonden für die Experimente aus den Kernen herausgeschlagen werden. Das geschieht am PSI in der Spallationsquelle SINQ (sprich Sin-ku).
Erzeugen von Neutronen: die Spallationsreaktion
In der Spallationsquelle SINQ trifft ein Strahl von schnellen (rund 80 % der Lichtgeschwindigkeit) Protonen aus der Protonenbeschleunigeranlage des PSI auf einen Bleiblock (das Target). Kollidiert dabei ein schnelles Proton mit einem Bleikern, wird dieser aufgeheizt und dampft gewissermassen 10 bis 20 Neutronen ab.
Für Experimente werden die Neutronen aus der Spallation abgebremst
Die Neutronen, die bei der Spallationsreaktion frei werden, sind sehr schnell – viel zu schnell für die Experimente.
Damit die Neutronen nach ihrer Erzeugung abgebremst werden, befindet sich das gesamte Target in einem Tank, der mit schwerem Wasser(1) gefüllt ist. Durch Kollisionen mit den Kernen des schweren Wasserstoffs in dem Wasser werden die Neutronen abgebremst. So entstehen die thermischen Neutronen, die unter anderem dazu genutzt werden können, die Struktur von Kristallen zu bestimmen.
Kalte Neutronen – Forschung an grösseren Strukturen benötigt besonders langsame Neutronen
Will man mit Neutronen grössere Strukturen – zum Beispiel Nanopartikel – untersuchen, benötigt man Neutronen, die noch langsamer sind – sogenannte kalte Neutronen.
Man kann mit Neutronen nämlich besonders erfolgreich experimentieren, wenn deren Wellenlänge ungefähr so gross wie die untersuchte Struktur ist, wobei langsame Neutronen eine grössere Wellenlänge haben als schnelle.
Um kalte Neutronen zu erzeugen, hat man in den Wassertank der SINQ einen weiteren Tank mit sehr kaltem schwerem Wasserstoff (minus 250 Grad Celsius) eingebaut, in dem die Neutronen weiter abgebremst werden.
Neutronenleiter führen die Neutronen zu den Experimenten
Die Neutronenmessplätze sind um die Neutronenquelle herum angeordnet. Zu den verschiedenen Messplätzen gelangen die Neutronen durch sogenannte Neutronenleiter. Dies sind Glaskanäle – im Inneren mit speziellen Materialien beschichtet –, in denen die Neutronen immer wieder reflektiert und so zum Experiment geleitet werden.
Notes 1: Schweres Wasser – schwerer Wasserstoff: Die Atomkerne von gewöhnlichem Wasserstoff bestehen nur aus einem Proton, diejenigen von schwerem Wasserstoff (Deuterium) aus einem Proton und einem Neutron. Die Moleküle des schweren Wassers enthalten schweren Wasserstoff. Für das Abbremsen von Neutronen ist schwerer Wasserstoff besonders geeignet, weil er – anders als gewöhnlicher
Wasserstoff kaum Neutronen absorbiert.
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