Spallationsquelle

Neutronenquellen dienen zur Gewinnung freier Neutronen für Forschungs- oder Anwendungszwecke. Sie beruhen auf Kernreaktionen. Die freigesetzten Neutronen sind zunächst stets schnelle Neutronen mit kinetischen Energien von mindestens einigen hundert keV. Werden thermische Neutronen benötigt, wird die Quelle mit einem Moderator kombiniert.

Die Anzahl der von der Quelle pro Zeiteinheit abgegebenen Neutronen heißt Quellstärke. Praktisch wichtiger ist oftmals die Neutronen-Flussdichte, die auf einer zu bestrahlenden Probe erzielt werden kann; sie hängt ab von der Quellstärke, von der Geometrie der Anordnung (Ausdehnung der Quelle, Ausdehnung der Probe und Abstand zwischen ihnen) und davon, ob die Quelle die Neutronen isotrop, d. h. in alle Richtungen gleichmäßig, oder anisotrop abgibt. Die radioaktiven Neutronenquellen emittieren isotrop, die auf Teilchenbeschleunigern basierenden Quellen im Allgemeinen anisotrop. Bei Kernreaktoren ist je nach Wahl des Bestrahlungsortes beides möglich.

Radioaktive Neutronenquellen

Die nachstehend beschriebenen Quellen erfordern den Sicherheitsaufwand, der beim Umgang mit Radioaktivität stets nötig ist. Sie haben aber den Vorteil, klein und leicht transportabel zu sein. Die anderen, weiter unten beschriebenen Quellen sind fast immer ortsfeste Anlagen.

Alpha-Beryllium-Neutronenquellen

Eine Mischung aus einem Alphastrahler und einem Material, das einen großen Wirkungsquerschnitt für die (α,n)-Kernreaktion hat, stellt eine Neutronenquelle dar; das Energiespektrum der frei werdenden Neutronen liegt im MeV-Bereich und hängt im Einzelnen von den verwendeten Nukliden ab. Gebräuchlich sind Gemische aus Radium, Polonium, Plutonium oder Americium mit Beryllium. Einige Gramm des Gemisches befinden sich in einem dicht verschlossenen Metallgehäuse. Der Austritt der Alphateilchen selbst wird durch das Gehäuse verhindert, jedoch geben die Quellen neben den Neutronen unvermeidlich auch Gammastrahlung ab.

Solche Quellen wurden vor allem in der Anfangsphase der Kernphysik für Experimente benutzt. Man verwendet sie nach wie vor beispielsweise zur Prüfung und Kalibrierung von Neutronendetektoren, zur Aktivierung mit Neutronen sowie in Kernreaktoren, um auch bei abgeschaltetem (unterkritischem) Reaktor einen messbaren Neutronenfluss zu erzeugen.

Radium-Beryllium-Neutronenquellen sind bis zu Quellstärken von einigen 10⁷ Neutronen pro Sekunde hergestellt worden.^[1]

Spontanspaltungs-Neutronenquellen

Mit einem Hochflussreaktor können Nuklide hergestellt werden, die durch Spontanspaltung zerfallen, zum Beispiel Californium ²⁵²Cf mit einer Halbwertszeit von 2,65 Jahren. Im Mittel werden je Spaltprozess etwa 3 Neutronen abgegeben. Das Energiespektrum dieser Neutronen ist nahezu gleich dem aus der induzierten Kernspaltung. Daher haben diese Quellen besondere Bedeutung bei Experimenten zur Reaktorphysik. In Kernreaktoren werden ²⁵²Cf-Quellen als primäre Neutronenquellen eingesetzt.

Gamma-Beryllium-Neutronenquellen

Eine Mischung aus einem Gammastrahler und einem Material, das einen großen Wirkungsquerschnitt für die (γ,n)-Kernreaktion hat, stellt eine Neutronenquelle dar. Gebräuchlich ist ein Gemisch aus Antimon mit Beryllium, das in Kernreaktoren als sogenannte sekundäre Neutronenquelle eingesetzt wird. Erst bei der ersten Inbetriebnahme des Reaktors entsteht aus ¹²³Sb das γ-strahlende ¹²⁴Sb, das in einer (γ,n)-Kernreaktion mit ⁹Be Neutronen freisetzt.

Kernreaktoren als Neutronenquellen

Jeder Kernreaktor ist unvermeidlich eine starke Neutronenquelle, da bei der Kernspaltung schnelle freie Neutronen (mittlere Energie etwa 2 MeV) entstehen. Sie können, wenn benötigt, durch Moderierung zu thermischen Neutronen werden. Reaktoren, die als Neutronenquelle und nicht zur Energiegewinnung dienen, heißen Forschungsreaktoren.

Erzeugung freier Neutronen mit Teilchenbeschleunigern

Allgemein

Grundsätzlich kann bei jeder Kernreaktion, bei der genügend Energie zur Verfügung steht, mit der Emission von Neutronen gerechnet werden. Die erzielbaren Neutronenflussdichten sind – je nach Beschleuniger-Typ – größer als die radioaktiver Quellen. Durch geeignete Wahl der Reaktion lassen sich die Neutronenenergien variieren sowie teilweise monoenergetische Neutronen erzeugen. Eine Pulsung des Beschleunigerstrahls erlaubt Flugzeitmessungen zwecks Energiebestimmung der Neutronen.

Beispiele für praktisch als Neutronenquelle genutzte Reaktionen:

(p,n)-Reaktionen:

⁷Li + p $\rightarrow$ ⁷Be + n

(d,n)-Reaktionen:

²H + ²H $\rightarrow$ ³He + n (sog. dd-Reaktion);

²H + ³H $\rightarrow$ ⁴He + n (sog. dt-Reaktion).

Neutronengeneratoren auf der Basis der dt-Reaktion erreichen Quellstärken bis zu etwa 10¹³ Neutronen pro Sekunde (Anlage SNEG-13^[2] in Sergiev Posad, Russland).

(α,n)-Reaktionen:

Alle Reaktionen der oben genannten radioaktiven Quellen sind auch mit Alphateilchen aus einem Beschleuniger möglich.

Spallations-Neutronenquellen

Als Spallation bezeichnet man eine Kernreaktion, bei der hochenergetische Teilchen (Beispiel: Protonen von 500 MeV) einen Kern treffen, aus ihm zunächst ein oder mehrere Nukleonen heraussschlagen und zusätzlich den Kern aufheizen. Als Folge dieser Aufheizung „verdampfen“ aus dem Kern viele weitere Nukleonen.

Spallationsneutronenquellen stellen einen Ersatz für Forschungsreaktoren dar. Sie sind wegen des notwendigen Großbeschleunigers komplizierter und aufwändiger als Reaktoren, haben aber Vorteile hinsichtlich der leichten Ein- und Abschaltbarkeit und in Bezug auf radioaktiven Abfall.

Elektronen-Bremsstrahlung als Neutronenquelle

Elektronen von einigen 100 MeV erzeugen beim Auftreffen auf ein Target Bremsstrahlung. Diese hat Energien, die größer als die Bindungsenergien der Neutronen in den Targetkernen ist. Über die Reaktion (γ,n), den Kernphotoeffekt, werden dabei Neutronen von vielen MeV freigesetzt. Bei schweren Kernen ist auch Photospaltung möglich, die wie jede Kernspaltung zur Emission von Neutronen führt.

Elektronenbeschleuniger entsprechend hoher Energie werden nicht eigens als Neutronenquellen gebaut. Jedoch werden an einigen ohnehin vorhandenen Elektronenbeschleunigern zusätzlich Neutronenquellen dieser Art betrieben.

Pyroelektrische Fusion

Bei der Pyroelektrischen Fusion wird mittels pyroelektrischer Kristalle die oben schon genannte Kernreaktion D(d,n)He-3 ausgelöst. Diese Methode ist zwar als Energiequelle ungeeignet, aber als transportable Neutronenquelle geeignet.

Siehe auch: Pyroelectric fusion in der englischen Wikipedia

Farnsworth-Hirsch-Fusor

Der Farnsworth-Hirsch-Fusor ist eine Kernfusionsapparatur, die ebenfalls nicht der Energieerzeugung, sondern der Neutronenerzeugung dient.

Einzelnachweise

1. ↑ K. H. Beckurts and K. Wirtz, Neutron Physics, Springer Verlag, 1964, S. 28–29.
2. ↑ http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/e94/PDF/EPAC1994_2678.PDF