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Schnelle Neutronen für mehr Sicherheit
Neutronen sind ein hervorragendes Mittel zur zerstörungsfreien Abbildung des Innern von Gegenständen. Sie bieten sich als Ergänzung zur vorherrschenden Röntgenradiografie an. Bei bestimmten Materialien, die unter Röntgenstrahlung praktisch undurchsichtig oder kaum unterscheidbar sind, stellen Neutronen das einzige aussagekräftige „Sezierwerkzeug“ dar. Untersuchungen mittels Neutronenradiographie finden in der Regel in spezialisierten Laboren oder an ortsfesten Anlagen statt, da die Erzeugung der Neutronen auf komplexe, teure und nicht transportierbare Maschinen angewiesen ist. Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI wollen nun mit einer Bildgebungstechnik auf der Basis von „schnellen Neutronen“ eine flexible Alternative anbieten.
Neutronen sind zusammen mit Protonen die Bausteine aller Atomkerne (ausser der leichtesten Form des Wasserstoffatoms). Im Gegensatz zu den Protonen sind Neutronen elektrisch neutral (keine elektrische Ladung); sie sind auch etwas leichter als die Protonen. Als freie Teilchen ausserhalb des Atomkerns sind Neutronen instabil; sie zerfallen mit einer mittleren Lebensdauer von knapp 15 Minuten. Freie Neutronen werden in der Regel in Kernreaktoren oder Spallationsquellen erzeugt. In Letzteren wird ein Protonenstrahl aus einem Teilchenbeschleuniger auf ein Schwermetalltarget geschossen (z.B. aus Blei) und so Neutronen aus der Fragmentierung der vorhandenen Atomkerne freigesetzt.
Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen werden Neutronen am stärksten durch organische Materialien und durch leichte chemische Elemente absorbiert. Insbesondere eignen sich Neutronen deshalb sehr gut für die Abbildung von Stoffen mit einem hohen Wasserstoffgehalt. Anders als bei Röntgenbildern liefern die Neutronen für diese Proben nicht nur Auskunft über deren Dichte, sondern auch über die genaue Verteilung ihrer chemischen Bestandteile.
Doch Untersuchungen mittels Neutronenradiographie finden in der Regel in spezialisierten Laboren oder an ortsfesten Anlagen statt, da die Erzeugung der Neutronen auf komplexe, teure und nicht transportierbare Maschinen wie Nuklearreaktoren oder Teilchenbeschleuniger angewiesen ist. Etabliert ist die Bildgebung mit sogenannten kalten oder thermischen Neutronen, die eine geringe Energie besitzen. Forscher des Labors für Thermohydraulik des Paul Scherrer Instituts PSI wollen nun mit einer Bildgebungstechnik auf der Basis von „schnellen Neutronen“ eine flexible Alternative anbieten. Sie bauen derzeit an einem System zur Neutronenbildgebung, das aus einer kompakten Neutronenquelle und dazu passenden Neutronendetektoren bestehet. Vor allem die Detektoren sollen zur Hauptsache aus kostengünstigen Materialien wie dem Kunststoff Polyethylen hergestellt werden können. Damit könnte die Bildgebung mit Neutronen mobil und ihr Einsatz vor Ort in sicherheitsrelevanten Umgebungen möglich werden.
Zurück zur Quelle
Die erste Hürde besteht in der Erzeugung der schnellen Neutronen. Die PSI-Wissenshaftler verwenden dafür Deuterium-Atome. Deuterium ist eine schwere Form (Isotop) von Wasserstoff und weist wie dieser ein einziges Elektron sowie ein Proton im Atomkern auf. Im Deuteriumkern sitzt aber zusätzlich ein Neutron und genau dieses wollen die Forscher mit hoher Geschwindigkeit aus dem Kern herausschlagen. Dafür verwenden sie eine Deuterium-haltige Platte als Zielscheibe, die sie ebenfalls mit Deuterium-Atomen beschiessen. Trifft ein als Geschoss fungierendes Deuterium-Atom auf ein Deuterium-Atom auf der Platte, geschieht eine Kernfusionsreaktion, bei der Neutronen mit hoher Geschwindigkeit (und somit Energie) freigesetzt werden. Dank dieser Methode kann man eine Quelle von nur 2 Millimetern Durchmesser bauen, die also für viele Anwendungen einen genügend feinen Neutronenstrahl und somit ausreichende räumliche Auflösung bereitstellt.
Wie fängt man ein Neutron ein?
Hat man nun einen Neutronenstrahl zum Durchleuchten von Proben, braucht man auch einen Detektor, um die von der Probe durchgelassenen Neutronen zu vermessen. Einen effizienten Neutronendetektor zu bauen, ist eine nicht minder schwierige Aufgabe als die Konstruktion einer guten Quelle. Neutronen sind schliesslich nicht elektrisch geladen und ignorieren somit elektromagnetische Kräfte. Gerade deswegen können sie Proben so leicht durchdringen. Aber auch deswegen sind sie so schwer zu detektieren. Die Detektionen von Neutronen basiert deshalb auf der Reaktionen der Neutronen mit den Atomkernen des untersuchten Materials. Bei diesen Reaktionen werden die Neutronen entweder absorbiert oder von ihrer ursprünglichen Flugbahn abgelenkt.
Im Detektor der PSI-Foscher fungiert ein Kunststofffilm (Polyethylen) als erstes Glied in der Nachweiskette, hier geben die Neutronen einen Teil ihrer Energie an Protonen weiter. Das geschieht, indem die Neutronen mit Wasserstoffkernen (Protonen) kollidieren. Da Polyethylen ein sehr wasserstoffreiches Material ist, werden auf diese Weise viele Protonen wie Billiardkugeln weggestossen. Diese Protonen rasen dann in eine unter elektrischer Spannung liegende neonhaltige Gasmischung, aus der sie wiederum Elektronen herausschlagen. Die freigesetzten Elektronen werden schliesslich von einem elektrischen Feld auf die Sensoren abgelenkt. Die Flugbahn der Elektronen im elektrischen Feld ist wohldefiniert und bekannt. Deshalb kann vom Punkt des Auftreffens am Sensor auf die Richtung geschlossen werden, aus der die Elektronen geflogen kamen. Dank dieser Zuordnung können die Forscher ein zweidimensionales Bild des durchleuchteten Objektes rekonstruieren.
Energie messen, um Chemie zu „sehen“
Mit den schnellen Neutronen wollen die Wissenschaftler aber nicht nur Bilder ihrer Proben erstellen, auch deren chemische Zusammensetzung soll ans Licht treten. Dafür muss man die Energie messen, mit der die Neutronen den Detektor erreichen. Diese Energie gleicht einem Fingerabdruck der Probe, denn jedes chemische Element bremst bzw. lenkt Neutronen unterschiedlich stark ab, das heisst die Neutronen verlassen die Probe und erreichen dann die Detektoren mit unterschiedlicher Intensität bei verschiedenen Energien, je nachdem mit welchen Elementen sie in Kontakt kamen. Vom gemessenen Neutronen-Energiespektrum kann also darauf geschlossen werden, aus welchen chemischen Elementen die Probe besteht.
Um die Energie der Neutronen zu messen, bedienen sich die Wissenschaftler einer Detektorkonstruktion, die man sich als „abgestuftes Sieb“ vorstellen kann. Und zwar deshalb, weil die von den Neutronen herausgeschlagenen Protonen an verschiedenen Stellen entlang des Detektors je nach ihrer Bewegungsenergie „herausgesiebt“ werden. Langsame (energiearme) Protonen werden nämlich nah bei der der Probe zugewandten Oberfläche des Detektors gestoppt, schnellere (energiereiche) Protonen hingegen kommen erst tiefer im Detektorkörper zum Stillstand. Als Neutronenstopper kommen hier zum Beispiel Alufolien zum Einsatz, die jeweils auf der Rückseite der Polyethylenschichten geklebt werden. Abgestuft ist dieses Sieb, weil die Dicke der Stopperschichten mit der Tiefe im Detektor zunimmt. So stellt man sicher, dass hinter jeder Stopperschicht nur Protonen mit einer bestimmten Mindestenergie übrigbleiben, alle anderen werden in den immer dicker werdenden Stopperschichten absorbiert.
Kein Versteckspiel für Sprengstoffe
Mit der Fähigkeit, die chemische Zusammensetzung einer Probe zu eruieren, geben die Forscher den Sicherheitsbehörden ein nützliches Instrument an die Hand. Denn nun wird die Gefahr, die in einem Container oder einem Koffer lauert, nicht nur an ihrer physischen Gestalt erkennbar. Eine Feuerwaffe verrät sich durch ihren Umriss, ein Sprengstoff aber kann in einem scheinbar harmlosen Behälter versteckt sein. Da Sprengstoffe sich aber eindeutig an ihrer chemischen Signatur verraten, bleiben sie mit der neuen Technik auch hinter einer profanen PET-Flasche nicht unerkannt. Und weil die schnellen Neutronen leichter durch grosse Volumina dringen als kalte oder thermische, eignen sie sich ebenfalls besser für die Erstellung von Bildern etwa vom Innern eines verdächtigen Containers oder Lastwagens.
Neben dieser Anwendung im Sicherheitsbereich wollen die Forscher mit den schnellen Neutronen ebenfalls einen Beitrag zur weltweiten Erhöhung der Sicherheit in Kernkraftwerken leisten. Sie zielen dabei vor allem auf Situationen, in denen grosse Wassermengen in einem Kernreaktor vorhanden sind. Wasser ist einer der besten Neutronenstopper überhaupt. Haben die Neutronen nur eine geringe Energie, werden sie in einem hinreichend grossen Wasserbehälter vollständig „geschluckt.“ Nicht so bei schnellen Neutronen, die sich ja nicht so leicht stoppen lassen und deshalb Information über der Abläufe im Inneren des Behälters liefern können.
Auch im Visier der Forscher liegt die Untersuchungen schneller Prozesse wie das Verdampfen der kühlenden Wasserschicht um die Brennelemente eines überhitzten Kernreaktors. Mit einer gepulsten Quelle von schnellen Neutronen liessen sich solche Vorgänge mit viel grösserem Detailreichtum abbilden simulieren als bisher möglich, wie Simulationen zeigen.. Dies würde die Entwicklung optimierten Brennelementen ermöglichen.
Text: Leonid Leiva