Neutronennachweis

Neutronen sind neutrale Teilchen und bei den meisten Streuexperimenten haben sie extrem kleine Energien (typisch 25 meV), so dass ihr Nachweis nur durch eine Kernreaktion möglich ist. Wird in einer Kernreaktion das Neutron von einem Atomkern eingefangen, so werden anschließend geladene Teilchen mit hoher kinetischer Energie entstehen (in der Chemie würde man von einer exothermen Reaktion sprechen). Diese energetischen geladenen Teilchen können das Zählgas eines Detektors, eine Art moderner Geigerzähler, ionisieren. Die dabei freigesetzten Elektronen werden durch eine hohe elektrische Spannung auf dünnen Drähten oder Metallstreifen gesammelt. Als Zählgas wird z. B. Helium-3 (3He) benutzt, das eine sehr große Wahrscheinlichkeit für die Neutronennachweisreaktion hat.

Die einfachste Variante eines solchen Neutronendetektors ist das unten dargestellte Zählrohr, das dem Geiger-Müller-Zählrohr sehr verwandt ist. Nach der Reaktion des Neutrons mit einem 3He-Kern wird ein Proton (1H) und ein Triton (3H, "superschweres Proton") emittiert. Diese geladenen Teilchen ionisieren das Zählgas (bestehend aus 3He + 1% CO2) und die dabei freigesetzten negativ geladenen Elektronen bewegen sich in Richtung des zentralen, auf positiver Hochspannung (1000 V) liegenden Drahtes.

Bei der Bewegung der Elektronen im Zählgas zum Draht wird ein elektrisches Signal erzeugt, das mit Hilfe eines Verstärkers ausgelesen und durch die nachfolgende Elektronik registriert wird. Mit einem solchen Zählrohr kann auch der Ort des Neutrons mit einer Genauigkeit von etwa 5 - 50 mm bestimmt werden, abhängig von der Größe des Zählrohres. Mit mehreren Drähten innerhalb eines Detektorgehäuses und einer komplizierteren Signalauslese ist eine genauere Ortsbestimmung möglich. Die typische Ortsauflösung eines solchen Neutronendetektors (einer sog. Vieldrahtkammer) beträgt dann 2 - 3 mm.

Bei einigen neuen Experimenten und bei Experimenten an der zukünftigen europäischen Spallationsneutronenquelle (ESS) ist die Orts- und Zeitauflösung der beschriebenen Detektoren nicht ausreichend. Daher wird gegenwärtig am Helmholtz-Zentrum Berlin ein neuartiger Detektor entwickelt, bei dem die von den Neutronen ausgelöste Kernreaktion nicht an gasförmigem 3He, sondern in einem festen, metallischen Material, dem Konverter (z.B. 157Gd oder 6Li) stattfindet. Die nachfolgend erzeugte Strahlung wird ebenfalls durch Ionisation eines Zählgases nachgewiesen. Die Verwendung von Festkörperkonvertern hat den Vorteil, dass der Neutroneneinfang in einem sehr kleinen Volumen stattfindet und daher mit solchen Detektoren eine Ortsauflösung von 0,1 - 0,5 mm möglich ist. Mit diesen Detektoren lassen sich dann sehr viel kleinere Objekte mit feineren Strukturen und mit größerer Genauigkeit untersuchen.