HZB-Experten haben langjährige Erfahrungen mit Flugzeitexperimenten
An der Europäische Spallationsneutronenquelle werden die Forscher einzelne Neutronenpakete für ihre Experimente nutzen. Heute entstehen die Neutronen überwiegend in Forschungsreaktoren durch Kernspaltung; der Neutronenfluss ist kontinuierlich. Die ESS wird hingegen Neutronen liefern, die als Pakete gebündelt in kurzen Abständen auf die Probe treffen.
In jedem Paket – Wissenschaftler sprechen von so genannten Neutronenpulsen – sind Neutronen mit verschiedenen Geschwindigkeiten vorhanden. Sie werden über Strahlrohre zu den Experimentierstationen (Instrumenten) geleitet. Auch an der Berliner Neutronenquelle BER II gibt es Instrumente, an denen Wissenschaftler Stoffe mit aufeinander folgenden Neutronenpulsen untersuchen. Wie das genau funktioniert, erklärt die unten stehende Grafik. Aus dem zeitversetzten Ankommen der Neutronen an einem Detektor können Forscher Rückschlüsse auf den strukturellen Aufbau und dynamische Prozesse ziehen, die auf atomarer Ebene in der Probe ablaufen. Die auf gepulsten Neutronenstrahlen beruhenden Untersuchungen nennt man Flugzeitexperimente (Time-of-Flight).
Ein Instrument am BER II, das auf der Flugzeitmethode beruht, ist das BioRef. Dieses neue Reflektometer wurde am HZB in Kooperation mit der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg gebaut. Es eignet sich besonders für biologische Materialien, deren Untersuchung sehr anspruchsvoll ist. Das Funktionsprinzip des BioRefs ähnelt den künftigen Experimentierbedingungen an der ESS. Auch hier wird ein komplexes System aus Choppern verwendet, um den Neutronenstrahl in geeignete Pakete von Neutronen zu zerlegen. Die Neutronen in diesen Paketen haben unterschiedliche Geschwindigkeiten und erreichen deshalb den Detektor, der die Neutronen zählt, zu unterschiedlichen Zeiten. Die daraus resultierende Kenntnis der Neutronengeschwindigkeit enthält wichtige Informationen und macht die Messung mit Neutronenpulsen besonders effizient. Die Funktionsweise des BioRef wird hier als ein Beispiel für Flugzeitexperimente beschrieben.
Sofunktioniert das Experiment
1 Von der Neutronenquelle kommt ein kontinuierlicher Strom von Neutronen, die verschiedene Geschwindigkeiten haben. Vereinfacht sind die schnelleren Neutronen rot und die langsameren blau dargestellt. Tatsächlich sind Neutronen in vielen Geschwindigkeiten (Wellenlängen) vorhanden. 2 Der Chopper 1 lässt nur dann Neutronen durch, wenn sich seine öffnung genau im Neutronenstrom befindet. So entstehen einzelne, kleine Neutronenpakete (A), die durch Chopper 2 noch genauer definiert werden. Die darin enthaltenen Neutronen (B) bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorwärts. 3 An der Blende 1 (D) kann nur ein Teil der Neutronen, die das offene Fenster treffen, passieren. Einige Neutronen werden dadurch abgefangen (c) und der Strahl wird schmaler (E). 4 Die Neutronenpakete werden länger, weil die schnelleren Neutronen (g) voraus fliegen, während die langsameren (F) hin-terher bleiben. 5 Der Chopper 3 (H) schneidet die Enden ab, so dass nur Neutronen mit mittleren Geschwindigkeiten übrig bleiben. An der Blende 2 muss der Strahl erneut durch ein kleines Fenster, sodass sein Richtung schließlich sehr genau definiert ist. 6 Der Neutronenstrahl, in dem die Neutronen immer noch verschieden schnell sind, trifft auf die Probe (I) und wird zum Teil reflektiert (J) und durch die Blende 3 geschleust. 7 Die Neutronenpakete sind so zugeschnitten, dass die langsamsten eines Pakets gerade noch vor den schnellsten des folgenden Pakets am Detektor ankommen (K). Die Neutronen werden vom „zeit- und ortsauflösenden“ Detektor aufgefangen und gezählt. So kann man aus ihrer Ankunftszeit ihre Geschwindigkeit berechnen. Die Zeitauflösung ist wichtig, weil Neutronen mit verschiedenen Geschwindigkeiten von derselben Struktur verschiedene Information tragen. Zusammen mit dem Reflexionswinkel und der Menge der gemessenen Neutronen können genaue Informationen über die Oberfläche der Probe und ihren strukturellen Aufbau im Nanometerbereich gewonnen werden. (Infografik: Ela Strickert)
