Neutronendetektoren
Neutronen haben aufgrund ihrer fehlenden elektrischen Ladung z.T. komplementäre Eigenschaften zu anderen Materiebausteinen wie Elektronen oder Protonen. Sie können unsere Materie deutlich leichter durchdringen und helfen das Innere von Objekten darzustellen. Deshalb werden sie unter anderem in Streuexperimenten oder in der Bildgebung benutzt, um Objekte, die nicht mit Röntgen- oder Gammaphotonen durchdrungen werden können oder keine Kontrast liefern, zu untersuchen. Der Nachweis von Neutronen und ihre Ortsbestimmung ist allerdings deutlich schwieriger als bei anderen Teilchen und erfordert spezielle Atome, die die Neutronen einfangen und anschließend zerfallen. Wir entwickeln drei verschiedene Detektoren für die genaue Vermessung der Konversionsorte.
Neutronen sind neben Protonen die Bestandteil von Atomkernen und bilden somit die Grundlage unserer Materie. Allerdings zerfallen Sie im ungebundenen Zustand mit einer Lebensdauer von ca. 800 Sekunden in ein Proton, ein Elektron und ein Antielektronneutrino. Da Neutronen außerdem keine elektrische Ladung tragen, können sie die umgebende Materie nicht ionisieren und so Energie abgeben. Aus diesem Grund eignen sich Neutronen besonders, um die innere Struktur von dickeren Materieblöcken zu untersuchen. Dafür verwendet man meist Strahlen von thermischen Neutronen (Ekin ~ 25 meV), die hinter dem Objekt analysiert werden. Um die Neutronen nachzuweisen, müssen Kernreaktionen verwendet werden, bei denen eine geladenes Teilchen aus dem Verbund emittiert wird wie z.B. bei 3He + n -> 3H + p. Mit Helium-3 gefüllte Gasdetektoren waren bisher die am weistesten verbreiteten Detektoren, die sowohl in den Neutronenstreuexperimenten als auch bei den bildgebenden Neutronendetektoren eingesetzt wurden. Da sich jedoch in den letzten Jahren ein akuter Mangel an Helium-3 gebildet hat, werden neue Arten von Neutronedetektoren entwickelt, die auf anderen Kernreaktionen beruhen. Unter anderem eignet sich die Reaktion 10B + n -> 7Li + alpha sehr gut und unsere Gruppe entwickelt drei verschiedene Detektoren, die auf 10B basieren.
1.) Neutronen Zeitprojektionskammer
Zeitprojektionskammern (engl. Time Projection Chamber, TPC) zeichnen ein 2 dimensionales Bild eines Ereignisses auf und mit Hilfe der Driftzeit einzelner Spursegmente kann ein 3 dimensionales Bild rekonstruiert werden. Hierfür ist allerdings ein Startsignal notwendig, das Neutronen aufgrund ihrer mangelnden elektrischen Ladung nicht auslösen können. Unser Aufbau verwendet deshalb beide Kerne des 10B Zerfalls. Eines der beiden löst in einer dünnen Szintillatorschicht das Startsignal aus, während das andere ein Spur in dem Gasvolumen erzeugt. Da die Spuren nur sehr kurz sind, kann die Tiefe der TPC wie in der Abbildung gezeigt schmal gewählt werden. Für einen ersten Prototypen dieses neuartigen Detektors fehlt nur noch der großflächige Trigger.
2.) Neutronen MCP
Um Gegenstände möglichst detailgenau zu untersuchen werden hochauflösende Imagingdetektoren benötigt. Wir verwenden hierfür sogenannte Microchannel Plates (MCPs), in deren dünnen Kanälen einzelne Elektronen Elektronenlawinen auslösen, die dann mit Hilfe von vier Timepix3 ASICs nachgewiesen werden. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung des Timepix3 ASICs wird dieser Detektor auch dafür geeignet sein, schnelle Vorgänge zu beobachten.
3.) GEMs mit Bor
Um einen höherer Nachweiseffizienz der Neutronen mit einem Detektor zu erreichen, verwenden wir im dritten Ansatz einen Gas Electron Multiplier (GEM), von denen mehrere Lagen verwendet werden können. Die einzelnen Lagen, sowie die Kathode können mit einer 1 µm dicken 10B Schicht überzogen werden, so dass wegen der Vielzahl von Lagen eine hohe Neutroneneinfangwahrscheinlichkeit erreicht wird. Die Signale werden mit eine Streifenauslese gesammelt und mit dem VMM3a ausgelesen.
Beispiele für Bachelor- und Masterarbeiten
Hier sind zwei Beispiele für Arbeiten, die sich auch für Bachelor- oder Masterarbeiten eignen.
Bau eines Neutronenkollimators
Da Neutronen elektrisch neutral sind, können sie im Gegensatz von Protonen und Elektronen nicht durch elektrische oder magnetische Felder abgelenkt und kollimiert werden. Um aus punktförmigen Quellen einen Neutronenstrahl zu erhalten, muss man einen speziellen Kollimator entwickeln. Dieser absorbiert mit Hilfe von Bor10-beschichteten Wänden einen Großteil der Neutronen und lässt nur die in der richtigen Richtung emittierten Neutronen durch.
Testmessungen mit Neutronen-Detektoren
Im Moment befinden sich die oben beschriebenen Neutronendetektoren im Aufbau, sobald diese fertig gestellt sind, sollen Testmessungen mit den Detektoren an verschiedenen Neutronenquellen erfolgen.