Neutronenquelle

Im normalen radioaktiven Zerfall treten keine freien Neutronen auf. Freie Neutronen müssen daher in Kernreaktionen erzeugt werden. Hierfür gibt es zahlreiche Möglichkeiten:

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Tägliche Sichtkontrolle der Laborwaagen

Wie erhalten Sie Tag für Tag genaue Wägeresultate?

Was ist der richtige Weg, um die Wiederholbarkeit bei Waagen zu überprüfen?

Radioaktive Neutronenquellen

Verwendung finden radioaktive Alphastrahler und leichte Nuklide mit kleiner Kernladungszahl als Target. Günstig sind Deuterium und Beryllium. Gebräuchlich sind daher Alpha-Beryllium-Quellen (ein Gemisch aus typischerweise Radium, Polonium oder Americium und Beryllium), das über die Reaktion

über hochangeregtes ¹³C Neutronen erzeugt, die allerdings in der Energie variieren; Nachteil: hoher Gammauntergrund!

Solche Quellen wurden vor allem in der Anfangsphase der Kernphysik genutzt. Heute verwendet man sie zur Kalibrierung von Neutronendetektoren, zur Aktivierung mit Neutronen sowie bei Sicherheitsuntersuchungen.

Nachdem an Hochfluss-Reaktoren ausgehend vom Isotop ²³⁸U Transurane hergestellt werden konnten, haben sich Plutonium-Beryllium-Quellen als Neutronenquellen etabliert. Das ²³⁹Pu emittiert ein Alphateilchen, das vom Beryllium eingefangen wird. Für die Quelle wird eine Legierung von Plutonium und Beryllium verwendet. Auch mit Americium (²⁴¹Am) ist eine Neutronenquelle möglich.

Spontanspaltungs-Neutronenquellen

Auch hier werden mit einem Hochflussreaktor Nuklide hergestellt, die einer spontanen Spaltung unterliegen, zum Beispiel Californium ²⁵²Cf mit einer Halbwertszeit von 2,65 Jahren. Im Mittel werden 3 Neutronen je Spaltprozess abgegeben. Das Energiespektrum dieser Neutronen ist nahezu gleich dem aus der induzierten Kernspaltung.

Erzeugung freier Neutronen mit Teilchenbeschleunigern

Grundsätzlich kann bei jeder Kernreaktion, bei der genügend Energie zur Verfügung steht, mit der Emission von Neutronen gerechnet werden. Die erzielbaren Intensitäten sind größer als die radioaktiver Quellen; außerdem lassen sich durch geeignete Wahl der Reaktionen die Neutronenenergien variieren sowie teilweise monoenergetische Neutronen erzeugen. Eine Pulsung des Beschleunigerstrahls erlaubt Flugzeitmessungen (Energiebestimmung der Neutronen möglich).

Mögliche Reaktionen und Beispiele sind

(p,n)-Reaktionen: ⁷Li + p ⁷Be + n

(d,n)-Reaktionen: ²H + ²H ³He + n (sog. dd-Reaktion); ²H + ³H ⁴He + n (sog. dt-Reaktion)

(α,n)-Reaktionen: Alle Reaktionen der radioaktiven Quellen sind auch mit Alphateilchen aus einem Beschleuniger möglich.

Neutronenfreisetzung durch Bremsstrahlung und bei Schwerionen-Reaktionen

Werden Elektronen auf einige 100 MeV beschleunigt, so erzeugen sie beim Auftreffen auf ein Target Bremsstrahlung. Diese hat Energien, die größer als die Bindungsenergien der Neutronen in den Targetkernen ist. Neutronen werden dann über die Reaktion (gamma,n), den Kernphotoeffekt, freigesetzt. Bei schweren Kernen ist auch Photospaltung möglich mit anschließender Neutronenemission.

Bei Schwerionenreaktionen (beispielsweise bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt) werden hochangeregte schwere Kerne gebildet, die Neutronen und Gammastrahlung abgeben.

Kernreaktoren als Neutronenquellen

Bei der Kernspaltung entstehen schnelle freie Neutronen, die durch Moderierung zu thermischen Neutronen werden können.

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 weitere Nukleonen. Vorteil gegenüber einem Reaktor: abschaltbar; weniger radioaktiver Abfall.

Pyroelektrische Fusion

Bei der Pyroelektrischen Fusion wird mithilfe pyroelektrischer Kristalle die Kernreaktion D(d,n)He-3 ausgelöst, die Neutronen liefert. 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 Kernfusionsanlage, die ebenfalls nicht der Energieerzeugung, sondern der Neutronenerzeugung dient.