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Neutronenreferenzfelder

Die am häufigsten verwendeten Kernreaktionen zur Erzeugung monoenergetischer Neutronen sind 7Li(p,n)7Be, 3H(p,n)3He, 2H(d,n)3He und 3H(d,n)4He. Die Energie und Winkelverteilung der Neutronen ist durch den differentiellen Wirkungsquerschnitt der Kernreaktion festgelegt, der von der Struktur der an der Reaktion beteiligten Atomkerne abhängt.

Bei monoenergetischen Neutronenfeldern ist die Energieverteilung der Neutronen sehr schmal und hängt nur vom Emissionswinkel und von der Targetdicke ab. Allerdings kann diese Verteilung wegen der starken Wechselwirkung von Neutronen mit Materie leicht gestört werden. In einem sogenannten Referenzfeld werden diese Störungen soweit wie möglich durch den Einsatz massearmer Experimentiereinrichtungen minimiert.

Deshalb ist die große Experimentierhalle der Beschleunigeranlage mit einem Gitterboden ausgestattet, der unterhalb des Neutronenproduktionstargets eine große Öffnung hat. Durch die großen Abständen vom Experimentort zu Wänden, Fußboden und Decke sowie durch den massearmen Targetaufbau ist ein sehr geringer Anteil niederenergetischer Neutronen (< 5 %) am Experimentort vorhanden.

Streuarme Experimentierhalle der Beschleunigeranlage PIAF der PTB. Das Neutronenproduktionstarget befindet sich am Ende des Strahlrohr oberhalb der Öffnung im Gitterboden

Die Messung der Neutronenfluenz, d.h. der "Intensität" des Neutronenfeldes, wird mit Rückstoßprotonendetektoren durchgeführt, so dass alle Messungen auf den Neutron-Proton Streuwirkungsquerschnitt zurückgeführt werden können, der die primäre Bezugsgröße in der Neutronenmesstechnik ist. Die Energieverteilung der Neutronen wird mit Flüssigszintillatoren und der Flugzeitmethode, d.h. durch Messung der Neutronengeschwindigkeit, bestimmt. Dazu müssen die eingesetzten Beschleuniger so betrieben werden, dass die Strahlpakete nur eine Dauer von wenigen Nanosekunden haben und so der Entstehungszeitpunkt der Neutronen gut definiert ist.

Die Abbildung zeigt die Flugzeitverteilung eines 19 MeV Neutronenfeldes mit dem dominierenden Intensitätsmaximum der monoenergetischen Neutronen und dem durch Störreaktionen im Neutronenproduktionstarget erzeugten Untergrund.

Flugzeitverteilung des 19 MeV Neutronenfeldes, das durch die T(d,n)4He Reaktion mit einem Tritium beladenen Titantarget erzeugt wird. Neben dem Intensitätsmaximum der mononenergetischen 19 MeV Neutronen ist auch ein Kontinuum niederenergetischer Neutronen vorhanden, das durch Reaktionen des Deuteronenstrahls mit den Targetmaterialien und durch Neutronenstreuung im Target entsteht.

Die Referenzfelder werden zur Bestimmung der Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens von Neutronendetektoren eingesetzt. Das Spektrum der untersuchten Systeme reicht von Strahlenschutzdosimetern bis zu Detektorsystemen für die Grundlagenforschung in der Fusionstechnologie oder in der Kern- und Hochenergiephysik. Die monoenergetischen Neutronenfelder mit Energien zwischen 24 keV und 19 MeV erfüllen die in der ISO 8529 beschriebenen Voraussetzungen.

Neben diesen Referenzfeldern können auch andere (p,n), (d,n) und (α,n) Kernreaktionen zur Neutronenproduktion eingesetzt werden. Dabei werden sowohl monoenergetische als auch breite (weiße) Neutronenenergieverteilungen erzeugt und vor allem zur Untersuchung von Neutronendetektoren aus der Grundlagenforschung eingesetzt. Die Abbildung zeigt ein Experiment, bei dem ein Detektor für β-verzögerte Neutronen mit den Kernreaktionen 51V(p,n), 13C(p,n) und 13C(α,n) kalibriert wurde. Der BELEN Detektor wird durch eine spanisch-deutsche Kollaboration für die Opens external link in new windowBeschleunigeranlage FAIR an der GSI in Darmstadt aufgebaut.

Kalibrierung des Neutronendetektors BELEN an der Beschleunigeranlage der PTB. Das Neutronenproduktionstarget befindet sich hier im Zentrum des Detektors.

Literatur

  • R. Nolte and D.J. Thomas:
    Monoenergetic fast neutron reference fields: I. Neutron production
    Metrologia 48 (2011) S263-S273
  • R. Nolte and D.J. Thomas:
    Monoenergetic fast neutron reference fields: II. Field characterization
    Metrologia 48 (2011) S274-S291
  • R. Nolte, M.S. Allie, R. Böttger, F.D. Brooks, A. Buffler, V. Dangendorf, H. Friedrich, S. Guldbakke, H. Klein, J.P. Meulders, D. Schlegel, H. Schuhmacher and F.D. Smit:
    Quasi-Monoenergetic Neutron Calibration Fields in the Energy Range from Thermal to 200 MeV
    Radiat. Prot. Dosim. 110 (2004) 97 - 102