20170817_155944

Einbau des kryogenen Wasserstoffmoderators. In der kleinen Alu-Koladose auf der linken Seite wird später der Wasserstoff einkondensiert werden.

Am 23. August 2017 war es so weit, nach über 2 Jahren Vorbereitung haben wir es endlich geschafft und am Ausbildungskernreaktor der TU-Dresden mit einem Moderator, mit flüssigem Wasserstoff, ausreichend Neutronen kalt gemacht. Wie ich hier ja schon mal öfter geschrieben habe sind kalte Neutronen für die Wissenschaft extrem interessant, weil man damit (wie mit Röntgen, nur besser) sehr gut Materialien in der Physik, Biologie und Chemie untersuchen kann. Doch leider sind Neutronen bei der Produktion erst mal sehr schnell (10% Lichtgeschwindigkeit) und müssen auf Schrittempo abgebremst (moderiert) werden. Dabei wird ihre Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius auf -250°C, nahe am absoluten Nullpunkt, verringert. Das geht am besten mit flüssigem Wasserstoff bei -250°C denn da verlieren die Neutronen beim “Antitschen” am meisten Energie. Die Königsdisziplin ist dabei der sog. Para-Wasserstoff. Das Wassertoffmokekül besteht aus 2 Protonen, die jeweils einen Spin Up oder Down haben. Ist der Spin symmetrisch heißt er Ortho (Triplett) und ist er antisymmetrisch heißt er Para (Singulett). Der Trick ist nun, dass für thermische und heiße Neutronen beide Spin Zustände gleich aussehen, aber für kalte Neutronen der Para-Wasserstoff nahezu durchsichtig wird und keine Neutronen mehr streut. Durch geschickte Anordnung können wir also nun einen Extraktionsmeschanismus bauen, der thermische Neutronen weiterhin heruntermoderiert, kalte Neutronen aber heraus lässt, damit wir sie an unseren Experimenten benutzen können.

IMG_0465

Das Kernteam nach dem ersten erfolgreichen Betrieb einer niedrigdimensionalen kalten paraH2-Quelle an einem Reaktor

Genau das haben wir von zwei Wochen zum ersten mal erfolgreich getestet, indem wir am AKR-2 Reaktor der TU-Dresden ca. 200 ml flüssigen Para-Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen verflüssigt und mit Neutronen gefüttert haben. Dabei heißt “zum ersten Mal” tatsächlich, dass wir die ersten Menschen waren, die einen niedrigdimensionalen Para-Wasserstoffmoderator an einer Reaktorquelle betrieben konnten. Das ganze ist halt auch gar nicht soooo einfach… hauptsächlich wegen des “Hindenburg-Syndroms”, durch dass alle Betreiber von Forschungsreaktoren immer so einen komischen Gesichtsausdruck bekommen haben, wenn ich sie fragte, ob ich denn nun mit meiner Knallgasbombe an den Kern ihres Reaktors dran darf.

Daher haben wir uns den Ausbildungskernreaktor der TU-Dresden für unsere erste Tests ausgesucht. Der hat nur 2 Watt thermische Leistung (noch nicht mal genug um eine Glühbirne zu betreiben) und steht in einer großen Halle, die wir während den Wasserstoffexperimenten ganz für uns alleine haben können. Trotz der geringen Leistung produziert er allerdings immer noch 10^8 Neutronen pro Sekunde, die unsere Moderatoroberfläche erreichen, was für viele Messungen vollkommen ausreichend ist. Da der AKR-2 aber immer noch ein richtiger Reaktor ist mussten wir für die Experimente mit dem Wasserstoff erst einmal einen längeren Genemigungsprozess durchmachen und viele Sicherheitsmaßnahmen einbauen, die verhindern, dass irgendwo in unserer ganzen Anordnung explosionsfähige Gemische entstehen. Das ganze wird noch mal dadurch erschwert, dass Wasserstoff (bei unseren Drücken von ca. 1,5 bar(A)) unter ca. 11 Kelvin fest und über 22 Kelvin gasförmig wird und wir mit flüssigem Helium bei 4 Kelvin kühlen müssen. Sprich wenn wir außerhalb dieses, für die Praxis doch recht kleinen, Temperaturintervalls arbeiten, dann frieren wir uns entweder eine der Wasserstoffleitungen mit einem Wasserstoff-Eis Propfen zu oder schaffen es nicht genug flüssigen Wasserstoff in unser Gerät herein zu bekommen. Also eine ganz spannende Sache.

Lange Rede kurzer Sinn, nach viel Arbeit (also essentiell meiner Doktorarbeit) haben wir es geschafft ein System aufzubauen, in dem ein kryogener Moderator mit flüssigem Para-Wasserstoff Neutronen durch kinetische Stöße (und Spin-Flip) abkühlt und gerichtet zu einem Detektor führt, wo ich sie messen kann. Ich bin sehr glücklich, dass es alles (mehr oder weniger) geklappt hat und wollte euch alle nur mal kurz hier mit diesem Artikel an meinem Glück teilhaben lassen. Eine ausführliche Beschreibung (ca. 200-300 Seiten) werde ich dann demnächst hier auch mal hochladen, wenn die Veröffentlichungen raus sind 😉

Tobias Cronert

About Tobias Cronert

Tobias Cronert ist Physiker aus Köln und promoviert zur Zeit am JCNS zum Thema kalte Neutronenmoderatoren für die High Brilliance Neutron Source Jülich. Darüber hinaus ist er auch gerne mal in der Wissenschaftskommunikation unterwegs und versucht Leute dafür zu begeistern wirklich herauszufinden, was die Welt im Innersten zusammen hält.

One Response to “Zum ersten Mal kalte Neutronen mit Para-Wasserstoff”

Leave a Reply

  • (will not be published)