Vor zwei Wochen haben wir am COSY-Beschleuniger (bzw. JULIC) versucht, herauszufinden, welche Teilchen die meisten Neutronen produzieren, wenn man mit ihnen ein Berylliumtarget beschießt. Das ist vor allem für die Entwicklung von Beschleunigergetriebenen Neutronenquellen, sog. CANS, wichtig, die wir hier in Jülich zur Zeit entwickeln.

Eigentlich produzieren so ziemlich alle Teilchen freie Neutronen, wenn man sie auf irgendein Ziel schießt, was beim Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern ziemlich nervig sein kann. Wenn man aber gezielt so viele Neutronen wie möglich produzieren möchte, wie wir z.B. in unserem HBS-Projekt, dann muss man schon etwas Aufwand betreiben. Als Ziel für die niederenergetische Kernreaktion eignet sich am ehesten ein leichtes Element, wie Lithium oder Beryllium, da darin die Eindringtiefe am größten ist. Aber mit welchem Partikel wollen wir denn jetzt da draufschießen? Welches Teilchen ist am effektivsten?

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Manchmal sieht richtige Physik eher aus wie Archäologie

Simulationen mit Monte-Carlo-Code haben gezeigt, dass in dem Energiebereich zwischen 10 und 50 MeV Deuteronen (also ein Proton und ein Neutron) bei der gleichen Energie einen Vorteil von ca. 100% haben… je nachdem, welche Datenbanken man benutzt. Der MCNP-Transportcode simuliert den Weg von jedem einzelnen Teilchen von der Quelle im Teilchenbeschleuniger, über die Neutronenproduktion im Target, bis zum Detektor. Dabei nimmt es für jede Interaktion eine bestimmte Wahrscheinlichkeit an, die von externen internationalen Datenbanken zur Verfügung gestellt werden. Diese Datenbanken sind in manchen Bereichen extrem präzise. Alles, was mit Kernreaktoren und Spaltungsneutronen zu tun hat, ist wegen Atomwaffen und -kraftwerken extrem gut erforscht und sehr zuverlässig. Aber sobald Reaktionen benutzt werden, die nicht so präzise bekannt sind, wird es problematisch.

Bei den neutronnenproduzierenden Wirkungsquerschnitten gibt es Abweichungen um bis zu 800%. Für die Simulanten ist das immer noch recht präzise, aber wir Neutronenphysiker raufen uns da die Haare. Für eine Erhöhung des Neutronenflusses um 100% wurde in der Vergangenheit mal gerne ein neuer Forschungsreaktor für 2 Milliarden gebaut. So ein Unterschied ist wichtig.

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Neue Beamline direkt zum Julic Zyklotron

Wenn vorhergegangene Experimente und Simulationen so eine große Ungenauigkeit haben, muss man halt nachmessen und genau das haben wir gemacht. Die Jungs vom COSY-Beschleuniger haben extra für uns ein Loch in die 3 Meter Betonabschirmung um ihr Zyklotron (den JULIC) gebohrt, damit wir uns direkt etwas von dem Strahl des JULIC abzapfen können, ohne ihn durch den Cooler Synchrotron schicken zu müssen. In diesen Strahl werden dann sog. Degrader-Platten reingehalten, mit der die Energie des Strahles dann noch weiter gesenkt werden kann, bevor er das Ziel (unseren Berylliumklotz, den ich zu Weihnachten im alten Büro-Schrank gefunden hatte) trifft. Das JULIC Synchrotron kann man sowieso zwischen Protonen und Deuteronen umschalten, so dass wir alles für eine entsprechende Studie zur Verfügung hatten.

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Schema des COSY Beschleunigers des FZ Jülich

Vor drei Wochen haben wir dann unser Target mit Protonen und Deuteronen bei verschiedenen Energien beschossen und gemessen, wie viele Neutronen produziert werden. Ganz so leicht, wie ich das hier darstelle, ist die Auswertung aber leider auch wieder nicht und der gute Kollege muss sicher noch ein paar Wochen von dem Rechner sitzen, bevor er genaue Ergebnisse hat. Aber eines kann ich schon mal verraten: Bei 40MeV produzieren Deuteronen ca. 70% mehr Neutronen als Protonen derselben Energie. Das wissen auf der ganzen Welt bislang nur die Leute, die an dem Experiment teilgenommen haben und unsere internationalen Partner. Das heißt, dass die Leser dieses Blockes dann die 51zigsten (etc.) Menschen auf diesem Planeten sind, die diese brandneuen Informationen haben. Echte Wissenschaft live … sozusagen. 😉

Leider reichen die Ergebnisse noch nicht, um uns für eine Teilchenart für die HBS-Neutronenquelle zu entscheiden. Klar würden wir gerne 70% mehr Effektivität mitnehmen und benutzen, aber leider sind Deuteronen auch etwas komplizierter in der Benutzung als Protonen. Deuteronen müssen in einem Linearbeschleuniger recht “zärtlich” beschleunigt werden, denn sonst strippen sie vorher schon ihr Neutron ab und das landet dann irgendwo im Beschleuniger, wo man es nicht haben will. Daher sind Deuteronenbeschleuniger etwas komplizierter und damit auch etwas teurer. Nun ist die Frage, macht die Leistungsverbesserung den Preisunterschied wett oder nicht? Das können wir zur Zeit noch nicht definitiv beantworten, aber aktuell sieht es eher danach aus, als ob die Deuteronen ein wenig an Attraktivität gegenüber den Protonen eingebüßt hätten … zumindest gegenüber unseren ersten Simulationsergebnissen.

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.

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