Was ist ein Neutronenstrahl?
Ein Neutronenstrahl ist ein Strom von Neutronen, bei denen es sich um subatomare Teilchen handelt, die keine elektrische Ladung aufweisen und zusammen mit positiv geladenen Protonen in den Kernen aller chemischen Elemente mit Ausnahme der häufigsten Form von Wasserstoff, die nur ein Proton enthält, vorkommen. Obwohl Neutronen im Kern stabil sind, zerfällt ein freies Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein anderes Teilchen, das als Elektron Antineutrino bezeichnet wird. isolierte Neutronen haben eine Halbwertszeit von etwas mehr als 10 Minuten, was bedeutet, dass nach dieser Zeit die Hälfte der Neutronen in einer bestimmten Probe zerfallen ist. Freie Neutronen werden durch Kernspaltung beispielsweise in einem Kernreaktor erzeugt und können in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Ein Neutronenstrahl hat viele wichtige Anwendungen in den Bereichen Materialwissenschaften, Medizin und Sicherheit.
Neutronenstrahlen werden normalerweise unter Verwendung von Neutronengeneratoren erzeugt, die Teilchenbeschleuniger sind, die Deuterium- oder Tritiumionen in Targets feuern, die Deuterium, Tritium oder beides enthalten. Deuterium und Tritium sind Isotope von Wasserstoff, die ein bzw. zwei Neutronen enthalten. Durch die Fusion von Deuterium und Tritium entstehen Neutronen, die zu einem Neutronenstrahl fokussiert werden können. Neutronengeneratoren dieses Typs können relativ klein und tragbar sein.
Obwohl die meisten Strahlungsformen mit den Elektronenwolken interagieren, die Atomkerne umgeben, interagieren Neutronen, die elektrisch neutral sind und keine Form elektromagnetischer Strahlung darstellen, nur mit den Kernen, die im Verhältnis zum gesamten Atom sehr klein sind. Ein Neutronenstrahl ist daher sehr durchdringend und kann die Positionen von Atomkernen innerhalb einer Materialprobe anzeigen. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen können Neutronenstrahlen leicht Schwermetalle wie Blei durchdringen, aber auch mit leichten Elementen wie Wasserstoff und Kohlenstoff interagieren. Nach der Quantentheorie können sich alle subatomaren Teilchen wie Wellen verhalten, Neutronen haben also Wellenlängen. Dies ermöglicht die Feinabstimmung eines Neutronenstrahls; Sowohl die Wellenlänge als auch die Energie des Strahls können eingestellt werden, um bestimmte Materialien zu erfassen.
Die besonderen Eigenschaften von Neutronenstrahlen haben zu einer Vielzahl von Anwendungen geführt, insbesondere als alternative Bildgebungstechnik, die in Situationen eingesetzt werden kann, in denen Röntgenstrahlen nicht effektiv sind. Sie können verwendet werden, um die inneren Strukturen von Materialien zu untersuchen, beispielsweise Risse und Hohlräume in Metallkomponenten, und um die atomaren und molekularen Strukturen von Verbindungen zu bestimmen. Ihre Fähigkeit, leichtere Elemente zu erkennen, die jedoch schwerere passieren, ermöglicht die Verwendung von Neutronenstrahlen für Sicherheitskontrollen. Sie können beispielsweise verdeckte Sprengstoffe oder radioaktive Stoffe erkennen. Neutronenstrahlen haben auch wichtige medizinische Anwendungen, insbesondere bei der Behandlung einiger Krebsarten; Die Neutronenstrahlentherapie kann Tumore zerstören, die gegenüber herkömmlichen Strahlentherapien resistent sind.