Wat is een neutronenstraal?
Een neutronenstraal is een stroom neutronen, dit zijn subatomaire deeltjes die geen elektrische lading hebben en die samen met positief geladen protonen worden gevonden in de kernen van alle chemische elementen behalve de meest voorkomende vorm van waterstof, die alleen een proton heeft. Hoewel neutronen stabiel zijn in de kern, vervalt een vrij neutron in een proton, een elektron en een ander deeltje dat een elektronenantineutrino wordt genoemd; geïsoleerde neutronen hebben een halfwaardetijd van iets meer dan 10 minuten, wat betekent dat na deze periode de helft van de neutronen in een bepaald monster is vervallen. Vrije neutronen worden geproduceerd door kernsplijting, bijvoorbeeld in een kernreactor, en kunnen worden gegenereerd in deeltjesversnellers. Een neutronenstraal heeft vele belangrijke toepassingen in materiaalkunde, geneeskunde en veiligheid.
Neutronenstralen worden normaal geproduceerd met behulp van neutronengeneratoren, wat deeltjesversnellers zijn die deuterium- of tritiumionen afvuren naar doelen die deuterium, tritium of beide bevatten. Deuterium en tritium zijn isotopen van waterstof die respectievelijk één en twee neutronen bevatten. De fusie van deuterium en tritium produceert neutronen die kunnen worden gefocusseerd in een neutronenstraal. Dit soort neutronengeneratoren kunnen relatief klein en draagbaar zijn.
Hoewel de meeste vormen van straling interageren met de wolken van elektronen die atoomkernen omringen, reageren neutronen, die elektrisch neutraal zijn en geen vorm van elektromagnetische straling, alleen op de kernen, die zeer klein zijn in verhouding tot het hele atoom. Een neutronenstraal is daarom zeer doordringend en kan de posities van atoomkernen in een materiaalmonster weergeven. In tegenstelling tot röntgenstralen kunnen neutronenstralen gemakkelijk zware metalen zoals lood doordringen, maar zullen ze ook interageren met lichte elementen zoals waterstof en koolstof. Volgens de kwantumtheorie kunnen alle subatomaire deeltjes zich als golven gedragen, dus hebben neutronen golflengten. Hiermee kan een neutronenstraal worden verfijnd; zowel de golflengte als de energie van de straal kunnen worden aangepast om specifieke materialen te detecteren.
De speciale eigenschappen van neutronenstralen hebben geleid tot een breed scala aan toepassingen, met name als een alternatieve beeldvormingstechniek die kan worden gebruikt in situaties waarin röntgenstralen niet effectief zijn. Ze kunnen worden gebruikt om de interne structuren van materialen te onderzoeken, zoals het detecteren van scheuren en holtes in metalen componenten, en om de atomaire en moleculaire structuren van verbindingen te bepalen. Dankzij hun vermogen om lichtere elementen te detecteren en toch door zwaardere elementen te gaan, kunnen neutronenstralen worden gebruikt voor veiligheidscontroles. Ze kunnen bijvoorbeeld verborgen explosieven of radioactief materiaal detecteren. Neutronenstralen hebben ook belangrijke medische toepassingen, met name bij de behandeling van sommige vormen van kanker; neutronenbestraling kan tumoren vernietigen die resistent zijn tegen conventionele radiotherapiebehandelingen.