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Neutronenforschung
Neutronen in Forschung und Industrie
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Von SwissNeutronics für das Institut Laue-Langevin in Grenoble hergestellter Neutronenleiter. Die Glasplatten sind mit Superspiegel m = 2 beschichtet.
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Die Charakterisierung und Vermessung von Materialien mit Neutronen ist eine einzigartige und kostenwirksame Methode für effiziente F&E bei der Entwicklung neuer Materialien und Prozesse, der Erforschung neuartiger Technologien oder zukünftiger Forschungsgebiete. Neutronen besitzen keine elektrische Ladung und können daher tief in die Struktur eines Materials eindringen, ohne größere Schäden anzurichten, wobei Wechselwirkungen auf atomarer Skala messbar sind.
Der Einsatz von Neutronenstrahlern, kombiniert mit wissenschaftlicher Erfahrung, vereinfacht die Forschung und Entwicklung in verschiedenen Gebieten:
- Erforschung der Mikrostrukturen von Materialien
- Mechanische Spannungen in Metallen
- Verhalten von Kunststoffen und Kolloiden,
- Leistung von Dauermagneten
- Morphologie magnetischer und nicht magnetischer Oberflächen und Schichten
- Spurenelement-Analyse und In-situ-Studien chemischer Reaktionen in Industrieprodukten
Von derart fortschrittlichen Einrichtungen profitieren sämtliche Industriezweige, von der Kernenergie-Industrie, über die Chemie- und Pharmaindustrie bis hin zur Hochtechnologie.
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Das Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich, das Paul Scherrer Institut in der Schweiz sowie die Technische Universität München gehören zu den großen Neutronenforschungs-Organisationen, die bereits über eine leistungsfähige Neutronenquelle verfügen und eine breit gefächerte Palette an modernsten Instrumenten in den Bereichen Materialkunde, Festkörperphysik, Chemie und biomedizinischen Wissenschaften einsetzen.
Neutronenstrahlanlagen nutzen Neutronenleiter, um die wertvollen Neutronen von der starken Neutronenquelle zu den Diffraktometern und Spektrometern zu leiten, die in großen Versuchshallen stehen.
Der rechteckige Querschnitt dieser Leiter liegt typischerweise im Bereich von 200 x 30 mm und wird aus 4 senkrecht zueinander angeordneten, flachen Spiegeln gebildet (Abb. 1). Da Neutronenleiter mit einer Gesamtlänge von bis zu 120 Metern benötigt werden, werden mehrere gerade Einzelmodule mit einer Länge von 0,5 oder 1 Meter hintereinander angeordnet. Sie folgen einem leicht kurvigen Verlauf, der dem Zweck dient, die intensive ƒ×-Strahlung der Neutronenquelle zu eliminieren, und sind mit einer extrem hohen Genauigkeit von 5E-5 Radian angeordnet.
Die Spiegel sind aus Glas gefertigt, das auf eine sehr geringe Oberflächenrauheit poliert und mit einer komplizierten, vielschichtigen Beschichtung versehen ist, welche ein hohes Reflexionsvermögen besitzt und Neutronen optimal reflektiert (Abb. 2).
Diese hoch komplexen Beschichtungen setzen sich aus bis zu 5.000 einzelnen metallischen Schichten zusammen und vergrößern den kritischen Reflexionswinkel auf sehr hohe Werte. Trifft ein Neutronenstrahl auf diese Oberfläche, wird er nach einem Interferenzmechanismus reflektiert, der der Physik der Dünnfilmbeschichtungen eigen ist. Dicke, Materialeigenschaften, und Anzahl der übereinander angeordneten Schichten spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung der Beschichtung und folglich für deren Reflexionskoeffizient. Der SCHOTT-Kunde SwissNeutronics ist in der Lage, mittels DC-Magnetronzerstäubung mehrere Tausend Schichten übereinander anzufertigen. Natürlich spielt auch die Rauigkeit des Substrates eine hoch entscheidende Rolle. Um die Streuung von Neutronen und damit den Verlust im Neutronenleiter möglichst gering zu halten, muss die Oberflächenrauheit des Substrats im Bereich weniger Ångström liegen. Diese Substrate stellt SCHOTT für SwissNeutronics her.
Der Schutz der Umgebung vor der intensiven Neutronenstrahlung muss auf der gesamten Länge des Neutronenleiters gegeben sein. Mit seinem Gehalt an Bor10 erfüllt das Spiegelsubstrat auch diese Anforderung. Eine zusätzliche Abschirmung um den Neutronenleiter herum schützt Wissenschaftler und sensible Gerätschaften vor der intensiven Gammastrahlung, die bei der Absorption der Neutronen entsteht.
Vor rund 30 Jahren war das ILL auf der Suche nach einem Glastyp, der eine ausreichende Menge an Boroxid enthielt, um Neutronen zu absorbieren. SCHOTT entwickelte erfolgreich das Glas Borkron N, das speziell für diese Art der Anwendung geeignet war. Die Spiegelglassubstrate bilden durch ihren Gehalt an Bor10 eine effiziente Abschirmung vor Neutronen. Eine zusätzliche, externe Abschirmung fängt die bei der Absorption der Neutronen entstehende Gamma-Strahlung auf und schützt so die Wissenschaftler und die empfindlichen Instrumente vor der schädlichen Strahlung. .
Das ILL, das zu den größten Neutronenforschungseinrichtungen gehört, gab dem Glastyp Borkron N von SCHOTT gegenüber alternativen Glastypen klar den Vorzug. Borkron N wird in allen kritischen Bereichen eingesetzt, in denen hohe Strahlungsintensitäten vorliegen und alternative Glastypen mit ähnlichem Boroxid-Gehalt schon nach kurzer Zeit Schaden nehmen. Nach wenigen enttäuschenden Versuchen mit alternativen Materialien gab das ILL 2006 schließlich 8 Tonnen des Materials Borkron N für seine nächsten Anlagen in Auftrag.
Weitere Forschungseinrichtungen, wie das SDH in Deutschland, das LLB in Frankreich und das NIST in den USA nutzen die Gelegenheit, um im gleichen Schmelzgang ebenfalls ein bis zwei Tonnen des Materials in bedarfsspezifischen Größen zu ordern.
SwissNeutronics, der weltweit größte Hersteller von Neutronenleitersystemen, zählt zu den wichtigsten Abnehmern von Borkron-Glas. Die neutronenreflektierenden Superspiegel-Beschichtungen wurden eigens für die Schweizer Spalliations-Neutronenquelle SINQ, die 1994 am Paul-Scherrer-Institut gebaut wurde, unter Verwendung der strahlenresistenten Borkron N-Gläser von SCHOTT entwickelt. Die Kombination des von SCHOTT hergestellten superpolierten Borkron N mit sehr geringer Mikrorauigkeit und Welligkeit mit der speziellen Zerstäubungstechnologie und den hochpräzisen Schleifverfahren von SwissNeutronics erlaubten die Herstellung verlustarmer Neutronenleiter mit hoher Transmission. Dadurch wurde auch die Produktion von fortschrittlichen neutronenleitenden Geräten (Abb. 3) möglich. Die großen Neutronenstreuzentren in den USA (NIST) und Europa (ILL, LLB, PSI) profitieren so ebenfalls von der intensiven Zusammenarbeit zwischen SCHOTT und SwissNeutronics.
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Abb. 1: Von SwissNeutronics für das Institut Laue-Langevin in Grenoble hergestellter Neutronenleiter. Die Glasplatten sind mit Superspiegel m = 2 beschichtet.
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Abb. 2: Die Superspiegel-Beschichtung mit einem Reflexionswinkel von m = 2 (hergestellt aus SCHOTT Borkron N) von SwissNeturonics besitzt ein herausragendes Reflexionsvermögen.
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Abb. 3: Mehrkanal Neutronenleiter für die Spallation Neutron Source SNS in Oak Ridge National Laboratory (USA). Die Glasplatten sind mit Superspiegel m = 3,6 beschichtet. Das Gehäuse besteht aus Edelstahl.
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