Physik

Das Neutron

Das Neutron ist eines der elementaren Bausteine des Atomkerns (der andere ist das Proton). Das Neutron besitzt keine elektrische Ladung aber ein magnetisches Moment und seine Masse ist ungefähr 1840 mal grösser als jene des Elektrons. Ausserhalb des Atomkerns besitzt ein freies Neutron eine mittlere Lebensdauer von 14.8 Minuten, wonach es unter Emission eines Elektrons in ein Proton zerfällt.

Das Neutron kann einerseits als Teilchen mit Masse m, andererseits auch als Welle mit der deBroglie Wellenlänge beschrieben werden. Mit einer Masse m von 1.6749 10^-27 kg, einer Geschwindigkeit v und mit h der Planck'schen Konstante gelten folgende Beziehungen:

Neutronen werden nach ihrer kinetischen Energie in folgende Bereiche eingeteilt:

Neutronen-Materie Wechselwirkung

Da das Neutron elektrisch neutral ist, reagiert es nur schwach mit der Materie, in die es weit eindringen kann. Im Gegensatz zur Röntgenstrahlung, die hauptsächlich mit der Elektronenhülle des Atoms in Wechselwirkung tritt, reagiert das Neutron mit dem Atomkern. Das ist der Grund, weshalb es einerseits sehr sensitiv auf leichte Kerne wie Wasserstoff oder Sauerstoff ist, die mit Röntgenstrahlung nur schwach wechselwirken, andererseits aber mit Metallen vergleichsweise schwächer in Wechselwirkung tritt. Elemente mit ähnlicher Ordnungszahl Z (=Anzahl Protonen im Kern), differenzieren sich im allgemeinen stärker mit Neutronen als mit Röntgenstrahlung.

Vergleich Neutronen-Röntgenstrahlen	Vergleich Neutronen-Röntgenstrahlen

Die Neutronen haben insbesondere bei thermischer Energie (d.h. wenn sie energetisch im Gleichgewicht mit dem umgebenden Medium sind) eine hohe Wahrscheinlichkeit gestreut oder absorbiert (siehe Fig.3)zu werden. Bei der Transmissionsradiographie werden deshalb hauptsächlich thermische oder kalte Neutronen benutzt, die aus einem Moderatormedium extrahiert werden. Dies ist meist ein Wassertank mit schwerem Wasser, das entweder einen Spaltreaktorkern oder einen Spallationstarget umgibt, wo die Neutronen mit Energie im MeV Bereich freigesetzt werden. Es gibt eine Reihe von Isotopen, die Kernreaktionen bei thermischer Energie aufweisen, die zum Zweck der Neutronendetektion (siehe Abschnitt Detektoren) genutzt werden können. Neutronen bei höheren Energien sind viel schwieriger nachzuweisen.

Strahlabschwächung	Exponentielle Abschwächung	Neutronen-Wirkungsquerschnitte
Figur 1	Figur 2	Figur 3

Die verschiedenen Wechselwirkungsarten lassen sich grob aufteilen in:

Absorption: Intensität des Strahls wird reduziert ohne Richtungsänderung
Streuung: Intensität des Strahls und Ausbreitungsrichtung ändern
Brechung: Nur die Ausbreitungsrichtung ändert

Neutronentransmission

Das Abschwächungsverhalten von Neutronen in Materie wird durch das grundlegende exponentielle Abschwächungsgesetz für Strahlung in Materie beschrieben (siehe Fig.1 und Fig.2): Als Transmission T wird das Verhältnis der Intensitäten von austretendem Strahl I zu eintretendem Strahl Io definiert: Quantitative Aussagen über die Materialzusammensetzung (z.B. den Wasserstoffgehalt) können von Neutronentransmissionsmessungen abgeleitet werden, wenn die Probengeometrie bekannt ist. Dazu werden die Beziehung für den makroskopischen Wirkungsquerschnitt sowie die bekannten mikroskopischen Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten aus Datenbibliotheken benützt (siehe Fig.2 und Fig.3). Das einfache exponentielle Abschwächungsgesetz gilt nicht in allen Fällen. Dicke Proben oder stark streuende Materialien (z.B. Kunststoffe mit viel Wasserstoff), bzw. stark neutronenabsorbierende Materialien (z.B. Borhaltige Bleche) führen zu Abweichungen. Diese können durch die mehrfache Streuung von Neutronen in der Probe, oder dem deutlich ändernden Energiespektrum der Neutronen in der Probe erklärt werden.

Die charakteristischen Unterschiede im Transmissionsverhalten von Röntgenstrahlen und Neutronen lassen sich an folgenden Graustufenbildern veranschaulichen:

Materialdicke 1cm	Materialdicke 2cm	Materialdicke 5cm

Neutronenradiographie

Die Methode der Neutronenradiographie will Transmissionsunterschiede in Objekten sichtbar machen. Diese können entweder durch leere Stellen im Objekt (d.h. Poren, Risse, …) oder durch einen Stoff mit anderen Transmissionseigenschaften hervorgerufen werden. Die Transmissionsunterschiede solcher Defekte sind abhängig von ihrer Grösse und ihrer chemischen Zusammensetzung. Der Nachweis von Defekten hängt nicht nur vom Objekt ab in dem sie sich befinden, sondern auch von den Eigenschaften der Neutronenquelle und der Art der Strahlführung, sowie von der Sensitivität des eingesetzten Detektorsystems.