Antreibende Neutronenwissenschaft: Laser

1. Februar 2023

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von der Universität Osaka

Wissenschaftler des Instituts für Lasertechnik der Universität Osaka haben den Mechanismus und die Funktionsform für die Ausbeute von Neutronen aus einer lasergetriebenen Quelle ermittelt und damit eine Neutronenresonanzanalyse viel schneller als mit herkömmlichen Methoden durchgeführt. Diese Arbeit könnte dazu beitragen, nicht-invasive Tests auf mehr Anwendungen in der Fertigung und Medizin auszuweiten.

Während die meisten Mikroskope Photonen oder sogar Elektronen verwenden, um kleine Proben zu untersuchen, haben Wissenschaftler Neutronen auch in einer Vielzahl von Tests eingesetzt, beispielsweise bei der Neutronenstreuung, um sowohl hergestellte Proben als auch biologische Proben zu untersuchen. Als neutrale Teilchen eignen sich Neutronen ideal für die zerstörungsfreie Untersuchung der magnetischen und atomaren Eigenschaften betrachteter Objekte, da sie von elektrischer Ladung nicht beeinflusst werden. Es gibt neuere Methoden zur Erzeugung großer Neutronenzahlen, beispielsweise die Verwendung laserbetriebener Neutronenquellen, der zugrunde liegende Mechanismus bleibt jedoch unklar.

Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung der Universität Osaka eine laserbetriebene Neutronenquelle entwickelt und ein neues Skalierungsgesetz zwischen der Laserintensität und der Anzahl der erzeugten Neutronen ermittelt. Sie fanden heraus, dass eine Erhöhung der Intensität Neutronen proportional zur vierten Potenz lieferte, was bei relativ geringen Investitionen zusätzlicher Leistung zu sehr großen Veränderungen führen kann.

Unter Verwendung dieses Gesetzes wurde eine Analyse namens Neutronenresonanzabsorption durchgeführt, um die Elemente in der Versuchsprobe zu identifizieren. „Neutronenquellen können in Anwendungen eingesetzt werden, die von Radiographie, Spektroskopie, Sicherheit bis hin zur Medizin reichen“, sagt Erstautor Akifumi Yogo.

In einem Experiment richteten die Forscher einen extrem starken Laserstrahl auf eine Folie aus deuteriertem Polystyrol. Die austretenden Ionen kollidierten mit einem Berylliumblock, was wiederum einen großen Neutronenfluss erzeugte. Ein kleines Moderatorgerät wurde verwendet, um die Neutronen zu verlangsamen, damit sie sich mit der richtigen Geschwindigkeit durch die Probe bewegen konnten.

Anhand der Neutronenabsorptionsrate konnten die Atome in der Probe bestimmt werden. „Es ist uns gelungen, die Messzeit von mehreren Stunden auf einen winzigen Bruchteil einer Sekunde zu reduzieren und so Einzelschussexperimente mit schnellen Phänomenen zu ermöglichen“, sagt der leitende Autor Ryosuke Kodama.

Prozesse, die über Sekunden oder Minuten ablaufen, können nun in Echtzeit überwacht werden, was mit älteren Methoden mit geringeren Neutronenintensitäten nicht möglich war. Die Ergebnisse dieser Forschung können zu erheblichen Geschwindigkeitssteigerungen bei der industriellen Qualitätskontrolle oder der Identifizierung biologischer Proben führen.

Mehr Informationen: A. Yogo et al., Lasergetriebene Neutronenerzeugung zur Realisierung der Einzelschuss-Resonanzspektroskopie, Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011011

Zeitschrifteninformationen:Körperliche Untersuchung X

Zur Verfügung gestellt von der Universität Osaka