Tiefer Einblick mit Neutronen aus der Laserquelle

Neutronen, die kompakt mit Lasern erzeugt werden, können in der zerstörungs­freien Material­prüfung zum Einsatz kommen. Das konnte ein Forscher­team um Marc Zimmer und Markus Roth von der TU Darmstadt jetzt erstmals zeigen. Als elektrisch neutrale Teilchen durch­dringen Neutronen Materie relativ leicht. Daraus ergeben sich viel­fältige Anwendungs­möglich­keiten wie etwa die Prüfung von Behältern mit radio­aktivem Abfall.

Zwar lässt sich beispiels­weise mit Röntgen­strahlung ins Innere von Objekten sehen. Leichte Elemente wie Wasserstoff oder organische Substanzen lassen sich so aber nur schwer erkennen und unter­scheiden, besonders, wenn sie sich hinter schwereren, abschirmenden Elementen befinden. Abhilfe kann hier die Verwendung von Neutronen liefern, die auf diese Materialien besonders sensitiv sind und Abschirmungen wie Blei mühelos durch­dringen können.

Dazu kommt, dass sich mit Hilfe von Neutronen verschiedene Isotope unter­schieden lassen, was es ermöglicht, die räumliche Verteilung von Isotopen innerhalb eines Objekts eindeutig zu bestimmen. Beschießt man also ein Unter­suchungs­objekt mit Neutronen, lässt sich aus der Isotopen­verteilung auf seinen Inhalt schließen.

Das ist vor allem für den Rückbau kern­tech­nischer Anlagen von hoher Bedeutung, da dort im letzten Jahr­hundert große Mengen an Behältern mit radio­aktivem Abfall produziert und in Zwischen­lagern unter­ge­bracht wurden. Bevor diese jedoch weiter in Endlager gebracht werden können, müssen deren Inhalte eindeutig identi­fi­ziert werden. Das erweist sich mit klassischer Röntgen­technik als schwierig, da diese Behälter oftmals so konzipiert sind, dass sie für diese Art der Strahlung möglichst undurch­sichtig sind.

Neutronenstrahlen werden üblicher­weise an großen Teilchen­beschleuniger­anlagen erzeugt, deren Bau und Betrieb äußerst kosten­intensiv sind. Erschwerend kommt hinzu, dass die zu unter­suchenden Objekte nicht zu den wenigen existie­renden Groß­anlagen trans­portiert werden können. Diese Technik ist damit einem Großteil der Industrie nicht zugänglich.

Das Forscherteam hat es jetzt jedoch geschafft, die konven­tio­nellen Beschleuniger durch einen hoch intensiven Laser zu ersetzen und damit Neutronen zu erzeugen. Dadurch wurde die Strecke von typischer­weise hunderten von Metern, die zur Beschleunigung und die Vermessung der Proben notwendig ist, auf unter zwei Meter reduziert. Möglich wurde das zum einen durch die Verwendung von ultra-kurzpuls-Lasern, basierend auf der „Chirped-Pulse-Amplification“-Methode. Zum anderen wurden für die Unter­suchungen am GSI Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung in Darmstadt die Bedingungen so weit optimiert, dass gleich mehrere industriell relevante Anwendungen demonstriert werden konnten.

Im Experiment konnte gezeigt werden, dass eine derartige kompakte laser­getriebene Neutronen­quelle tatsächlich dafür genutzt werden kann, zerstörungs­frei verschiedene Isotope in Werkstücken zu identi­fi­zieren und sogar räumlich sichtbar zu machen. In einem der Werkstücke konnte zudem eine vorher unbekannte Verun­reinigung nach­ge­wiesen werden. Neben dem Einsatz für radio­aktive Abfälle sind mit der Neutronen­quelle auch andere Anwendungen vorstellbar, etwa die zerstörungs­freie Unter­suchung von archäo­logischen Fundstücken oder das Sicht­bar­machen des Treib­stoff­flusses innerhalb eines Motors im laufenden Betrieb.

TU Darmstadt / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Zimmer et al.: Demonstration of non-destructive and isotope-sensitive material analysis using a short-pulsed laser-driven epi-thermal neutron source, Nat. Commun. 13, 1173 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-28756-0
• Laser- und Plasmaphysik (M. Roth), Institut für Kernphysik, FB Physik, Technische Universität Darmstadt