Ultrakalte Neutronen

Neutronen sind für gewöhnlich als neutrale Teilchen in Atomkernen gebunden. Im ungebundenen Zustand kann man sie entsprechend ihrer kinetischen Energie in verschiedene Kategorien einteilen (relativistisch, schnell, kalt usw.). In nahezu allen Energiebereichen durchdringen freie Neutronen jedes Material, kühlt man sie jedoch weit genug ab, so liegt die de-Broglie-Wellenlänge in der gleichen Größenordnung wie die Gitterabstände einiger Materialien. Die Neutronen wechselwirken daher nicht mehr mit einzelnen Atomen dieser Materialien, sondern mit ganzen Ensembles, die als Potentialstufe interpretiert werden können und an denen die Neutronen dann reflektiert werden. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um freie Neutronen zu speichern und Messungen an ihnen durchzuführen - solche Neutronen bezeichnet man dann als ultrakalt. Beliebte Materialien sind Edelstahl, Quarz oder Aluminium. Die speicherbaren Neutronenenergien liegen hier im Bereich von einigen 10 bis 100 neV, was Geschwindigkeiten von bis zu 8 m/s entspricht.

 

Erzeugung von ultrakalten Neutronen

Am TRIGA Reaktor in Mainz werden die schnellen Neutronen aus der Kernspaltung zunächst auf thermische Energien abgebremst. Zwei Seiten des Reaktors können als UCN-Quelle verwendet werden wenn am Ende der installierten Rohren Wasserstoff bzw. Deuterium ausgefroren wird. Der Wasserstoffkristall dient als Vormoderator, an dem die hindurchfliegenden Neutronen einen Teil ihrer kinetischen Energie auf die Wasserstoffatome übertragen und dadurch langsamer werden. Die sich anschließende Schicht aus festem Deuterium hat prinzipiell den gleichen Effekt, allerdings hat Deuterium den Vorteil, dass hier der Einfangquerschnitt für Neutronen wesentlich geringer ist, da bereits ein Neutron pro Wasserstoffkern vorhanden ist. Insgesamt werden die zuvor schnellen Neutronen auf Energien im 100 neV Bereich abgebremst, sodass sie wie oben beschrieben an einigen Materialien totalreflektiert werden und somit ultrakalt sind.