Forschung mit Neutronen

Was sind Neutronen? Wie werden freie Neutronen erzeugt? Wie und wofür werden Neutronen benutzt?

Forschung mit Neutronen und Anwendungen

Die Forschung mit Neutronen reicht von der Grundlagenforschung bis hin zur konkreten Anwendung. Wichtige Themen sind:

Was sind Neutronen?

Wie werden freie Neutronen erzeugt?

Wie werden Neutronen benutzt?

Kern- und Teilchenphysik

Neutronenforschung umfasst zwei Bereiche: Zum einen die Erforschung des Neutrons selbst, die nicht nur grundlegende Einsichten zu den Standardmodellen der Teilchenphysik, sondern auch zur Entstehung des Universums erlaubt.

Das Neutron als Sonde

Zum anderen wird das freie Neutron als Sonde benutzt. Dafür werden Proben von Stoffen, Gegenständen oder Lebewesen mit Neutronen „beschossen“. Aus der Wechselwirkung der Neutronen mit den Atomkernen der Probe kann man vieles über sie herausfinden, z.B. aus welchen Elementen sie besteht (durch Absorption und Emission), wie sie im Inneren aufgebaut ist (Texturuntersuchung mit Radiographie und Tomographie) und wie ihre Eigenschaften auf atomarer Skala sind (durch Streuung). Neutronen haben Wellenlängen und Energien, die atomaren Abständen und gleichzeitig charakteristischen Energien im Festkörper entsprechen. Mit ihnen kann daher die Frage beantwortet werden, wo die Atome sind und wie sie sich bewegen. Da das Neutron einen Spin hat, der sich je nach dem angetroffenen Magnetfeld unterschiedlich ausrichtet, können Neutronenexperimente auch magnetische Eigenschaften von Materialien aufklären. Neutronenforschung gibt Auskünfte über die Anordnung und Bewegung der Atome in der Probe, die komplementären Methoden wie Röntgen oder Elektronenmikroskopie verborgen bleiben.

Standards und innovative Methoden

Es gibt eine breite Palette an Methoden der Neutronenforschung, die für ganz unterschiedliche Fragestellungen von Forschern aus allen Bereichen der Naturwissenschaften und auch aus Kulturwissenschaften, Medizin und Industrie verwendet werden. Viele davon sind Standardmethoden, die routinemäßig verwendet werden können. Durch methodische Entwicklungen wird das Feld der Möglichkeiten jedoch ständig erweitert, so dass neue Quellen, Instrumente und Versuchsanordnungen häufig zu ganz neuartigen Erkenntnissen führen.

Insbesondere die Einbindung der Universitäten in die Entwicklung von neuen Instrumenten und Methoden durch ein international einmaliges Förderinstrument, die „Verbundforschung“ bzw. seit 2018 „ErUM-Pro“, hat die Neutronenforschung in Deutschland entscheidend vorangebracht.

Historische Entwicklung der Neutronenforschung in Deutschland

In Deutschland hat sich eine starke, aktive Nutzerschaft entwickelt, die ihren Ursprung im ersten Forschungsreaktor in Garching, dem „Atomei“ hatte, der 1957 bis 2000 von der TU München betrieben wurde, und dessen Nachfolger, die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) seit 2004 ebenfalls eine zentrale Rolle spielt. Mit der Inbetriebnahme des Institut Laue-Langevin (ILL, 1971) in Frankreich unter deutscher Beteiligung öffnete sich die Neutronenforschung. Nun hatte ein größerer Kreis von Nutzern aus Universitäten und anderen Forschungsinstituten Zugang zu Neutronenexperimenten. Grundlage dafür war die Einführung von Auswahlverfahren durch wissenschaftliche Begutachtung von Vorschlägen („Proposals“) für Experimente. Nach diesem Prinzip boten dann auch die Neutronenquellen in Jülich (1962-2006), Berlin (1973-2019) und Garching (FRM II seit 2004) Messzeit für Nutzer aus Deutschland und der ganzen Welt an.

Derzeit nutzen Neutronenforscher aus ganz Deutschland die Quelle in Garching. Das ILL wird weiterhin essentiell bleiben. Ferner werden große Hoffnungen in die im Bau befindliche Europäische Spallationsquelle (ESS) in Schweden gesetzt.

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