Spallationsquellen

Spallationsquellen, auch Spallations-Neutronenquellen genannt, sind Einrichtungen zur Erzeugung von Neutronen durch Spallation. Dabei treffen hochenergetische Protonen oder andere leichte Kerne auf ein schweres Zielmaterial, wodurch eine große Zahl Neutronen aus dem Zielkern herausgelöst wird. Die Emission erfolgt mit einem breiten Energiespektrum; anschließend werden die Neutronen durch Moderator- und Leitungssysteme auf thermische oder kalte Energien heruntergekühlt, bevor sie für Experimente verwendet werden.

Aufbau und Funktionsweise: Zentraler Bestandteil ist ein Beschleunigerkomplex, der Ionen auf Gehaltenenergien treibt. In der Spallationskammer dient ein schweres Zielmaterial (häufig Quecksilber, Tungsten oder Blei) als Spallationskern. Aus dem Ziel freigesetzte Neutronen werden über Moderatoren wie Wasser, flüssiges Wasserstoff- oder Deuterium und über Neutronenleitungen zu verschiedenen Experimentierstationen geführt. Die Anlage ist so ausgelegt, dass das Neutronenfeld speziell geformt und der zeitliche Aufbau der Neutronen kontrolliert genutzt werden kann.

Betriebsweise: Viele Spallationsquellen arbeiten im Pulssbetrieb, wodurch kurze Neutronenpakete in regelmäßigen Intervallen entstehen. Das zeitlich strukturierte Neutronenvorlesung ermöglicht Zeit-of-Flight-Analysen zur Bestimmung von Energieverteilungen und Dynamiken in Proben.

Anwendungsfelder: Spallationsquellen liefern neutrale Teilchenströme für Grundlagenforschung und Materialwissenschaft, einschließlich Neutronenstreuung, Diffraction, Spektroskopie und Imaging. Typische Themen umfassen Phasenübergänge, Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Metallen, Halbleitern, Biomaterialien sowie chemische Reaktionsmechanismen in Lösungen.

Beispiele: Bedeutende Spallationsquellen sind ISIS im Vereinigten Königreich, der Spallationsneutronenquelle SNS in den USA und das J-PARC Materials and Life Science Facility in Japan. Die European Spallation Source (ESS) in Lund (Schweden) befindet sich im Bau bzw. In Planung. Spallationsquellen unterscheiden sich wesentlich von Kernreaktoren, da Neutronen durch Spallation statt durch Spaltung erzeugt werden und typischerweise in pulsierten Strukturen zur Verfügung stehen. Sicherheitsaspekte umfassen umfassende Abschirmung, Aktivierung von Materialien und Strahlenschutz.