ICS Key Visual

Navigation und Service


Detektorsystem für Schnappschüsse biologischer und chemischer Prozesse

Neutronen sind elektrisch neutrale Bausteine der Atomkerne. Sie werden in spezialisierten Großforschungsanlagen erzeugt und mit Hilfe so genannter Streuinstrumente auf die zu untersuchenden Proben gelenkt. An den Atomkernen der Proben "prallen" die Neutronen ab; dabei können sie ihre Richtung und Geschwindigkeit ändern. Die Art dieser "Streuung" gibt Auskünfte über die Anordnung und Bewegung der Atome in der Probe, die komplementären Methoden wie Röntgen oder Elektronenmikroskopie verborgen bleiben. Detektoren wandeln die gestreuten Neutronen in einem mehrstufigen Prozess in elektronische Signale um. Der hohe Aufwand ist nötig, weil die Kernbausteine für das Auge unsichtbar sind und keine elektrische Ladung tragen.

Die so genannte Zählrate der Detektoren – die Zahl der nachweisbaren Neutronen pro Sekunde – ist derzeit auf den unteren einstelligen Megahertz-Bereich begrenzt. Das limitiert auch die Leistungsfähigkeit der Experimente an modernen und noch mehr an zukünftigen Neutronenquellen mit hohem Neutronenfluss. Denn wenn zu viele Neutronen zu rasch nacheinander auf zu schwache Detektoren treffen, ist keine Messung möglich. Eine neue Detektortechnologie mit etwa zwanzigfach verbesserter Zählrate und weiteren Vorteilen wollen Forscher und Ingenieure der Jülicher Institute Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) und Systeme der Elektronik (ZEA-2) deshalb in den kommenden vier Jahren gemeinsam mit Partnern an den Neutronenforschungszentren Laboratoire Léon-Brillouin in Frankreich und European Spallation Source (ESS) in Schweden, der schwedischen Universität Lund sowie dem norwegischen Unternehmen Integrated Detector Electronics AS entwickeln. Ende Januar hat die Europäische Kommission zugestimmt, dieses Projekt, das durch das Forschungszentrum Jülich koordiniert wird, mit rund vier Millionen Euro zu fördern.

Die Detektoren enthalten, wie bisher auch, so genanntes Szintillationsmaterial, das einen schwachen Lichtblitz aussendet, wenn ein Neutron darauf trifft. Hierher rührt auch das Projektakronym Solid-state Neutron Detector (Festkörperneutronendetektor). Herz der neuen Technologie sind Multianoden-Photomultiplier, die die bisher genutzten Photomultiplier ersetzen sollen. Photomultiplier verstärken die Lichtsignale und wandeln sie in elektrische um. Herkömmliche Photomultiplier haben einen Durchmesser von etwa zehn Zentimetern, die zukünftigen nur etwa fünf Millimeter. Dadurch lassen sich etwa hundertmal mehr Sensoren pro Fläche unterbringen, wodurch sich Zählrate und Auflösung der Detektoren verbessern.

"Projektziel ist ein Prototyp, der an der im Bau befindlichen European Spallation Source seine Überlegenheit unter Beweis stellen soll", erläutert Dr. Sebastian Jaksch, Projektkoordinator am JCNS. Die ESS soll ab 2019 etwa 30 Mal mehr Neutronen produzieren als heutige Anlagen. Dadurch reichen schon ganz kurze Neutronenblitze, um Daten zu gewinnen. So lassen sich kleinere Probenmengen und schnellere Prozesse untersuchen. Ähnlich wie mit einem Stroboskoplicht lassen sich Schnappschüsse winziger Bewegungen aufnehmen und zu einem Film zusammensetzen, zum Beispiel die Aggregation von organischen Molekülen oder chemische Reaktionen.

Der Detektor wird in modularer Bauweise entwickelt, was zwei große Vorteile hat: Erstens lässt sich die Technologie leicht für verschiedene Experimente anpassen, bei denen je nach Zielsetzung Detektorflächen von wenigen Quadratzentimetern bis zu mehreren Quadratmetern benötigt werden. Außerdem können defekte Flächen innerhalb weniger Tage ausgetauscht werden, wohingegen Reparaturen heutiger Detektoren bis zu mehrere Monate dauern können. Ein weiterer Vorteil der Technologie ist, dass sie ohne den Einsatz von teurem Helium-3 auskommt. Dieses auf der Erde seltene Gas ist nur aufwändig zu gewinnen und wird in steigendem Maße für andere Zwecke benötigt. Da sich Szintillationsdetektoren grundsätzlich für eine weite Bandbreite von Anwendungen eignen, etwa für bildgebende Verfahren in Medizin und Technik, untersucht das Projekt auch solche Einsatzmöglichkeiten.

2So funktioniert ein Szintillationsdetektor (von links): Ein Neutron (blau) erzeugt in einem Szintillationsmaterial einen Lichtblitz, der wiederum von einem Photomultiplier in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Die Auswerteelektronik erzeugt daraus Datensätze über Position, Anzahl und Zeitpunkt der ankommenden Neutronen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

3Aim of the SoNDe-Project: a detector made up of single, independent modules, around 5x5 square centimeters in size. They pass on measurement information independently regarding the position and timing of the incoming neutrons to a computer for analysis. This facilitates not only a comparatively wide range of detector geometry but also enables easy maintenance by the simple replacement of individual modules.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Weitere Informationen:

Jülich Centre for Neutron Science (JCNS)
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Systeme der Elektronik (ZEA-2)
Heinz Maier-Leibnitz Zentrum

Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Jaksch, Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science,
Tel. 089 28 9-11673, E-Mail: s.jaksch@fz-juelich.de

Zusatzinformationen

SoNDeLogo

EU logog

Gefördert durch das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation HORIZON 2020, Projektnummer 654124 (SoNDe).



Servicemenü

Homepage