Erste Neutronen aus Neutronenquelle der nächsten Generation in Jülich
20. Dezember 2022
Beschleunigergetriebene, kompakte Neutronenquellen mit niedriger Energie werden weltweit als die nächste Generation von Neutronenquellen für eine Vielzahl von Anwendungen angesehen. Forschern des JCNS am Forschungszentrum Jülich ist nun ein Durchbruch gelungen, indem sie die ersten Neutronen mit einer neuen, in Jülich entwickelten, leistungsstarken Target/Moderator-Technologie lieferten.
Mehr als 16 Jahre nach der endgültigen Abschaltung des Forschungsreaktors DIDO am Forschungszentrum Jülich wurde eine neuartige Neutronenforschungsanlage auf dem Gelände des FZJ in Betrieb genommen. Gegenwärtig beherbergt die Anlage drei Strahlrohrinstrumente: einen Detektorteststand, ein Flugzeit-Diffraktometer und das HERMES-Neutronenreflektometer aus dem stillgelegten Orphée-Reaktor, das durch eine Zusammenarbeit mit dem LLB (Saclay) beigesteuert wurde.
Dieser beeindruckende Meilenstein wurde am 12. Dezember 2022 im Rahmen des Projekts "Hochbrillante Neutronenquelle" (HBS) mit den ersten Neutronen an der Target-Moderator-Reflektor-Einheit (TMR) einer experimentellen Teststation für eine Hochstrombeschleuniger-getriebene Neutronenquelle (HiCANS) im Bereich "Big Karl" des Instituts für Kernphysik (IKP) erreicht. Die vom JULIC-Zyklotron des IKP gelieferten Protonen erzeugten diese ersten Neutronen an dem für das HBS-Projekt im TMR entwickelten Tantal-Target. Sowohl thermische als auch kalte Neutronen wurden an allen drei Positionen rund um die TMR-Anlage gemessen.
Die TMR-Einheit wurde in den letzten zwei Jahren entwickelt und in Zusammenarbeit zwischen JCNS und ZEA-1 realisiert. Die 68 Tonnen schwere biologische Abschirmung ist eine einzigartige modulare Konstruktion, die bis zu 8 individuelle Experimente aufnehmen kann. Sie ist mit dem Protonenzyklotron JULIC des IKP über eine spezielle Protonentransferstrahlleitung verbunden. Ein neu entwickeltes Hochleistungs-Neutronentarget aus Tantal mit einem internen mikrofluidischen Wasserkühlkreislauf wurde installiert, um seine Leistung für das HBS-Neutronenquellenprojekt zu testen. Außerdem wurde ein kryogenes Kaltmoderatorsystem auf Methanbasis für die Erzeugung kalter Neutronen eingeführt und getestet.
In Zusammenarbeit mit dem CEA / LLB wurde das ehemalige HERMES-Flugzeitreflektometer von Saclay nach Jülich transferiert und im Big Karl-Bereich installiert. Es wird verwendet, um die Leistung eines Reflektometers an einer gepulsten Neutronenquelle auf der Basis eines Beschleunigers nachzuweisen.
Die neue Neutronenquelle wird genutzt, um Erfahrungen mit der Handhabung von Targets und Moderatoren zu sammeln und um fortschrittliche Moderatoren und Reflektoren für das zukünftige HBS sowie Instrumentenkonzepte zu entwickeln. Dabei ist der Neutronenfluss aufgrund der geringen Stromstärke des Protonenstrahls nicht sehr hoch, so dass Experimente zum Nachweis des Prinzips durchgeführt und entwickelt werden können.
Dieser große Erfolg erforderte unterschiedliches Fachwissen und wurde durch die hervorragende Zusammenarbeit zwischen mehreren Instituten und Infrastruktureinheiten innerhalb des FZJ ermöglicht - von der Technik (ZEA-1) und der Infrastruktur (T) über die Kernphysik (IKP) bis hin zur Neutronenforschung (JCNS) und externen Kooperationen, insbesondere mit dem LLB, Frankreich.
Mit der Installation der Nachbildung der HBS TMR-Einheit hat das Forschungszentrum Jülich einen wichtigen Schritt in Richtung HiCANS Neutronenquellen gemacht, die brillante Strahlen für Wissenschaft und Industrie an belastbaren, nachhaltigen, flexiblen Neutronenforschungseinrichtungen mit moderaten Betriebskosten und einfachem Nutzerzugang bereitstellen werden.
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