Het is een zeer opvallende en prachtige afbeelding, maar het is geen neutronenbundel, zoals men zou kunnen veronderstellen. Deze afbeelding toont juist de hoogenergetische ionenbundel die we gebruiken om neutronenstraling te genereren. Wat je op de bovenstaande afbeelding ziet, is in feite oververhit plasma uit een ionenbron. Bij zulke hoge temperaturen kan de plasma-ionenbron, die bestaat uit deuteriumionen, onder bepaalde omstandigheden een verbluffend etherische blauwviolette gloed produceren, die we met de camera kunnen vastleggen.
In tegenstelling tot de straal van de ionenbron zijn echte neutronenstralen echter niet echt iets om naar te kijken. Net als de meeste vormen van straling is neutronenstraling, zoals die in een neutronenstraal, onder geen enkele omstandigheid zichtbaar voor het blote oog, en daarom is het niet zo eenvoudig om een indrukwekkend, fascinerend beeld te krijgen van neutronenstraling (en dus ook van neutronenstralen).
De bekende kleurrijke foto’s van sterren, sterrenstelsels en nevels zijn bewerkt en kleurgecorrigeerd om röntgenstraling, gammastraling, ultraviolet licht, radiogolven en andere vormen van straling uit het elektromagnetische spectrum weer te geven binnen het bereik van ons gezichtsvermogen, aangezien slechts een zeer klein deel van het licht dat astronomische objecten uitstralen daadwerkelijk met het blote oog waarneembaar is.
Aangezien neutronen geen deel uitmaken van het elektromagnetische spectrum, werkt de methode die we gebruiken om foto’s van de Hubble-ruimtetelescoop in kleur weer te geven niet helemaal. Een neutronenbundel is onzichtbaar, maar dat maakt hem niet minder krachtig.
Wat is een neutronenbundel?
Een neutronenbundel is een gebundelde stroom neutronen. Neutronenbronnen hebben echter de neiging om neutronen in alle richtingen uit te stoten in plaats van alleen in een gebundelde neutronenbundel, dus moet er speciale technologie worden ingezet om de neutronen in het gewenste patroon te brengen. Door neutronenabsorberend materiaal rondom de emissiebron te plaatsen en één enkele opening te voorzien, kan een deel van de neutronenoutput in één richting worden uitgestraald, waardoor deze op een doel kan worden gericht. Deze gebundelde neutronenbundels zijn veel bruikbaarder voor toepassingen in de industrie en het materiaalonderzoek.
Bij veel toepassingen van straling moeten de radioactieve emissies van je bron worden gebundeld tot een strakke en geordende bundel — hoe strakker en geordener de neutronenbundel, hoe beter. Bij radiografie bijvoorbeeld geldt: hoe wanordelijker de radioactieve uitstraling is, hoe waziger en onduidelijker het resulterende beeld zal zijn. In dit voorbeeld moeten de naar buiten gerichte neutronen zo parallel mogelijk aan elkaar lopen. Deze neutronenbundeltechnieken vereisen meer gespecialiseerde technologie voor het absorberen en focussen van neutronen.
Onze technologie om neutronen te bundelen zonder kernreactor
Het genereren van gefocusseerde neutronenbundels is eigenlijk best een uitdaging, zelfs in vergelijking met het genereren van de neutronen zelf. Om de straling tot een bundel te bundelen en de divergentie van de neutronenbundel nauwkeurig te regelen om zo een maximale effectiviteit te garanderen, maken we gebruik van een apparaat dat een collimator of bundelbeperker wordt genoemd.
Een collimator versmalt en bundelt een straal van deeltjes en golven. Collimatoren werken als een filter voor straling: ze laten parallelle stralen door, terwijl ze stralen die onder een hoek binnenkomen tegenhouden. Hoewel slechts een fractie van de totale geproduceerde straling erdoorheen komt, is dit de prijs die je betaalt voor een helderdere en scherpere – en dus, in bepaalde toepassingen, bruikbaardere – straal.
Omdat in deze situaties slechts een gericht deel van de totale neutronenoutput daadwerkelijk voor de neutronenbundels wordt gebruikt, is de totale neutronenoutput van een neutronenbron geen bruikbare maatstaf meer. In plaats daarvan zijn de belangrijke maatstaven de neutronenflux, die meet hoeveel neutronendeeltjes door een bepaald gebied gaan (neutronen per vierkante centimeter per tijdseenheid), en de neutronenfluentie, die meet hoeveel neutronendeeltjes gedurende een bepaalde tijdsduur door een bepaald gebied gaan (neutronen per vierkante centimeter).
Om neutronenstraling te bundelen, maakt het Imaging Center van Phoenix LLC gebruik van een door ons zelf ontworpen collimator, vervaardigd uit een eigen, neutronenabsorberend materiaal. Alleen parallelle stralen van neutronen – of in ieder geval zo parallel mogelijk – passeren de collimator ongehinderd. Hoe parallel de straal is, hangt af van de verhouding tussen de lengte van de collimator en de diameter van de opening.
Onze technologie om de neutronentemperatuur te reguleren
Een belangrijke eigenschap van een neutronenbundel is de temperatuur ervan: hoeveel energie de neutronen in die bundel bezitten.
De temperatuur van een bepaald vrij neutron hangt af van de aard van de fusiereactie waaruit het is ontstaan; verschillende neutronenbronnen leveren verschillende resultaten op. Zo levert een deuterium-deuterium- of D-D-fusiereactie vrije neutronen op met een gemiddelde energie van ongeveer 2,5 MeV (mega-elektronvolt). Een deuterium-tritium- of D-T-fusiereactie levert neutronen op met een energie van ongeveer 14 MeV.
Neutronenbundeltechnieken
Verschillende temperaturen van neutronenbundels zijn nuttig voor verschillende toepassingen, omdat de hoeveelheid energie die een neutron heeft van invloed kan zijn op de manier waarop het met materialen reageert. Zo kunnen thermische neutronen, die een energie hebben van ongeveer 0,025 eV (ongeveer tien miljoen keer minder energie dan DD-neutronen!), een grotere neutronenabsorptiesectie hebben dan neutronen met meer energie. Snelle neutronen, met temperaturen tussen één en twintig MeV, zijn vanwege hun hogere energie van cruciaal belang voor het op gang brengen van kernsplijtingsreacties. Er bestaan verschillende categorieën neutronen met uiteenlopende temperaturen, variërend van koude (alles wat kouder is dan thermische neutronen) tot ultrasnelle (neutronen die zich met relativistische snelheden voortbewegen), maar snelle en thermische neutronen behoren tot de belangrijkste voor industriële toepassingen.
Om de snelle 2,5 MeV-neutronen die uit een DD-neutronengenerator komen om te zetten in thermische neutronen, gebruiken we een apparaat dat een moderator wordt genoemd om de neutronen af te remmen. Een moderator bestaat uit materiaal dat neutronen afremt. In veel moderatoropstellingen wordt zwaar water als materiaal gebruikt. Zwaarwatermoleculen zijn net als normale watermoleculen, behalve dat ze deuteriumatomen bevatten in plaats van waterstofatomen. Een eigenschap van zwaar water is dat wanneer neutronen in de neutronenbundel in botsing komen met het deuterium daarin, ze energie verliezen. Hierdoor daalt hun temperatuur, en na talloze botsingen verlaten de neutronen in de neutronenbundel de moderator op de juiste temperatuur.
Waarvoor worden neutronenbundels gebruikt?
Neutronenbundels kennen een breed scala aan toepassingen in industriële keuringen en materiaalonderzoek. Neutronenstraling heeft unieke eigenschappen in vergelijking met andere vormen van straling, wat bijzondere mogelijkheden biedt voor toepassing op tal van gebieden, variërend van destructieve en niet-destructieve keuringen tot onderzoek naar fusie-energie en zelfs archeologie en kunstgeschiedenis.
Neutronenbundels en NDT (niet-destructief onderzoek) Neutronenradiografie/neutronenbeeldvorming
Neutronenbundels zijn bijzonder nuttig bij geavanceerde industriële inspecties, met name voor neutronenradiografie of neutronenbeeldvorming. Een gecollimeerde neutronenbundel kan worden gebruikt om een radiografische neutronenafbeelding van de interne structuur van een object te maken, net zoals dat mogelijk is met een bundel röntgen- of gammastraling. Omdat neutronen in vergelijking met elektromagnetische straling bijzondere eigenschappen hebben en bepaalde zware elementen gemakkelijker kunnen doordringen dan lichte elementen, biedt neutronenradiografie een uniek perspectief ten opzichte van röntgen- en gammastralingradiografie, en kan neutronenbeeldvorming worden gebruikt om defecten en gebreken op te sporen die bij andere testmethoden wellicht over het hoofd worden gezien.
Neutronenradiografie kan worden uitgevoerd met thermische of snelle neutronen, die de absorptie- of verstrooiingsdoorsnede van de atoomkernen van verschillende materialen beïnvloeden. Van oudsher maakten onderzoekers gebruik van een onderzoeksreactor als neutronenbron voor neutronenbeeldvorming, maar aangezien kernreactoren met elk decennium schaarser worden (met name onderzoeksreactoren), heeft SHINE Technologies andere opties voor neutronenbronnen ontwikkeld als alternatief voor een kernreactor bij neutronenbeeldvorming.
Neutronenbundels en NAA (neutronenactivatieanalyse) voor materiaalonderzoek
Een bijzonder breed toepassingsgebied van de neutronenbundeltechnologie heeft te maken met een natuurkundig verschijnsel dat bekendstaat als neutronenactivatie en dat van groot belang is voor het materiaalonderzoek.
Wanneer een neutronenbundel door het materiaal van het testobject gaat, kunnen de atomen van dat materiaal een deel van de neutronen absorberen, extra energie opnemen en deze extra energie vervolgens afgeven in de vorm van een lichte stralingsuitstoot.
Door de straling die bij neutronenactivatie vrijkomt te analyseren, kun je de samenstelling van een materiaal namelijk heel nauwkeurig bepalen. Daarom wordt neutronenactivatieanalyse niet alleen toegepast als methode bij industriële niet-destructieve keuringen en materiaalonderzoek, maar ook op gebieden als kunstgeschiedenis, archeologie, geologie en landbouw. Neutronenbundels kunnen zelfs worden gebruikt om explosieven en verdovende middelen op te sporen!
Andere toepassingen van neutronenbundels: niet-destructief onderzoek (NDT) en neutronenverstrooiing
Naast NDT-methoden zoals neutronenbeeldvorming en neutronenradiografie kunnen neutronenbundels ook worden ingezet voor destructieve testmethoden, zoals stralingsverharding en overlevingsproeven. Bij deze tests worden materialen bestookt met ioniserende straling, zoals neutronenstraling, om te bepalen hoeveel straling de materialen kunnen weerstaan voordat er fysieke gebreken zichtbaar worden. Stralingsblootstelling in omgevingen zoals de ruimte en kernreactoren kan ertoe leiden dat materialen, machines en instrumenten brozer worden of hun treksterkte verliezen; zo kunnen bijvoorbeeld elektronische apparaten niet meer goed functioneren als gevolg van stralingsschade aan hun materialen en onderdelen.
Neutronenverstrooiing is een andere krachtige onderzoeksapplicatie van neutronenbundels. Bij neutronenverstrooiing onderzoeken wetenschappers hoe atomen in een materiaal zijn gerangschikt door er een neutronenbundel doorheen te sturen en te kijken hoe de bundel tijdens de doorgang door het materiaal wordt verstrooid.
Bij neutronenverstrooiing wordt gebruikgemaakt van koude of ultrakoude neutronen, die een veel lagere temperatuur hebben dan thermische neutronen en gemakkelijk door atoomkernen in materialen kunnen worden opgevangen of verstrooid. Onderzoekers maken in de materiaalkunde vaak gebruik van neutronenverstrooiingsexperimenten bij het bestuderen van de structuur en dynamica van waterstofrijke verbindingen en biologische materialen. Een ander type neutronenverstrooiing, inelastische neutronenverstrooiing genaamd, stelt onderzoekers in staat om atomaire en moleculaire verschijnselen te bestuderen, zoals atomaire beweging en excitatie.
Lees meer over de fusie-neutronengeneratortechnologie van SHINE