TRIGA Reaktor und Neutronenquelle

Ultrakalte Neutronen (UCN) bieten einzigartige Möglichkeiten für die Untersuchung der Eigenschaften des freien Neutrons, wie z. B. seine Lebensdauer, die sehr genau gemessen werden kann, sofern ausreichend hohe UCN-Dichten verfügbar sind. 

Neue UCN-Quellen sind momentan an verschiedenen Forschungszentren weltweit im Bau. Im Vordergrund steht dabei die Erreichbarkeit hoher UCN-Zählraten. TRIGA-Reaktoren, wie der TRIGA Mainz, sind inhärent sicher und wegen des Pulsbetriebs sehr wettbewerbsfähig. Zum Einsatz kommt eine UCN-Quelle mit festem Deuterium als Konverter, der die thermischen Reaktorneutronen auf Geschwindigkeiten bis zu 5 m/s abbremst und diese somit für Speicherexperimente nutzbar macht [1]. Der TRIGA Mainz kann alle fünf Minuten einen Puls mit einer Pulsbreite von 30 ms und einer Spitzenleistung von 250 MW erzeugen. Die erzeugten hohen UCN-Dichten im Puls werden den Anforderungen bei Speicherexperimenten ideal gerecht, da das Speichervolumen mit einer ähnlichen Frequenz gefüllt werden muss. Beeinträchtigungen durch Untergrund sind während der Datenaufnahme nicht vorhanden, da der Reaktor während der eigentlichen Messung ausgeschaltet ist. Ein weiteres Qualitätsmerkmal dieses Reaktors ist das niedrige magnetische Rauschen.

PRISMA bietet die notwendige Infrastruktur, um Langzeitexperimente mit einer UCN-Quelle am TRIGA Mainz durchzuführen. Ein Helium-Verflüssiger mit einer Kapazität von 14 l/h wurde im Herbst 2014 in Betrieb genommen und weiteres Personal wurde neu eingestellt, um einen Zweischichtbetrieb zu ermöglichen. Parallel hierzu wurde ein Upgrade der UCN-Quelle am Strahlrohr D [2] vorgenommen, wodurch die UCN-Dichte um das Dreieinhalbfache gesteigert werden konnte [3]. Messungen durch das Paul Scherrer Institut (PSI) mit einem standarisiertem Speicherzylinder von 32 Liter Volumen [4] lieferten einen Wert von 8,5 UCN pro Kubikzentimeter am Experiment [3].

Der Transfer der UCN von der Quelle zum Experiment ist ein wichtiger Punkt. Um eine hohe Transmissionseffizienz zu erreichen, werden mit einer am Institut für Physik aufgebauten Sputteranlage Neutronenleiter hoher Qualität (niedrige Verluste bei hohem Fermipotenzial) hergestellt, die sowohl für Experimente am TRIGA Mainz wie auch für andere UCN-Forschungseinrichtungen Verwendung finden. Besonders geeignet sind Neutronenleiter, die auf ihrer Innenseite mit Ni-58 beschichtet sind (höchstes Fermipotenzial).

Zurzeit wird das τSPECT-Experiment zur Messung der Lebensdauer des Neutrons am Strahlrohr D des TRIGA Mainz aufgebaut. τSPECT [/deu/1041.php] wird die Lebensdauer des freien Neutrons mittels magnetischer Speicherung messen. Dies wird über eine direkte Messung der Zerfallskurve über den Nachweis der Zerfallsprodukte aus dem Neutronenzerfall, Protonen und Elektronen, geschehen. Unabhängig davon kann die Lebensdauer noch über den Nachweis der verbliebenen Neutronen nach einer vorgegebenen Speicherzeit bestimmt werden Beide Verfahren sollten zum gleichen Ergebnis führen, vorausgesetzt man ist nicht durch Systematiken limitiert.

Darüber hinaus wurden am TRIGA Mainz eine Penning-Falle und ein Laserspektroskopie-Setup für die Untersuchung kurzlebiger Spaltprodukte installiert (TRIGA-SPEC, [5]), welche Hochpräzisionsmessungen an neutronenreichen Isotopen von astrophysikalischer Relevanz ermöglichen.

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[1] A. Frei, et al., First production of ultracold neutrons with a solid deuterium source at the pulsed reactor TRIGA Mainz, Eur. Phys. J. A 34, 119 (2007)
[2] J. Karch, et al., Performance of the solid deuterium ultra-cold neutron source at the pulsed reactor TRIGA Mainz, Eur. Phys. J. A, 50, 78 (2014)
[3] J. Kahlenberg, et al., Upgrade of the ultracold neutron source at the pulsed reactor TRIGA Mainz, arXiv:1706.07795, (2017)
[4] B. Lauss, D. Ries, et al., Comparison of ultracold neutron sources for fundamental physics measurements, Phys. Rev. C 95, 045503 (2017)
[5] S. Kaufmann, et al,. TRIGA-SPEC: the prototype of MATS and LaSpec, J. Phys. Conf. Ser. 599, 012033 (2015)