TRIGA Reaktor und Neutronenquelle

Ultrakalte Neutronen (UCNs) bieten einzigartige Möglichkeiten für die Untersuchung der Eigenschaften des freien Neutrons mit außergewöhnlich hoher Präzision. Eigenschaften wie seine Lebensdauer können mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden.  

Neue UCN-Quellen sind momentan an verschiedenen Forschungszentren weltweit im Bau. Im Vordergrund steht die Bewältigung der bestehenden Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Zählrate. Reaktoren mit niedriger Leistung, wie die TRIGA-Anlage, sind inhärent sicher und gleichzeitig sehr wettbewerbsfähig. Der Reaktor kann alle fünf Minuten einen Puls mit einer Spitzenleistung von 250 MW erzeugen, dessen hohe UCN-Dichte den Anforderungen der Speicherexperimente ideal gerecht wird, da das Speichervolumen mit einer ähnlichen Frequenz gefüllt werden muss. Mit einer vor kurzem in der TRIGA-Anlage installierten super-thermischen UCN Quelle [1] wurde eine Dichte von 10 UCN/cm3 in einem Speichervolumen von 10 Litern erreicht [2]. Beeinträchtigungen durch Untergrund während der Datenaufnahme sind im Wesentlichen nicht vorhanden, da der Reaktor während der Messung ausgeschaltet ist. Ein weiteres Qualitätsmerkmal dieses Reaktors ist das niedrige magnetische Rauschen.  

Unser langfristiges Ziel ist es, eine UCN-Dichte von ~100/cm3 zu erreichen. PRISMA bietet die notwendige Infrastruktur, um Langzeitversuche in einer Einrichtung durchzuführen, die bestens für UCN-Speicherexperimente geeignet ist. Ein Helium-Verflüssiger mit einer Kapazität von 14 l/h wurde im Herbst 2014 in Betrieb genommen und weiteres Personal für einen User-Betrieb wurde neu eingestellt. Parallel hierzu wird am Upgrade der UCN-Quelle gearbeitet um von einer Dichte von momentan 10 UCN/cm3 auf zukünftig ~50/cm3 zu kommen.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Transfer der UCN von der Quelle zum Experiment. Um eine hohe Transmissionseffizienz zu erreichen, wird am Institut für Physik eine Sputteranlage betrieben. Mit dieser werden Neutronenleiter hoher Qualität (niedrige Verluste bei hohem Fermipotenzial) hergestellt, die sowohl für Experimente am TRIGA wie auch für andere UCN-Forschungseinrichtung Verwendung finden. Besonders erwähnenswert ist hier die Herstellung von Neutronenleitern, die auf ihrer Innenseite mit 58Ni beschichtet sind, dem am besten geeigneten Material für die Neutronenleitung (höchstes Fermipotenzial). Die Beschichtung des Extraktionsvolumens der UCN-Quelle spielt bei der Erhöhung der maximalen UCN-Dichte eine entscheidende Rolle.

Zurzeit wird das τSPECT Experiment zur Messung der Lebensdauer des Neutrons im Bereich D der TRIGA Halle aufgebaut. τSPECT 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. Das τSPECT Experiment kann zügig entwickelt und aufgebaut werden, da es auf dem erfolgreichen aSPECT Experiment aufbaut und viele seiner Komponenten weiter verwendet werden. Darüber hinaus wurden eine Penning-Falle und ein Laserspektroskopie-Setup für die Untersuchung kurzlebiger Spaltprodukte installiert (TRIGA-SPEC, [3]), 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, Yu.Sobolev, M.Beck, K.Eberhardt, G.Hampel, W.Heil, R.Kieser, T.Reich, N.Trautmann, and M.Ziegner, Performance of the solid deuterium ultra-cold neutron source at the pulsed reactor TRIGA Mainz, Eur. Phys. J. A, 50 (2014), 78
[3] J. Ketelaer et al., TRIGA-SPEC: A setup for mass spectrometry and laser spectroscopy at the research reactor TRIGA Mainz, Nucl. Instr. Meth. A594, 162 (2008).