Das PSI hat eine der besten Neutronenquellen der Welt, die gerade auf den neuesten Stand der Technik gebracht wird. Der Leiter des Forschungsbereichs Neutronen und Myonen, Christian Rüegg, erklärt vor Ort, was das Neutronenverfahren so besonders macht.

Derzeit werden die Neutronenoptik und mehrere Instrumente an der SINQ aufgerüstet. (Fotos: Basil Stücheli/ETH-Rat)

Röntgen- oder Photonenstrahlen kennt man. Auch am PSI experimentieren Forschende mit Röntgenstrahlen. Christian Rüegg, Leiter des Forschungsbereichs Neutronen und Myonen, aber ist verantwortlich für eine andere Durchleuchtungsmethode, die mit Neutronen funktioniert. Die Spallationsneutronenquelle SINQ, die 2017 ihr 20-jähriges Bestehen feierte, liefert dafür diese Neutronen. Klassische Neutronenquellen sind Forschungsreaktoren, denn bei der Kernspaltung entstehen auch freie Neutronen. Die Gewinnung von Neutronen mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers, wie am PSI, ist aufwendiger. Die SINQ war die erste Anlage, die die Spallation nutzte, um einen kontinuierlichen Neutronenstrahl zu produzieren, und ist nach wie vor die stärkste ihrer Art.

Das Untersuchen von Proben mit Neutronen ist an sich nicht anders als das Röntgen: Auch mit einer Neutronenquelle kann man Gegenstände «durchleuchten», um in das Innere zu schauen. Oder man kann messen, wie die Neutronen beim Durchdringen einer Probe ihre Richtung ändern. Das wiederum lässt Rückschlüsse auf feinste regelmässige Strukturen bis hinunter auf die Ebene einzelner Atome zu. «Die Kunst besteht darin, die Neutronen sehr kontrolliert zu produzieren, sie auf die gewünschte Energie abzubremsen und zu fokussieren», erklärt Rüegg. Denn die Neutronentechnologie muss mit weniger Teilchen auskommen als die Röntgentechnologie. «Bei deren Selektion dürfen wir nicht so wählerisch sein, sonst haben wir am Ende zu wenig Teilchen und es fehlt die notwendige Intensität. Dafür ist die gewonnene Information einzigartig und besonders wertvoll.» Um möglichst alle erzeugten und gestreuten Teilchen aufzufangen, braucht es daher modernste Optik sowie besonders sensible und effiziente Detektoren.

«Wenn alles fertig umgebaut ist, werden wir die Quelle mit der besten Optik der Welt haben.»

Derzeit werden die Neutronenoptik – Neutronenleiter, die die Teilchen von der Quelle zu den Instrumenten transportieren – und mehrere Instrumente an der SINQ aufgerüstet. Ein neues Instrument, das Neutronenspektrometer CAMEA (Continuous Angle Multiple Energy Analysis), das das PSI zusammen mit der EPFL gebaut hat, ist schon fertig und auf optimale Ausbeute ausgelegt. Die Detektion sei «supereffizient». Rüegg freut sich: «Wenn alles fertig umgebaut ist, werden wir die Quelle mit der besten Optik haben und unsere Instrumente wie das CAMEA gehören zu den innovativsten der Welt.» Dafür greift man auf die Expertise des PSI-Spin-offs SwissNeutronics zurück, das die Neutronenoptik mit speziellen, für Neutronenstrahlen optimierten Fokussiereinheiteund Spiegeln fit für die Zukunft macht. Manche diese Spiegel haben bis zu 10 000 Metallbeschichtungen. So werden ab 2020 neuartige und viel genauere Messungen möglich. Entscheidend dafür sei nicht nur die wissenschaftliche Expertise, sondern vor allem das am PSI vorhandene technische Know-how, so Rüegg. Die Forschungsanstalt sei diesbezüglich ein Powerhouse mit den besten Wissenschaftlern und hervorragenden Technikern. So entstehen viele Anlagen im Eigenbau, um die hohen technischen Anforderungen zu gewährleisten und die innovativsten Ideen für neue Instrumente umzusetzen.

Forschende des ETH-Bereichs, von Schweizer Hochschulen und aus der Industrie weltweit haben an den PSI-Grossforschungsanlagen einzigartige Möglichkeiten, um Experimente durchzuführen. Die Neutronenstreuung wird oft komplementär zur Röntgenbeugung eingesetzt, zum Beispiel um die Position von Wasserstoff- oder Lithiumatomen zu bestimmen, die man beim Röntgen schwer sieht, oder um Strukturen und Prozesse in Metallteilen sichtbar zu machen. Das eröffnet Möglichkeiten für eine ganze Reihe von spezifischen Analyseanwendungen, von der Grundlagenforschung in Physik und Chemie bis zur Anwendung in Material- und Energieforschung oder in der Medizin. Hocheffizient ist die Technologie zum Beispiel in der Batterieforschung und beim In-situ-Beobachten von chemischen Prozessen. Noch interessanter macht Neutronen ihr magnetisches Moment. Neutronenstreuung ist daher eine wichtige Methode zur Untersuchung magnetischer Strukturen und Phänomene. Man kann Schichtstrukturen in Elektronikbausteinen sichtbar machen und ihnen quasi beim Schaltvorgang zusehen.

Christian Rüegg mit seinem Team (v.l.n.r.): Christian Kägi, Mechanik, Roman Bürge, Elektronik, und Dieter Graf, Konstruktion

Die eher schwache Wechselwirkung von Neutronen mit der zu untersuchenden Probe bleibt aber Fluch und Segen zugleich. Sie verunmöglicht im Moment zwar den Bau von Detektoren mit noch feinerer Auflösung und höherer Detektionseffizienz. Doch wenig Wechselwirkung bedeutet auch eine grosse Eindringtiefe und zerstörungsfreie Untersuchung, und diese sind unschätzbare Vorteile für viele Anwendungen, zum Beispiel bei der Untersuchung von grossen industriellen Metallteilen oder von einzigartigen Kunstgegenständen.