Die Wechselwirkung von Neutronen mit Materie weicht sehr stark von der geladener Teilchen ab, was sie für viele Einsatzgebiete im Bereich der Forschung und Industrie interessant macht. Um Neutronen für die unterschiedlichsten Anwendungen zur Verfügung zu stellen, müssen sie durch Kernreaktionen erzeugt werden. Dies kann zum Beispiel in beschleunigerbasierten Spallationsquellen oder in Kernreaktoren geschehen, wo sehr hohe Neutronenflüsse erreicht werden können.

Herkömmliche Neutronenquellen könnten in Zukunft durch eine neue Art der Neutronenerzeugung ergänzt werden. Diese beruht auf dem Prinzip der nuklearen Wechselwirkung laserbeschleunigter Ionen mit einem Konvertermaterial, einem sogenannten Catcher. Je nach Art der Wechselwirkung werden die Neutronen isotrop, oder mit einer Tendenz in die Propagationsrichtung der einfallenden Ionen (im Folgenden "Vorwärtsrichtung" genannt) abgestrahlt. Die Winkelverteilung der emittierten Neutronen ist demnach eine Überlagerung der isotropen Verteilung mit einem vorwärts gerichteten Neutronenstrahl.

Das Energiespektrum einer lasergetriebenen Neutronenquelle zeigt ein exponentiell abfallendes Verhalten mit Maximalenergien im Bereich von einigen 10 MeV bis hin zu über 100 MeV. Jedoch ist für einige Anwendungen ein erhöhter Neutronenfluss im epithermischen Energiebereich von etwa 0.1 eV bis 100 keV wünschenswert. Dazu gehört beispielsweise die Neutronenresonanzspektroskopie, da viele Elemente ausgeprägte Resonanzen bei diesen Energien aufweisen. Um das Energiespektrum einer laserbasierten Neutronenquelle für diese Anwendungen anzupassen, wird ein Zusatzmaterial eingesetzt, welches den hochenergetischen Teil des Spektrums moderieren und so den Neutronenfluss im epithermischen Bereich erhöhen soll.

Die vorgelegte wissenschaftliche Arbeit beschäftigt sich mit der Einsetzbarkeit einer lasergetriebenen Neutronenquelle bezüglich gebräuchlicher Anwendungen für Neutronen im hoch- und niederenergetischen Bereich. Zunächst wird die für Anwendungen unabdingbare Erzeugung konstant hoher Neutronenflüsse mit dieser Quelle untersucht. Dafür wird der Neutronenfluss in die Vorwärtsrichtung erhöht und die Gesamtzahl der Neutronen für mehrere Laserschüsse gemessen. Auf dieser Basis wird anschließend anhand einer statischen Indiumprobe die Anwendbarkeit der Neutronenquelle für Neutronenresonanzspektroskopie überprüft. Wie auch viele andere Elemente, besitzt Indium Resonanzen im epithermischen Energiebereich. Aus diesem Grund schließt die Studie, neben der eigentlichen Auswertung des Neutronenspektrums nach Durchlaufen der Indiumprobe, zunächst eine Moderierung des Neutronenspektrums und dessen Analyse mit ein.

Der Nachweis der Schuss-zu-Schuss Reproduzierbarkeit einer laserbasierten Neutronenquelle wurde am PHELIX Laser (engl. Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion EXperiments) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt durchgeführt. Der Laser wies eine Energie von 200 J, eine Pulslänge von 500 fs und eine Intensität im Bereich von 10^20 W/cm^2 auf. Er wurde auf dünne Polymerfolien mit Dicken zwischen 400 und 1200 nm fokussiert. Zur Neutronenerzeugung wurde ein Berylliumkonverter verwendet. Mit dieser Konfiguration konnte eine mittlere Gesamtneutronenzahl von (5.25±0.77)·10^10 Neutronen pro Laserschuss erzielt werden. Die räumliche Verteilung der Neutronen wurde mit bis zu 30 speziellen Neutronendosimetern (sogenannten Bubbledetektoren) gleichzeitig vermessen, um eine hohe Auflösung zu erreichen. Das Ergebnis dieser Messungen zeigt einen gerichteten Neutronenstrahl in die Vorwärtsrichtung, der einen Öffnungswinkel von (100±2)° aufweist. Die höchste gemessene Neutronenzahl in Vorwärtsrichtung beträgt (1.42±0.25)·10^10 Neutronen pro Steradiant, was einen Anstieg von 40% gegenüber dem höchsten bisher publizierten Wert darstellt.

Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Moderierung des Energiespektrums einer lasergetriebenen Neutronenquelle und dessen anschließender Anwendung für Neutronen-resonanzspektroskopie an einer Indiumprobe. Das zugehörige Experiment wurde an der Trident laser facility am Los Alamos National Laboratory (LANL) in den USA durchgeführt. Die Kurzpulskonfiguration dieses Systems bietet eine maximale Laserenergie von 80 J auf dem Target und eine Pulslänge von 500 fs mit einer Intensität von 10^20 W/cm^2. Für die Beschleunigung der Ionen wurden dünne Polymerfolien verwendet, deren Dicken im Bereich von einigen 100 nm lagen. Der Konverter war in einen Block aus hochdichtem Polyethylen eingelassen, der als Moderator eingesetzt wurde. Zur Detektion des Neutronenspektrums wurde eine mit Bor dotierte Mikrokanalplatte (engl. microchannel plate, MCP) eingesetzt. Nach erfolgreicher Moderierung der Neutronen, die im Bereich der Indiumresonanz einen Faktor 3 höhere Neutronenzahlen ergab, wurde eine Indiumprobe direkt vor der MCP platziert. Das Ergebnis der Vermessung des Transmissionsspektrums bei einem einzelnen Laserschuss zeigt eine Resonanz mit einer Energie von (1.61±0.19) eV und einer Breite von (0.25±0.16) eV. Diese Werte stimmen sehr gut mit denen der Indiumresonanz bei 1.46 eV überein.

Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wird gezeigt, dass eine laserbasierte Neutronenquelle dem Anspruch konstant hoher Neutronenflüsse genügt, was maßgeblich für aussagekräftige und verlässliche Messungen in verschiedenen Anwendungen ist. Außerdem kann erstmalig die erfolgreiche Moderierung des Energiespektrums und die Einsetzbarkeit einer lasergetriebenen Neutronenquelle für Resonanzspektroskopiemessungen an statischen Objekten verifiziert werden.