Investigation of neutron production by pyroelectric ion acceleration

Abstract

Hochsensible Experimente zur direkten Suche nach Dunkler Materie wie zum Beispiel CRESST werden mit Neutronen kalibriert. Dafür verwendet man bislang radioaktive Isotope oder kleine Linearbeschleuniger. Beide Möglichkeiten sind unvorteilhaft für ein Experiment wie CRESST, da radioaktive Substanzen die Gefahr einer Kontamination bergen und normalerweise die Erzeugung der notwendigen Hochspannung für herkömmliche Kleinstbeschleuniger die Elektronik so stört, dass eine Messung unmöglich wird. Abhilfe schafft die Hochspannungserzeugung mit Hilfe eines pyroelektrischen Kristalls, beispielsweise Lithiumtantalat. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass man die Temperaturabhängigkeit der spontanen Polarisierung von Lithiumtantalat ausnutzen kann, um Spannungen von mehr als 120.000 Volt zu erzeugen. Mit dieser Hochspannung kann nun durch Feldüberhöhung an Nanospitzen eine Feldstärke generiert werden, die Tunnel- und Feldionisation von Deuteriummolekülen in der Nähe der Spitze ermöglicht. Hat die Hochspannung die benötigte Polarität, kann ein entstandenes Ion auf Material beschleunigt werden, welches bereits weiteres Deuterium enthält, zum Beispiel deuteriertes Polyethylen (CD2 ). Dort findet mit energieabhängiger Wahrscheinlichkeit eine Kernfusionsreaktion statt, bei der monoenergetische Neutronen mit einer kinetischen Energie von 2,45 MeV durch die Reaktion D(D,n)3 He erzeugt werden. Die im hier verwendenten Aufbau theoretisch maximal erreichbare Neutronenrate für eine Beschleunigungsspannung von 100 kV liegt bei ca. 200 Neutronen pro Sekunde, eine realistische Berechnung ergab jedoch ca. 1-10 Neutronen pro Sekunde. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Prototyp eines solchen pyroelektrischen Ionenbeschleunigers aufgebaut und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass eine pyroelektrische Hochspannung verlässlich und reproduzierbar generiert werden kann. Es wurden Wolframspitzen und Kohlenstoffnanoröhrchen auf ihre Ionisationseigenschaften hin untersucht. Ein Ionenstrom von bis zu 1.2 nA wurde auf dem Zielmaterial nachgewiesen. Es wurde ein Neutronendetektorsystem aufgebaut, welches in der Lage ist, selbst kleinste Neutronenflüsse, die mit dem Beschleuniger produziert werden, nachzuweisen. Die absolute Neutronennachweiswahrscheinlichkeit für Neutronen aus der Fusionsreaktion beträgt derzeit ca. 2.5%. Durch eine geschickte Analyse kann die Nachweisgrenze für den Neutronenfluss weiter gesenkt werden. Geeignete Analysemethoden wurden entwickelt und werden in dieser Arbeit diskutiert. Es konnte eine mittlere erzeugte Neutronenrate von etwa 0.5 n/s nachgewiesen werden.

Highly sensitive experiments for direct Dark Matter searches, for example the CRESST experiment, are calibrated using neutrons. For this purpose one usually uses radioactive isotopes or tabletop linear accelerators. Both methods are not desirable in a CRESST-like experiment, because a radioactive source could cause contamination and the high voltage power supplies necessary for small accelerators disturb the detectors and electronics because of which measuring is no longer possible. A solution would be the high voltage generation using a pyroelectric crystal such as Lithiumtantalate. In this work it has been shown, that Lithiumtantalate generates high voltages of above 120,000 volt. Using this high voltage for field enhancement on nanotips, a sufficiently high field strength can be generated to allow field and tunneling ionization of deuterium molecules near the tip. If the high voltage has the correct polarity, the ions can be accelerated towards a deuterated target, for example deuterated polyethylene (CD2 ). On the target D(D,n)3 He fusion is expected to take place with an energy dependent probability, producing monoenergetic neutrons with a kinetic energy of 2.45 MeV. The theoretical limit for neutrons produced with 100 kV acceleration voltage is almost 200 per second, however a realistic calculation resulted in about 1-10 neutrons per second. During this work a prototype of a pyroelectric accelerator was built and characterized. It was shown that a pyroelectric high voltage could be generated reliably with high reproducibility. Tungsten nanotips and carbon nanotubes were investigated with respect to their ionization properties. An ion current up to 1.2 nA was measured on target. A neutron detector system has been set up allowing to detect extremely low neutron fluxes generated in the accelerator. The absolute detection efficiency for neutrons created by the fusion reaction is presently at 2.5%. With suitable analysis tools which were developed during this work, the detection threshold for neutrons could be lowered further. These tools are also discussed during this work. A mean generated neutron rate of approximately 0.5 n/s has been detected.