Ein Strahl aus freien Neutronen lässt sich entweder in einem Kernreaktor oder in einer Spallationsquelle generieren. In einer Spallationsquelle entsteht ein sogenannter gepulster Strahl: Man unterbricht den Strahl immer wieder und komprimiert so quasi die Neutronen zu kurzen, intensiven Bündeln. Dazu beschleunigt man zunächst Protonen, zum Beispiel in einem Linearbeschleuniger, und lässt sie mit einem Zielobjekt kollidieren – bei der ESS ist das ein elf Tonnen schweres Rad aus Wolfram. Durch den Aufprall werden Wolfram-Atome zerschlagen und Neutronen freigesetzt. Weil die Protonen gepulst auf das Zielobjekt geschossen werden, ist auch der Neutronenstrahl immer wieder unterbrochen. Bei den bestehenden Spallationsquellen wie der SNS in Oak Ridge, Tennessee (USA), sind die Protonenpulse sehr kurz – sie dauern etwa eine Mikrosekunde –, werden aber 60 Mal in der Sekunde wiederholt.
Die ESS ist die erste sogenannte Langpulsquelle und produziert nicht viele kurze, sondern wenige lange Pulse. Es entstehen Protonenstöße, die 2,86 Millisekunden dauern. Sie sind fast 3000 Mal so lang wie die Stöße der schon bestehenden Anlage SNS. Pro Sekunde gibt es davon 14.
Um mit dem Neutronenstrahl eine Probe untersuchen zu können, wird er zuerst in die richtige Form gebracht („moderiert”) und dann in ein Messinstrument geleitet, beispielsweise in ein Diffraktometer, bei dem der Strahl an der atomaren Struktur der Probe gebeugt wird. Winkel und Intensität des gebrochenen Strahls geben Auskunft über die Eigenschaften des Materials – zum Beispiel dessen Kristallstruktur.
