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Die
Erfindung betrifft ein neutronenoptisches Bauelement zur Fokussierung
eines Neutronenstrahls sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Zur
Durchführung von Untersuchungen mittels Neutronenstrahlen
ist es bei bestimmten Experimenten erforderlich, dass der bereitgestellte
Neutronenstrahl auf eine Probe fokussiert wird.
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Zur
Fokussierung eines Neutronenstrahls wurden bisher verschiedene Lösungen
beschrieben. Bisher haben sich insbesondere vier Prinzipien zur Fokussierung
eines Neutronenstrahls etabliert.
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Um
eine Ablenkung des Neutronenstrahls zu erreichen, können
Glaskapillarrohre verwendet werden, die gebogen sind, wie es von M.
A. Kumakhov und V. A. Sharov in Nature 357 (1992) Seite 390 beschrieben
wird. Durch Verwendung eines Bündels von solchen Neutronenkapillarrohren,
die unterschiedlich stark gebogen und unterschiedlich dick sind,
kann eine Fokussierung des Neutronenstrahls erreicht werden. Derartige
Anordnungen haben allerdings einen geringen Wirkungsgrad, da wegen
des geringen kritischen Winkels von Glas und dem begrenzten Anteil
des Rohrquerschnitts an der gesamten Eintrittsfläche nur
ein Teil des Neutronenstrahls durch die Kapillarrohre geleitet und
somit fokussiert wird.
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Eine
andere Methode arbeitet mit Spiegelsystemen. So ist beispielsweise
in PHYSICA B 283 (2000) Seiten 330 bis 332 von B. Alefeld
et. al. in „X-ray space technology for focusing small-angle neutron
scattering and neutron reflectometry" eine Neutronen–Kleinwinkelstreuanlage
beschrieben, bei der ein doppelt-fokussierender Spiegel verwendet wird,
der ein eins-zu-eins Bild des Eingangs auf dem Detektor abbildet.
Diese Fokussierungstechnik ist zwar seit 50 Jahren bekannt, ist
aber erst vor kurzem durchführbar geworden, da jetzt sehr
glatte Spiegeloberflächen für Röntgenstrahlmikroskope
hergestellt werden können und die gleiche Technik auch
für die Herstellung von Neutronenspiegel genutzt wird.
Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen insbesondere in der notwendigen
hohen Präzision bei der Herstellung der verwendeten Spiegel,
die hohe Kosten bedingen, und der Länge der Spiegel von
einigen Metern.
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Eine
weitere Methode zur Fokussierung eines Neutronenstrahls besteht
in der Verwendung von magnetischen Linsen zur Strahlablenkung. Dieses Verfahren
wird z. B. in PHYSICA B 283 (2000) Seiten 314 bis 317 „Neutron
lens and prism" von T. Oku und H. M. Shimizu beschrieben.
Dort wird eine magnetische Neutronenlinse beschrieben, die einen
sechspoligen und einen vierpoligen Dauermagneten aufweist. Die Fokuslänge
beträgt beispielsweise 2 m für den untersuchten
Wellenlängenbereich von 1,4 nm. Der Nachteil dieser Methode
besteht insbesondere darin, dass die Fokuslänge beispielsweise
für eine Wellenlänge von 0,4 nm ca. 20 m betragen
würde. Eine weitere, oft nicht erwünschte Eigenschaft
dieser Methode ist, dass nur eine Spinkomponente fokussiert wird,
wodurch die Hälfte des Strahls verloren geht.
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Eine
weitere Methode besteht in der Verwendung von Fresnellinsen. InPHYSICA
B 350 (2004) Seiten 775 bis 778 wird von T. Adachi et. al. in „Possible
application of compound Fresnel lens for neutron beam focusing"eine
derartige Fokussiervorrichtung für kalte Neutronen beschrieben,
bei der eine Fresnellinse aus einzelnen Magnesiumfluorid-Kristallen
verwendet wurde. Diese Vorrichtung besteht aus 50 strahlbeugenden
Elementen und weist eine Focuslänge von 5 m für
einen Neutronenstrahl mit einer Wellenlänge von 1,14 nm
auf.
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Der
Nachteil von Fresnellinsen besteht darin, dass deren Herstellung
sehr kompliziert und aufwändig ist. Weiterhin weisen diese
Systeme hohe Verluste auf, da viel Material durchdrungen werden
muss, was eine hohe Absorption bedingt.
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In Nature
391 (Februar 1998) Seiten 563 bis 566 beschreibt M. R. Eskildsen
et. al. in „Compound refractive optics for the imaging
and focusing of lowenergy neutrons" eine Vorrichtung für
die Neutronenoptik, die entweder die Bragg-Beugung, mit gebogenen
Kristallen, oder die Reflexion, wie in den Spiegelanordnungen oder
ein Kumakhov Objektiv ausnutzten. Die brechende Optik bleibt eine
attraktive Alternative, da sie die volle Ausnutzung des Strahlquerschnitts
ermöglicht, und wegen der Ähnlichkeit zur herkömmlichen
Optik, da sie den Gebrauch der bekannten Design- und Simulationswerkzeuge
ermöglicht. Trotz dieser Vorteile hat die brechende Optik bisher
als unpraktisch gegolten, da sie zu schwach fokussiert, zu stark
absorbiert und zu zerstreuend wirkt. Durch die Realisierung eines
zusammengesetzten brechenden Objektivs (CRL) für energiereiche
Röntgenstrahlen, wurde es auch möglich, einen Prototypen
CRL für Neutronen mit Wellenlängen von 9–20-Å zu
bauen, der eine fokale Länge von 1–6 m aufweist.
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Die
ersten beiden der vorgenannten Verfahren sind achromatisch, die
beiden anderen chromatisch. Chromatisch heißt, dass der
Neutronenstrahl wellenlängenabhängig unterschiedlich
gebrochen wird.
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In
der
EP 1 035 422 wird
zur Neutronenstrahlregulierung und zur Messung der Neutronenenergie
eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Neutronen an geneigten
Flächen eines anderen Mediums, das durchdrungen wird, gebrochen
werden. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl mehrschichtiger Elemente
auf, wobei jedes der Elemente auf seiner Oberfläche hervorstehende
Teile aufweist und wobei jedes der hervorstehenden Teile eine geneigte
und eine ungefähr normal zum Element stehende Fläche besitzt.
Aus der Ablenkung der Neutronen durch diese Vorrichtung wird auf
die Energie der Neutronen geschlossen. Bei einer konzentrischen
Anordnung dieser geneigten Flächen um die Strahlachse ist
eine Fokussierung des Neutronenstrahls oder auch eine Zerstreuung
möglich.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, mit
der die Fokussierung eines Neutronenstrahls möglich ist,
die kompakt ist, eine geringe Fokuslänge aufweist, geringe
Absorptionsverluste hat und kostengünstig hergestellt werden
kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Anordnung
zur Fokussierung eines Neutronenstrahls weist in Flugrichtung der Neutronen
hintereinander angeordnete Prismen auf, die einen anderen Brechungsindex
als das umgebende Medium haben, wodurch eine Brechung des Neutronenstrahls
an den Flanken der Prismen erfolgt. Die Grundflächen der
Prismen sind in Flugrichtung der Neutronen (x-Achse) angeordnet,
die Mittelsenkrechten der Prismen stehen quer zur Flugrichtung der
Neutronen (in y-Richtung), und die Spitzen der Prismen sind in Richtung
auf die Strahlachse ausgerichtet. Die beiden Flanken der Prismen
weisen jeweils einen von Null verschiedenen Anstellwinkel zur Grundfläche
der Prismen als auch zum Neutronenstrahl auf, wodurch eine Brechung
des Neutronenstrahls an jeder der beiden Flanken jedes einzelnen
Prismas erfolgt. Der Einzelbrechungswinkel des Neutronenstrahls
an jeder Flanke eines Prismas hängt vom Kontrast des Brechungsindexes
des verwendeten Materials zum Brechungsindex des umgebenen Materials
dem Anstellwinkel der Flanken ab. Da das umgebende Material meist
Luft oder Vakuum ist, wird im Folgenden nur noch vom Brechungsindex des
Prismenmaterials gesprochen. Somit wird der Gesamtbrechungswinkel
von der Anzahl der in einer Ebene hintereinander angeordneten Prismen
bestimmt. Die Länge der Einzelprismen (z-Richtung) wird
so gewählt, dass der gesamte Strahldurchmesser des zu fokussierenden
Neutronenstrahls abgedeckt wird.
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Damit
eine Fokussierung des Neutronenstrahls mit der vorgestellten Anordnung
möglich ist, müssen die Neutronen, die einen großen
Abstand von der Strahlachse aufweisen, stärker gebrochen werden,
als die Neutronen, die einen kleinen Abstand von der Strahlachse
aufweisen, während die Neutronen, die sich entlang der
Strahlachse bewegen, nicht gebrochen werden sollen. Um eine Fokussierung
in einer Dimension (Linienfokus) zu erreichen, werden mehrere Ebenen
von Prismen im Neutronenstrahl angeordnet, wobei die einzelnen Ebenen
eine unterschiedliche Anzahl von Einzelprismen aufweisen. Dabei
nimmt die Anzahl der Prismen je Ebene mit dem Abstand von der Strahlachse
zu. Die einzelnen Prismenebenen sind symmetrisch zur Strahlachse angeordnet.
Die Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls weist, in
Abhängigkeit von der Stärke der einzelnen Prismenebenen,
so viele einzelne Ebenen mit Prismen (y-Richtung) auf, dass der
gesamte Strahldurchmesser abgedeckt ist.
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Die
Anzahl der in jeder Ebene anzuordnenden Einzelprismen sowie die
Anzahl der notwendigen Prismenebenen lassen sich für das
verwendete Material einfach mathematisch ermitteln. Der je Prismenebene
erforderliche Gesamtbrechungswinkel ergibt sich aus der Fokuslänge
und dem Abstand von der Strahlachse. Der erforderliche Gesamtbrechungswinkel
ist außerdem vom Einfallswinkel des Neutronenstrahls abhängig,
also davon ob ein paralleler Neutronenstrahl fokussiert wewerden
soll oder ein von einem Punkt bzw. Schlitz ausgehender Strahl fokussiert
werden soll und wie groß der Abstand zwischen der Strahlenquelle
und der Anordnung ist.
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Der
Brechungswinkel nimmt mit abnehmendem Anstellwinkel der Prismen
zu. Dadurch wird eine stärkere Brechung an einem Prisma
mit geringem Anstellwinkel erreicht, wobei dieses Prisma aber eine breitere
Grundfläche aufweist. Dadurch können aber auf
einer vorgegebenen Längeneinheit weniger Prismen angeordnet
werden, so dass weniger Flanken durchquert werden und somit weniger
Einzelbrechungen stattfinden. Da beide Effekte im betrachteten Winkelbereich
nahezu linear verlaufen, ist die Ablenkung (Gesamtbrechungswinkel)
des Neutronenstrahls je Längeneinheit nahezu unabhängig
vom Anstellwinkel der Prismenflanken.
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Um
die Zahl der brechenden Kanten und damit den Gesamtbrechungswinkel
zu maximieren, muss daher die Höhe der Prismen minimiert
werden.
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Die
Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls weist einen Rahmen
auf, in den die einzelnen Prismenebenen eingeschoben werden, damit eine
kompakte und robuste Vorrichtung realisiert ist, die in den Neutronenstrahl
eingebracht und exakt positioniert werden kann.
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Das
für die Prismen verwendete Material weist eine möglichst
geringe Absorption für Neutronen auf.
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Als
Material für die Prismen wird vorzugsweise Pb, C, MgF2 verwendet.
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Damit
die Ebenen mit den Einzelprismen leicht hergestellt werden können,
soll das Material leicht zu bearbeiten sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Anordnung können den Unteransprüchen entnommen
werden.
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Mir
der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren vorgeschlagen,
das geeignet ist, die vorgestellte Anordnung zur Fokussierung eines
Neutronenstrahls in einer Dimension einfach und kostengünstig
herzustellen. An die Prismen und deren Flanken, an denen der Neutronenstrahl
gebrochen wird, werden keine hohen Anforderungen an die Präzision gestellt,
und es sind relativ große Toleranzen zulässig,
da der Einzelbrechungswinkel an einer Flanke je nach Material typischerweise
weniger als 0.001° beträgt. Wird als Material,
aus dem die Prismen bestehen, ein leicht verformbares Material verwendet,
können die einzelnen Prismen durch Prägen erzeugt werden.
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Mit
einem entsprechenden Werkzeug wird jeweils aus einer Platte eine
Prismenebene geprägt. Dabei weist die verwendete Platte
eine Breite auf, die der Länge (z-Achse) der Einzelprismen
entspricht und erforderlich ist, um den Strahldurchmesser abzudecken
und darüber hinaus zwei seitliche Stege anzuordnen, die
die Einzelprismen untereinander verbinden.
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Die
verwendete Materialplatte, aus der die jeweilige Prismenebene geprägt
wird, weist eine Stärke auf, die der halben Höhe
der Einzelprismen entspricht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird
das gesamte Material durch das Prägewerkzeug in die Einzelprismen
gedrückt, so dass kein Material übrig bleibt.
Die Einzelprismen einer Prismenebene stoßen mit ihren Grundflächen
aneinander und sind lediglich durch die beiden außen angeordneten
Stege miteinander verbunden und bilden somit die entsprechende Prismenebene.
Da die beiden Stege nicht bearbeitet werden, weisen sie die halbe
Höhe der Einzelprismen auf. Damit die einzelnen Prismenebenen
zu der erfindungsgemäßen Anordnung zusammengefügt
(gestapelt) werden können, müssen die seitlichen
Stege der Höhe der Prismen entsprechen. Dies lässt
sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die nicht bearbeiteten
Stege der Platte die doppelte Breite der benötigten Stegbreite
aufweisen und durch Umklappen der halben Breite auf den innen liegenden
Steg, der die Prismen verbindet, ein Steg entsteht, der eine Stärke
hat, die der Höhe der Prismen entspricht.
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In
einer anderen Ausführung werden Streifen eines anderen
Materials, z. B. eines steiferen Materials, dessen Stärke
ebenfalls der halben Prismenhöhe entspricht, zwischen die
Stege der jeweiligen Prismenebenen gelegt.
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Dadurch
wird erreicht, dass beim Stapeln der Prismenebenen sich die Prismen
der jeweils benachbarten Prismenebenen gerade berühren.
Nachdem alle Prismenebenen für eine Anordnung geprägt sind,
werden die Platten, beginnend von einer Außenseite (mit
der Strahlachse am weitesten entfernten Prismenebene) in den Rahmen
eingeschoben, und abschließend werden alle Prismenebenen
miteinander verspannt und im Rahmen fixiert. Da die Prismenebenen
wegen der unterschiedlichen Anzahl von Prismen auch unterschiedlich
lang sind, müssen beim Stapeln der Prismenebenen Distanzstücke
verwendet werden, die in Fortsetzung der Stege jeweils zwischen
dem Ende des Steges der jeweiligen Prismenebene und der Eingangs-
und/oder der Ausgangsebene der Anordnung eingelegt werden, damit die
gesamte Anordnung eine ausreichende Festigkeit aufweist und die
Prismenebenen miteinander verspannt werden können.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen
darin, dass einerseits hohe Intensitätsgewinne zu erreichen
sind und andererseits diese Anordnung sehr kostengünstig
mit einfachen Werkzeugen hergestellt werden kann. Bei der Fokussierung
eines parallelen Neutronenstrahls in einer Dimension wird ein Intensitätsgewinn
von etwa einem Faktor 10 erreicht. Bei der Fokussierung eines Neutronenenstrahls,
der von einer schlitzförmigen Strahlenquelle ausgeht, beträgt
der Intensitätsgewinn sogar etwa den Faktor 15. Dieser
Faktor gibt die Flusserhöhung am Fokusort über
die Breite einer Prismenhöhe bei Vewrwendung dieser Anordnung
gegenüber der Intensität ohne Verwendung dieser
Anordnung.
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Die
kostengünstige Herstellung resultiert insbesondere daraus,
dass an die Prismen keine hohen Anforderungen an die Präzision
gestellt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben. Die zugehörigen Figuren zeigen:
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1:
Schema der Fokussierung durch die Anordnung
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2: Anordnungen zur Fokussierung eines von
einem Schlitz ausgehenden Neutronenstrahls
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3:
Einzelprisma zur Fokussierung eines Neutronensrahls
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4:
Darstellung einer Prismenebene in Draufsicht (in x-z-Richtung) und
Schnitt A-A' (in x-y-Richtung)
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Anhand
der 1 wird schematisch dargestellt wie ein Neutron
N an den beiden Flanken PF1, PF2 der Prismen P von seiner Flugbahn
abgelenkt wird. Dieses Beispiel wird für einen parallelen
Neutronenstrahl mit einer Wellenlänge von 0,48 nm und Pb als
Material, aus dem die Prismen P bestehen, sowie Vakuum als umgebendes
Medium beschrieben. Weiterhin weisen die Flanken PF1, PF2 der einzelnen Prismen
P jeweils einen Anstellwinkel von 45° auf. Somit ergibt
sich ein Brechungswinkel von 0.00138° je Prisma P, da der
Neutronenstrahl an jeder Flanke PF1, PF2 mit dem gleichen Winkel
abgelenkt wird.
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Die 1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bei der alle
Prismenebenen E mit Prismen P, unabhängig von der Anzahl
von Prismen P in den jeweiligen Prismenebenen E an der Austrittsseite
A der Anordnung enden. Zur besseren Übersichtlichkeit sind
nicht alle Prismenebenen E und nicht alle Prismen P einer Prismenebene
E dargestellt. So sind nur die Prismenebenen E1 bis E4 sowie E11
und E12 dargestellt und die übrigen Prismenebenen sind
nicht dargestellt. Ebenso sind nur die ersten und die letzten Prismen
P einer jeweiligen Prismenebene E dargestellt. In 1 ist
schematisch dargestellt, wie die Fokussierung eines Neutronenstrahls
erreicht wird. Ein erstes Neutron N1, das sich auf der Strahlachse
SA bewegt, trifft auf keine Flanke eines Prismas, so dass dieses
Neutron die Anordnung ohne Ablenkung wieder verlässt. Ein zweites
Neutron N2 trifft auf die erste Flanke PF111 des
ersten Prismas P11 der ersten Prismenebene
E1 und wird dort mit einem Winkel von 0.00069° von seiner
Flugbahn in Richtung auf die Strahlachse SA abgelenkt wird. Beim
Verlassen des ersten Prismas P11 wird dieses
Neutron N2 an der zweiten Flanke PF211 des
ersten Prismas P11 wieder mit einem Winkel
von 0.00069° von seiner Flugbahn in Richtung auf die Strahlachse
SA abgelenkt, so dass das Neutron N2 an diesem Prisma P11 eine Ablenkung von 0.00138° erfahren
hat. Mit diesem Winkel zur Strahlachse SA trifft das Neutron N2
im Fokus F auf die Strahlachse SA. Ein drittes Neutron N3 trifft
beispielsweise auf die erste Flanke PF114 des
ersten Prismas P14 der vierten Prismenebene
E4 und verlässt das erste Prismas P14 an
der zweiten Flanke PF214 wieder. Danach
trifft es auf die erste Flanke PF124 des
zweiten Prismas P24 und anschließend
auf die zweite Flanke PF224 des zweiten
Prismas P24 in der vierten Prismenebene
E4. Das Neutron N4 verlässt die vierte Prismenebene E4
durch die zweite Flanke PF2n4 des n-ten Prismas
Pn der vierten Prismenebene E4 mit einem Winkel
von n·0.00138°. Mit diesem Winkel zur Strahlachse
SA trifft das Neutron N4 im Fokus F auf die Strahlachse SA. Ein
Neutron N12, das sich am äußeren Rand des Neutronenstrahls,
mit dem größten Abstand zur Strahlachse SA bewegt,
trifft auf das erste Prisma P112 der 12.
Prismenebene E12 und verlässt die 12. Prismenebene durch
das 230. Prisma P23012. Dabei wurde das
Neutron N12 an insgesamt 460 Flanken abgelenkt, so dass dieses Neutron
N12 mit einem Winkel von 0,32° die Anordnung am Ausgang A
verlässt. Mit diesem Winkel zur Strahlachse SA trifft das
Neutron N12 im Fokus F auf die Strahlachse SA.
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Da
die Anordnung symmetrisch zur Strahlachse SA aufgebaut ist, erfolgt
die Ablenkung der Neutronen N, die auf die spiegelbildlich angeordneten
Prismenebenen E treffen, analog und ebenfalls in Richtung auf die
Strahlachse SA.
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Somit
treffen alle Neutronen N, die die Anordnung durchlaufen, im Fokus
F auf die Strahlachse SA. Da die Ablenkung nur in einer Dimension
erfolgt, bilden die Neutronen, die als paralleler Neutronenstrahl
auf den Eingang NN der Anordnung treffen hinter der Anordnung einen
linienförmigen Fokus.
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Werden
zwei analoge Anordnungen hintereinander, um 90° gegeneinander
gedreht und mit entsprechend angepassten Fokuslängen FL
angeordnet, kann auch ein kreisförmiger Fokus erzeugt werden.
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Weiterhin
wird anhand der 1 beschrieben, wie die erfindungsgemäße
Anordnung dimensioniert wird. Der Neutronenstrahl weist eine Strahlbreite
von 16,8 mm auf. Wenn der Linienfokus ca. 1,5 m hinter der Anordnung
liegen soll, ergibt sich der Gesamtbrechungswinkel an der Außenkante
(für die beiden äußeren Prismenebenen)
der Anordnung von 0,32°. Daraus lässt sich die
Anzahl der Prismen für die beiden äußeren
Prismenebenen ermitteln. Für das gewählte Beispiel
beträgt die Zahl der Einzelprismen, bei einer Prismenhöhe
von 0,7 mm, in den beiden äußeren Prismenebenen,
die den größten Gesamtbrechungswinkel aufweisen
müssen, ca. 230 Prismen. Dabei ergibt sich eine Gesamtlänge
von ca. 160 mm für die Anordnung. Entsprechend der gewählten
Höhe der Prismen ergibt sich die Anzahl der verwendeten
Prismenebenen zu 24.
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Diese
Angaben gelten für die Fokussierung eines parallelen Strahls,
wie es im beschriebenen Beispiel angenommen wurde.
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Soll
dagegen ein von einem Schlitz ausgehender Strahl fokussiert werden,
ist die Zahl der Prismen P entsprechend zu erhöhen, da
dieser Strahl zuerst soweit abgelenkt werden muss, dass sich die Neutronen
N parallel zur Strahlachse SA bewegen. D. h. bei der Dimensionierung
der Prismenzahl je Prismenebene E ist der zu realisierende Gesamtbrechungswinkel
unter Berücksichtigung des Einfallswinkels des Neutronenstrahls,
der vom Abstand SE der Strahlenquelle S von der Anordnung bestimmt wird,
zu ermitteln.
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Unter
der Annahme, dass die Entfernung SE der Anordnung von der Strahlenquelle
S gleich der Fokuslänge FL ist, muss die Zahl der Prismen
P je Prismenebene E verdoppelt werden. Entsprechende Anordnungen
sind in der 2 dargestellt.
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Die
Anordnungen zur Fokussierung eines Neutronenstrahls, der aus einer
schlitzförmigen Strahlenquelle kommt, entsprechen einer
Anordnung gem. 1 zu der grundsätzlich
diese noch einmal spiegelbildlich angeordnet ist.
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In
der 2a ist eine Anordnung dargestellt, bei der die
zweite Hälfte der Anordnung die um die Ausgangsebene AA
gespiegelte Anordnung gem. 1 ist. D.
h. die vordere Hälfte der Anordnung entspricht der Anordnung
gem. 1, so dass die auf die jeweilige Prismenebene
E auftreffenden Neutronen N bis zur Mitte der Anordnung eine solche
Ablenkung erfahren haben, dass sich die Neutronen N parallel zur
Strahlachse SA bewegen. Damit eine Fokussierung erfolgt, müssen
die einzelnen Neutronen N, entsprechend ihres Abstandes von der
Strahlachse SA wieder so weit abgelenkt werden, dass sie die Strahlachse
SA im Fokus F schneiden. Da bei dieser Anordnung die Neutronen N,
die eine Prismenebene E verlassen, die kleiner 12 ist, also weniger
Prismen P aufweist als die äußerste Prismenebene
E12, verlassen diese Neutronen N ihre jeweilige Prismenebene E vor
der Ausgangsebene AA der Anordnung. D. h. jede Prismenebene E zwischen
Strahlachse SA und der äußersten Prismenebene
E12 hat jeweils eine unterschiedliche Fokuslänge, die größer
als die Fokuslänge FL der Anordnung ist. Diese Differenz wird
bei der Berechnung der Anzahl der Prismen P für jede Prismenebene
E so berücksichtigt, dass alle Neutronen N die Strahlachse
SA im Fokus F schneiden.
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In
der 2b ist eine Anordnung dargestellt, bei der die
zweite Hälfte der Anordnung die um die Eingangsebene EA
gespiegelte Anordnung gem. 1 ist. D.
h. die hintere Hälfte der Anordnung entspricht der Anordnung
gem. 1, während die vordere Hälfte
eine dazu spiegelbildliche Anordnung ist. Somit werden die auf die
jeweilige Prismenebene E auftreffenden Neutronen N bis zum Ende
der vorderen Hälfte der jeweiligen Prismenebene E eine
solche Ablenkung erfahren haben, dass sich die Neutronen N parallel
zur Strahlachse SA bewegen bis sie auf das vorderste Prisma P der
hinteren Hälfte der gleichen Primenebene E auftreffen.
Die Ablenkung der parallel auf die hintere Hälfte der Anordnung
auftreffenden Neutronen N erfolgt entsprechend der Beschreibung
gem. 1.
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In
der 2c ist eine Anordnung dargestellt, die einer Anordnung
gem. 1 entspricht, bei der aber in jeder Prismenebene
E die doppelte Anzahl von Prismen P gegenüber der Anordnung
gem. 1 angeordnet sind, da der Gesamtbrechungswinkel
doppelt so groß sein muss, als bei der Verwendung eines
parallelen Neutronenstrahls.
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In
der 3 wird ein Schnitt durch ein Einzelprisma P dargestellt,
das eine derartige Krümmung aufweist, dass alle auf die
erste Flanke PF1 dieses Prismas P auftreffenden Neutronen N unterschiedlich
abgelenkt werden. Auch die zweite Flanke PF2 weist eine derartige
Krümmung auf, dass ebenfalls alle auf die zweite Flanke
PF2 dieses Prismas P auftreffenden Neutronen N unterschiedlich abgelenkt werden.
Die Krümmungen der beiden Flanken PF1, PF2 sind derart
dimensioniert, dass alle Neutronen N, die dieses Prisma P passieren,
auf den Fokus F gelenkt werden. Wenn jede Prismenebene E mit einem
derart gestalteten Prisma P endet, kann ein Fokus F realisiert werden,
der kleiner als die Prismenhöhe h ist.
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Das
Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Anordnung wird an Hand der 4 beschrieben.
Die 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Prismenebene
E, sowie einen Schnitt A-A' durch diese Ebene.
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Da
das für die Prismen P verwendete Blei sehr weich ist, lässt
es sich leicht bearbeiten, so dass sich die einzelnen Prismen P
durch Prägen aus einer Materialplatte MP herstellen lassen.
Im gewählten Beispiel haben die beiden Flanken PF1, PF2
der Prismen P jeweils einen Anstellwinkel von 45 zur Grundfläche
PG der Prismen P, wodurch das Volumen einer massiven Materialplatte
MP mit der Dicke d dem Volumen eines Prismas P mit der Höhe
h = 2d bei gleicher Grundfläche PG entspricht. Somit kann aus
einer massiven Materialplatte MP mit der Dicke von 0,35 mm eine
Prismenebene E mit Prismen P geprägt werden, die die geforderte
Höhe h von 0,7 mm aufweisen, indem beim Prägen
mit einem entsprechenden Prägewerkzeug das gesamte Volumen
der Materialplatte MP in die Prismen gedrückt wird. Nach dem
Prägen weist die fertige Prismenebene E nur nebeneinander
angeordnete Prismen P auf, wobei sich die jeweils benachbarten Prismen
P mit den entsprechenden Kanten ihrer Grundflächen PG berühren. Somit
weist eine Prismenebene E nur brechendes Material auf und es verbleibt
kein Material in der Prismenebene E, das nur Absorption erzeugt.
Die einzelnen Prismen P der jeweiligen Prismenebene E werden untereinander
durch zwei außerhalb des Neutronenstrahls angeordnete Stege
St miteinander verbunden, so dass jede Prismenebene E über
parallel ausgerichtete Prismen P verfügt und damit eine
stabile Baugruppe darstellt. Damit die Prismenebene E in einem Arbeitsgang
aus einer Materialplatte MP durch Prägen hergestellt werden
kann, weist die zu bearbeitende Materialplatte MP eine Breite (in z-Richtung)
auf, welche die erforderliche Länge PL der Prismen P, entsprechend
der Strahlhöhe, zuzüglich der Breite der beiden
Stege BSt berücksichtigt.
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Damit
die 24 erforderlichen Prismenebenen E zu der Anordnung zusammengefügt
werden können, ohne dass dabei die einzelnen Prismen P
verformt werden, müssen zwischen den Stegen St jeder Prismenebene
E, die jeweils eine Dicke d aufweisen, die der Dicke der Materialplatte
MP sowie halben Höhe h der Prismen P entspricht, Zwischenlagen
Z mit der gleichen Dicke d wie die Stege St eingefügt werden.
Zweckmäßigerweise haben die einzufügenden
Zwischenlagen Z eine höhere Festigkeit als die Stege St
aus Blei, damit die Anordnung eine bessere Steifigkeit erhält.
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Es
ist alternativ auch möglich, dass bei der Dimensionierung
der Breite der Materialplatte MP die doppelte Stegbreite BSt berücksichtigt
wird. Nach dem Prägen der Materialplatten MP zu der entsprechenden
Prismenebene E wird die halbe Breite des stehen gebliebenen Steges
entlang einer in x-Richtung verlaufenden Falzlinie auf den innen
liegenden Steg St, der die Prismen P verbindet, umgeklappt, so dass
ein Steg St mit der endgültigen Stegbreite BSt entsteht,
der nun eine Stärke hat, die der Höhe h der Prismen
P entspricht.
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Da
nur jeweils zwei Prismenebenen E bzw. vier Teil-Prismenebenen, in
Abhängigkeit von der gewählten Ausführung,
die gleiche Anzahl von Prismen P und damit die gleiche Länge
LE aufweisen, müssen beim Stapeln der Anordnung Distanzstücke,
verwendet werden, die ein Dicke aufweisen, die der Höhe
h der Prismen gleicht. Die Breite der Distanzstücke entspricht
der Breite der Stege BSt. Diese Distanzstücke werden überall
dort eingefügt, wo zwischen der Eingangsebene EA und der
Ausgangsebene AA der Anordnung in der jeweiligen Ebene keine Prismenebene
E angeordnet ist. Alternativ können bei Verwendung von
Zwischenlagen Z aus dem steiferen Material diese stets in der ganzen
Länge der Anordnung LA angeordnet werden, so dass dann
nur noch Distanzstücke mit der halben Prismenhöhe
eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich, eine insgesamt stabile
Anordnung aufzubauen und die Prismenebenen miteinander fest zu verspannen.
Diese Distanzstücke sind beispielsweise einzufügen
bei einer Anordnung gem. 1 zwischen der Eingangsebene EA
der Anordnung und dem ersten Prisma P der jeweiligen Prismenebene
E.
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Bei
einer Anordnung gem. der 2a sind diese
Distanzstücke beispielsweise einzufügen zwischen
der Eingangsebene EA der Anordnung und dem ersten Prisma P der vorderen
Hälfte der Anordnung der jeweiligen Prismenebene E sowie
zwischen dem letzten Prisma P dieser Prismenebene E und der Ausgangsebene
AA der Anordnung.
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Bei
einer Anordnung gem. der 2b sind diese
Distanzstücke einzufügen zwischen dem letzten
Prisma P am Ende der vorderen Hälfte der jeweiligen Prismenebene
E und dem ersten Prisma P der hinteren Hälfte der gleichen
Prismenebene E.
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Soll
eine Anordnung gem. der 2c aufgebaut
werden, sind die Distanzstücke analog einer Anordnung gem. 1 zwischen
der Eingangsebene EA der Anordnung und dem ersten Prisma P der jeweiligen
Prismenebene E einzufügen.
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- N
- Neutron
- F
- Fokus
- S
- Strahlenquelle
- EA
- Eingangsebene
der Anordnung
- AA
- Ausgangsebene
der Anordnung
- SA
- Strahlachse
- E1–E12
- Prismenebenen
- LE
- Länge
der Ebenen (x-Richtung)
- P1–P230
- Prismen
- PF1,
PF2
- Flanken
eines Prismas
- PG
- Grundfläche
eines Prismas
- PS
- Prismenspitze
- PL
- Länge
eines Prismas
- MP
- Materialplatte
- St
- Steg
- BSt
- Stegbreite
- LA
- Länge
der Anordnung (x-Richtung)
- BA
- Breite
der Anordnung (y-Richtung)
- HA
- Höhe
der Anordnung (z-Richtung)
- FL
- Fokuslänge
der Anordnung
- SE
- Entfernung
der Anordnung von der Strahlquelle
- Z
- Zwischenlage
- h
- Höhe
der Prismen
- d
- Dicke
der Materialplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. A. Kumakhov
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- - PHYSICA B 283 (2000) Seiten 330 bis 332 von B. Alefeld et.
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- - PHYSICA B 283 (2000) Seiten 314 bis 317 „Neutron
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- - PHYSICA B 350 (2004) Seiten 775 bis 778 wird von T. Adachi
et. al. in „Possible application of compound Fresnel lens
for neutron beam focusing" [0007]
- - Nature 391 (Februar 1998) Seiten 563 bis 566 beschreibt M.
R. Eskildsen et. al. in „Compound refractive optics for
the imaging and focusing of lowenergy neutrons" [0009]