DE102006062671A1

DE102006062671A1 - Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102006062671A1
Application number: DE200610062671
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.rer.nat. Krist
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2006-12-31
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2027-01-01
Also published as: DE102006062671B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neutronenoptisches Bauelement zur Fokussierung eines Neutronenstrahls sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Zur Fokussierung eines Neutronenstrahls wurden bisher verschiedene Lösungen beschrieben, die entweder sehr aufwändig in der Herstellung sind oder einen geringen Wirkungsgrad haben oder sehr große Focuslängen aufweisen. Das erfindungsgemäße Bauelement weist hintereinander angeordnete Prismen (P) auf, an deren Flanken eine Brechung des Neutronenstrahls (N) 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 (SA) ausgerichtet. Der Gesamtbrechungswinkel wird von der Anzahl der hintereinander angeordneten Prismen bestimmt. Damit eine Fokussierung des Neutronenstrahls erfolgt, werden mehrere Ebenen (E) 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 Erfindung gibt auch ein einfaches Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements an. Da keine hohen Anforderungen an die Präzision der Prismen gestellt werden, können die einzelnen Prismen durch Prägen erzeugt werden. Mit einem Werkzeug wird jeweils aus ...

Description

Die Erfindung betrifft ein neutronenoptisches Bauelement zur Fokussierung eines Neutronenstrahls sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Zur Durchführung von Untersuchungen mittels Neutronenstrahlen ist es bei bestimmten Experimenten erforderlich, dass der bereitgestellte Neutronenstrahl auf eine Probe fokussiert wird.
Zur Fokussierung eines Neutronenstrahls wurden bisher verschiedene Lösungen beschrieben. Bisher haben sich insbesondere vier Prinzipien zur Fokussierung eines Neutronenstrahls etabliert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die ersten beiden der vorgenannten Verfahren sind achromatisch, die beiden anderen chromatisch. Chromatisch heißt, dass der Neutronenstrahl wellenlängenabhängig unterschiedlich gebrochen wird.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Um die Zahl der brechenden Kanten und damit den Gesamtbrechungswinkel zu maximieren, muss daher die Höhe der Prismen minimiert werden.
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.
Das für die Prismen verwendete Material weist eine möglichst geringe Absorption für Neutronen auf.
Als Material für die Prismen wird vorzugsweise Pb, C, MgF₂ verwendet.
Damit die Ebenen mit den Einzelprismen leicht hergestellt werden können, soll das Material leicht zu bearbeiten sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die kostengünstige Herstellung resultiert insbesondere daraus, dass an die Prismen keine hohen Anforderungen an die Präzision gestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die zugehörigen Figuren zeigen:
1: Schema der Fokussierung durch die Anordnung
2: Anordnungen zur Fokussierung eines von einem Schlitz ausgehenden Neutronenstrahls
3: Einzelprisma zur Fokussierung eines Neutronensrahls
4: Darstellung einer Prismenebene in Draufsicht (in x-z-Richtung) und Schnitt A-A' (in x-y-Richtung)
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.
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 PF2_n4 des n-ten Prismas P_n 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.
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.
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.
Werden zwei analoge Anordnungen hintereinander, um 90° gegeneinander gedreht und mit entsprechend angepassten Fokuslängen FL angeordnet, kann auch ein kreisförmiger Fokus erzeugt werden.
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.
Diese Angaben gelten für die Fokussierung eines parallelen Strahls, wie es im beschriebenen Beispiel angenommen wurde.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1035422 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. A. Kumakhov und V. A. Sharov in Nature 357 (1992) Seite 390 [0004]
- 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" [0005]
- PHYSICA B 283 (2000) Seiten 314 bis 317 „Neutron lens and prism" von T. Oku und H. M. Shimizu [0006]
- 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]

Claims

Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls, bei der eine Brechung des Neutronenstrahls an den Flanken von in Flugrichtung der Neutronen hintereinander angeordneten Prismen, die einen anderen Brechungsindex als das umgebende Medium aufweisen, erfolgt und mehrere Ebenen von Prismen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen (PG) der Prismen (P) in Flugrichtung der Neutronen (N), die der x-Richtung entspricht, angeordnet sind und die Spitzen (PS) der Prismen (P) jeweils zu der Strahlachse (SA) hin weisen, die beiden Flanken (PF) der Prismen (P) einen beliebigen Anstellwinkel zur Grundfläche (PG) der Prismen (P) aufweisen, so dass der Gesamtbrechungswinkel einer Ebene von der Anzahl der in dieser Ebene hintereinander angeordneten Prismen (P) bestimmt ist und die Anzahl der in einer Ebene hintereinander angeordneten Prismen (P) mit dem Abstand der jeweiligen Prismenebene (E) von der Strahlachse (SA) so ansteigt, dass die Neutronen (N) durch die unterschiedlichen Gesamtbrechungswinkel der unterschiedlichen Prismenebenen (E) jeweils auf einen Punkt auf der Strahlachse (SA) fokussiert werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu realisierende Gesamtbrechungswinkel jeder Prismenebene (E) berechenbar ist vom Einfallswinkel der Neutronen (N) auf das erste Prisma (P) dieser Prismenebene (E) und der gewählten Fokuslänge (FL).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufbau von zwei derartigen Anordnungen hintereinander, die gegeneinander verdreht angeordnet sind, eine Fokussierung in zwei Dimensionen erfolgt, wobei die Fokuslängen (FL) der beiden Anordnungen so aufeinander abgestimmt werden, dass in der Abbildungsebene die gewünschte Fokusform erreicht wird.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein punktförmiger Fokus (F) erzielt wird, wenn beide Anordnungen um 90° gegeneinander verdreht angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenebenen (E) in Flugrichtung der Neutronen (N), in x-Richtung, eine Krümmung aufweisen, die der Flugbahn der gebrochenen Neutronen entspricht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel und die Höhe (h) der Prismen (P) so gewählt sind, dass der erforderliche Gesamtbrechungswinkel, der vom Strahldurchmesser bestimmt wird, auf einer möglichst geringen Strecke realisiert wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken (PF) der Prismen (P) den gleichen Anstellwinkel zur Grundfläche (PG) der Prismen (P) aufweisen und dieser vorzugsweise 45° beträgt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Prismen (P) je Prismenebene (E) aus dem Abstand der jeweiligen Prismenebene (E) von der Strahlachse (SA), dem Anstellwinkel der Prismenflanken (PF), dem Brechungswinkel je Prisma (P), dem Einfallswinkel der Neutronen (N) und der gewünschten Fokuslänge (FL) berechenbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Prismenebenen (E) in Abhängigkeit von der Höhe (h) der Prismen (P) sowie die Länge der Einzelprismen (P) in Richtung der z-Achse so gewählt ist, dass der Strahldurchmesser des Neutronenstrahls abgedeckt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (PF) des ersten und/oder des letzten Prismas (P) einer Prismenebene (E) eine derartige Krümmung aufweisen, dass eine Fokussierung aller Neutronenstrahlen, die diese Prismenebene (E) verlassen, auf eine Fokusfläche (F) fokussiert werden, die kleiner ist als eine Prismenhöhe (h).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus dem die Prismenebenen (E) bestehen, vorzugsweise Pb, C, MgF₂ ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (P) einer Prismenebene (E) untereinander durch zwei Stege (St), von denen jeweils einer an den Außenkanten der Prismen (P) angeordnet ist, verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls in einer Dimension gemäß der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (P) einer Prismenebene (E) aus einer Materialplatte (MP) durch Prägen hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägen mit einer Platte oder mit einer Walze, die an ihrer Oberfläche jeweils die benötigten Negativ-Formen zur Erzeugung der Prismen (P) aufweisen, vorgenommen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Prismenebenen (E) mit den Prismen (P) aus einer Materialplatte (MP), die eine Stärke der halben Prismenhöhe (h) aufweist, geprägt werden, so dass die Prismenebene (E) nach dem Prägen zwischen den beiden Stegen (St) nur Prismen aufweist und kein ungeprägtes Material.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialplatte (MP) aus der die jeweilige Prismenebene (E) geprägt wird, in Richtung der z-Achse der Länge der Prismen (P) und der Breite (BSt) der beiden Stege (St) entspricht, so dass nach dem Prägen die Prismenebene (E) die entsprechende Anzahl von Prismen (P) aufweist, die an ihren beiden Außenkanten durch die beiden Stege (St) verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stege (St) jeweils die doppelte Stegbreite (BSt) aufweisen und nach dem Prägen derart auf die endgültige Stegbreite (BSt) umgefaltet werden, dass dadurch eine Gesamtstärke der Stege (St) erreicht wird, die der Höhe (h) der Prismen (P) entspricht, so dass beim Stapeln der Prismenebenen (E) sich die Prismen (P) der benachbarten Prismenebenen (E) gerade berühren.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Stege (St) der Stärke der verwendeten Materialplatte (MP) entsprechen und damit die halbe Höhe (h) der Prismen (P) betragen und beim Zusammenbau der geprägten Prismenebenen (E) Streifen eines anderen, z. B. steiferen Materials, dessen Stärke ebenfalls der halben Prismenhöhe (h) entspricht, zwischen die Stege (St) der jeweiligen Prismenebenen (E) gelegt werden, so dass beim Stapeln der Prismenebenen (E) sich die Prismen (P) der benachbarten Prismenebenen (E) gerade berühren.