DE102006062671B4

DE102006062671B4 - Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102006062671B4
Application number: DE200610062671
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.rer.nat. Krist
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2006-12-31
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2027-01-01
Also published as: DE102006062671A1

Abstract

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 Lagen von Prismen angeordnet sind, bei denen 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, so dass der Gesamtbrechungswinkel einer Prismenlage (E) von der Anzahl der in dieser Lage hintereinander angeordneten Prismen (P) bestimmt ist und die Anzahl der in einer Lage hintereinander angeordneten Prismen (P) mit dem Abstand der jeweiligen Prismenlage (E) von der Strahlachse (SA) so ansteigt, dass die Neutronen (N) durch die unterschiedlichen Gesamtbrechungswinkel der unterschiedlichen Prismenlagen (E) jeweils auf einen Punkt auf der Strahlachse (SA) fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken (PF) der Prismen (P) jeweils einen...

Description

Die Erfindung betrifft ein neutronenoptisches Bauelement zur Fokussierung eines Neutronenstrahls, bei dem 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 Lagen von Prismen angeordnet sind, bei denen die Grundflächen der Prismen in Flugrichtung der Neutronen, die der x-Richtung entspricht, angeordnet sind und die Spitzen der Prismen jeweils zu der Strahlachse hin weisen, so dass der Gesamtbrechungswinkel einer Prismenlage von der Anzahl der in dieser Lage hintereinander angeordneten Prismen bestimmt ist und die Anzahl der in einer Lage hintereinander angeordneten Prismen mit dem Abstand der jeweiligen Prismenlage von der Strahlachse so ansteigt, dass die Neutronen durch die unterschiedlichen Gesamtbrechungswinkel der unterschiedlichen Prismenlagen jeweils auf einen Punkt auf der Strahlachse fokussiert werden, 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. In 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” 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 0,9 bis 2 nm zu bauen, der eine fokale Länge von 1 bis 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 B1 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 Erfindung geht aus von der in US 2006/0226350 A1 beschriebenen Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls. Bei dieser Anordnung erfolgt eine Brechung des Neutronenstrahls an den Flanken von in Flugrichtung der Neutronen hintereinander angeordneten Prismen. Diese Prismen weisen einen anderen Brechungsindex auf als das umgebende Medium und sind in mehreren Lagen angeordnet. Hierbei sind die Grundflächen der Prismen in Flugrichtung der Neutronen, die der x-Richtung entspricht, angeordnet und die Spitzen der Prismen weisen jeweils zu der Strahlachse hin. Damit ist der Gesamtbrechungswinkel einer Prismenlage von der Anzahl der in dieser Lage hintereinander angeordneten Prismen bestimmt. Die Anzahl der in einer Lage hintereinander angeordneten Prismen steigt mit dem Abstand der jeweiligen Prismenlage von der Strahlachse so an, dass die Neutronen durch die unterschiedlichen Gesamtbrechungswinkel der unterschiedlichen Prismenlagen jeweils auf einen Punkt auf der Strahlachse fokussiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine weitere Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls anzugeben, die kompakt ist, eine geringe Fokuslänge aufweist, geringe Absorptionsverluste hat und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die beiden Flanken der Prismen jeweils einen beliebigen Anstellwinkel zur Grundfläche der Prismen aufweisen und jeweils eine Prismenlage einstückig mit an die Prismen seitlich angrenzenden Stegen ausgeführt ist.
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 umgebenden 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 Lage 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 Lagen von Prismen im Neutronenstrahl angeordnet, wobei die einzelnen Lagen eine unterschiedliche Anzahl von Einzelprismen aufweisen. Dabei nimmt die Anzahl der Prismen je Lage mit dem Abstand von der Strahlachse zu. Die einzelnen Prismenlagen sind symmetrisch zur Strahlachse angeordnet. Die Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls weist in Abhängigkeit von der Stärke der einzelnen Prismenlagen so viele einzelne Lagen mit Prismen (y-Richtung) auf, dass der gesamte Strahldurchmesser abgedeckt ist.
Die Anzahl der in jeder Lage anzuordnenden Einzelprismen sowie die Anzahl der notwendigen Prismenlagen lassen sich für das verwendete Material einfach mathematisch ermitteln. Der je Prismenlage 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 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.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausführung der Prismen, deren zwei Flanken jeweils einen beliebigen Anstellwinkel zur Grundfläche der Prismen aufweisen, wird im Vergleich zum Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, bei gleicher Anzahl der Prismen ein doppelt so großer Gesamtbrechungswinkel realisiert. Die in Lagen angeordneten Prismen sind hierbei mittels der Stege unlösbar miteinander verbunden und damit aus einem Stück gebildet.
Die Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls weist einen Rahmen auf, in den die einzelnen Prismenlagen eingeschoben werden, damit eine kompakte und robuste Vorrichtung realisiert ist, die in den Neutronenstrahl eingebracht und exakt positioniert werden kann.
Die folgenden Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Ausgestaltung und Anordnung der Prismen bzw. Prismenlagen.
So ist einer ersten Ausführung vorgesehen, dass die beiden Flanken der Prismen den gleichen Anstellwinkel zur Grundfläche der Prismen aufweisen.
In einer anderen Ausführung weisen die Prismenlagen in Flugrichtung der Neutronen, in x-Richtung, eine derartige Krümmung auf, dass die Grundflächen der Prismen zueinander einen Winkel bilden, der dem Brechungswinkel beider Flanken eines Prismas entspricht, so dass die Grundflächen der Prismen nahezu parallel der Flugbahn der gebrochenen Neutronen verlaufen.
Eine weitere Ausführung betrifft die Flanken des ersten und/oder des letzten Prismas einer Prismenlage, die eine derartige Krümmung aufweist, dass eine Fokussierung aller Neutronenstrahlen, die diese Prismenlage verlassen, auf eine Fokusfläche erfolgt, deren Durchmesser kleiner ist als eine Prismenhöhe.
Das für die Prismen verwendete Material sollte eine möglichst geringe Absorption für Neutronen aufweisen und zwecks Herstellung der Prismenlagen leicht bearbeitbar sein. Deshalb ist in einer anderen Ausführungsform vorgesehen, dass das Material für die Prismenlagen Pb oder C oder MgF₂ ist.
Mit 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 Prismenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlage stoßen mit ihren Grundflächen aneinander und sind lediglich durch die beiden außen angeordneten Stege miteinander verbunden und bilden somit die entsprechende Prismenlage. Da die beiden Stege nicht bearbeitet werden, weisen sie die halbe Höhe der Einzelprismen auf. Damit die einzelnen Prismenlagen 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 Prismenlagen gelegt. Dadurch wird erreicht, dass sich beim Stapeln der Prismenlagen die Prismen der jeweils benachbarten Prismenlagen gerade berühren.
Nachdem alle Prismenlagen für eine Anordnung geprägt sind, werden die Platten, beginnend von einer Außenseite (mit der Strahlachse am weitesten entfernten Prismenlage) in den Rahmen eingeschoben, und abschließend werden alle Prismenlagen miteinander verspannt und im Rahmen fixiert.
Da die Prismenlagen wegen der unterschiedlichen Anzahl von Prismen auch unterschiedlich lang sind, müssen beim Stapeln der Prismenlagen Distanzstücke verwendet werden, die in Fortsetzung der Stege jeweils zwischen dem Ende des Steges der jeweiligen Prismenlage und der Eingangs- und/oder der Ausgangsebene der Anordnung eingelegt werden, damit die gesamte Anordnung eine ausreichende Festigkeit aufweist und die Prismenlagen 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 Verwendung dieser Anordnung gegenüber der Intensität ohne Verwendung dieser Anordnung an.
Die kostengünstige Herstellung der Anordnung resultiert insbesondere daraus, dass an die Prismen keine hohen Anforderungen an die Präzision gestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die zugehörigen Figuren zeigen:
1: ein Schema der Fokussierung durch die Anordnung
2: Anordnungen zur Fokussierung eines von einem Schlitz ausgehenden Neutronenstrahls
3: ein Einzelprisma zur Fokussierung eines Neutronenstrahls
4: eine Darstellung einer Prismenlage 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 Prismenlagen E mit Prismen P, unabhängig von der Anzahl von Prismen P, in den jeweiligen Prismenlagen E an der Austrittsseite A der Anordnung enden. Zur besseren Übersichtlichkeit sind nicht alle Prismenlagen E und nicht alle Prismen P einer Prismenlage E dargestellt. So sind nur die Prismenlagen E1 bis E4 sowie E11 und E12 dargestellt und die übrigen Prismenlagen sind nicht dargestellt. Ebenso sind nur die ersten und die letzten Prismen P einer jeweiligen Prismenlage 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 Prismenlage E1 und wird dort mit einem Winkel von 0.00069° von seiner Flugbahn in Richtung auf die Strahlachse SA abgelenkt. 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 Prismenlage 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 Prismenlage E4. Das Neutron N4 verlässt die vierte Prismenlage E4 durch die zweite Flanke PF2_n4 des n-ten Prismas P_n der vierten Prismenlage 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. Prismenlage E12 und verlässt die 12. Prismenlage 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 Prismenlagen 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 Prismenlagen) der Anordnung von 0,32°. Daraus lässt sich die Anzahl der Prismen für die beiden äußeren Prismenlagen ermitteln. Für das gewählte Beispiel beträgt die Zahl der Einzelprismen bei einer Prismenhöhe von 0,7 mm in den beiden äußeren Prismenlagen, 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 Prismenlagen 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 Prismenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlage E verlassen, die kleiner 12 ist, also weniger Prismen P aufweist als die äußerste Prismenlage E12, verlassen diese Neutronen N ihre jeweilige Prismenlage E vor der Ausgangsebene AA der Anordnung. D. h. jede Prismenlage E zwischen Strahlachse SA und der äußersten Prismenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlage E auftreffenden Neutronen N bis zum Ende der vorderen Hälfte der jeweiligen Prismenlage 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 Primenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlage 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 anhand der 4 beschrieben. Die 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Prismenlage E, sowie einen Schnitt A-A' durch diese Lage.
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 Prismenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlage E nur brechendes Material auf und es verbleibt kein Material in der Prismenlage E, das nur Absorption erzeugt. Die einzelnen Prismen P der jeweiligen Prismenlage E werden untereinander durch zwei außerhalb des Neutronenstrahls angeordnete Stege St miteinander verbunden, so dass jede Prismenlage E über parallel ausgerichtete Prismen P verfügt und damit eine stabile Baugruppe darstellt. Damit die Prismenlage 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 Prismenlagen E zu der Anordnung zusammengefügt werden können, ohne dass dabei die einzelnen Prismen P verformt werden, müssen zwischen den Stegen St jeder Prismenlage 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 Prismenlage 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 Prismenlagen E bzw. vier Teil-Prismenlagen 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 Prismenlage 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 Prismenlagen 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 Prismenlage 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 Prismenlage E sowie zwischen dem letzten Prisma P dieser Prismenlage 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 Prismenlage E und dem ersten Prisma P der hinteren Hälfte der gleichen Prismenlage 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 Prismenlage E einzufügen.

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 Lagen von Prismen angeordnet sind, bei denen 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, so dass der Gesamtbrechungswinkel einer Prismenlage (E) von der Anzahl der in dieser Lage hintereinander angeordneten Prismen (P) bestimmt ist und die Anzahl der in einer Lage hintereinander angeordneten Prismen (P) mit dem Abstand der jeweiligen Prismenlage (E) von der Strahlachse (SA) so ansteigt, dass die Neutronen (N) durch die unterschiedlichen Gesamtbrechungswinkel der unterschiedlichen Prismenlagen (E) jeweils auf einen Punkt auf der Strahlachse (SA) fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken (PF) der Prismen (P) jeweils einen beliebigen Anstellwinkel zur Grundfläche (PG) der Prismen (P) aufweisen und jeweils eine Prismenlage einstückig mit an die Prismen seitlich angrenzenden Stegen (St) ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken (PF) der Prismen (P) den gleichen Anstellwinkel zur Grundfläche (PG) der Prismen (P) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem die Prismenlagen (E) bestehen, vorzugsweise Pb, C, MgF₂ ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenlagen (E) in Flugrichtung der Neutronen (N), in x-Richtung, eine derartige Krümmung aufweisen, dass die Grundflächen (PG) der Prismen (P) zueinander einen Winkel aufweisen, der dem Brechungswinkel beider Flanken eines Prismas entspricht, so dass die Grundflächen (PG) der Prismen (P) nahezu parallel der Flugbahn der gebrochenen Neutronen verlaufen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (PF) des ersten und/oder des letzten Prismas (P) einer Prismenlage (E) eine derartige Krümmung aufweisen, dass eine Fokussierung aller Neutronenstrahlen, die diese Prismenlage (E) verlassen, auf eine Fokusfläche (F) fokussiert werden, deren Durchmesser kleiner ist als eine Prismenhöhe (h).
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls in einer Dimension gemäß der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen (P) einer Prismenlage (E) aus einer Materialplatte (MP) durch Prägen hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 6, 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Prismenlagen (E) mit den Prismen (P) aus einer Materialplatte (MP), die eine Stärke der halben Prismenhöhe (h) aufweist, geprägt werden, so dass die Prismenlage (E) nach dem Prägen zwischen den beiden Stegen (St) nur Prismen aufweist und kein ungeprägtes Material.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialplatte (MP), aus der die jeweilige Prismenlage (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 Prismenlage (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 8, 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 Prismenlagen (E) sich die Prismen (P) der benachbarten Prismenlagen (E) gerade berühren.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Stege (St) der Stärke der verwendeten Materialplatte (MP) entspricht und damit die halbe Höhe (h) der Prismen (P) beträgt und beim Zusammenbau der geprägten Prismenlagen (E) Streifen eines anderen, z. B. steiferen Materials, dessen Stärke ebenfalls der halben Prismenhöhe (h) entspricht, zwischen die Stege (St) der jeweiligen Prismenlagen (E) gelegt werden, so dass beim Stapeln der Prismenlagen (E) sich die Prismen (P) der benachbarten Prismenlagen (E) gerade berühren.