DE102010035132A1

DE102010035132A1 - Method and apparatus for generating free neutrons

Info

Publication number: DE102010035132A1
Application number: DE201010035132
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Habs Dietrich
Original assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU; Siemens AG
Current assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU; Siemens AG
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-03-29
Also published as: WO2012025436A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von freien Neutronen, wobei eine Probe bereit gehalten wird, die wenigstens teilweise Atome aufweist, deren Neutronen zu einem Halo-Zustand angeregt werden können, wobei in einem ersten Verfahren wenigstens einem Teil der Atome Energie in der Weise zugeführt wird, dass Neutronen zu einem Halo-Zustand unterhalb der Separationsenergie angeregt werden, wobei in einem zweiten Verfahren der Probe Energie in der Weise zugeführt wird, dass Neutronen, die sich im Halo-Zustand befinden, vom Atom gelöst werden, wobei die im ersten Verfahren zugeführte Energie größer ist als die im zweiten Verfahren zugeführte Energie.The invention relates to a method for generating free neutrons, a sample being kept ready which at least partially has atoms whose neutrons can be excited to a halo state, with at least some of the atoms being supplied with energy in this way in a first method is that neutrons are excited to a halo state below the separation energy, wherein in a second method the sample energy is supplied in such a way that neutrons that are in the halo state are released from the atom, which in the first method The energy supplied is greater than the energy supplied in the second method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von freien niederenergetischen Neutronen gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zum Erzeugen von freien Neutronen gemäß Patentanspruch 15.The invention relates to a method for generating free low energy neutrons according to claim 1 and a device for generating free neutrons according to claim 15.

Im Stand der Technik werden freie Neutronen beispielsweise mithilfe von Kernreaktoren bei einer Kernspaltung oder mithilfe von Spallationsquellen erzeugt. Reaktoren, bei denen eine Kernspaltung abläuft, erfordern hohe Investitionen und zudem wird radioaktiv strahlendes Material erzeugt. Auch Spallationsquellen sind sehr kostenaufwändig, da große und teure Teilchenbeschleuniger benötigt werden.In the prior art, free neutrons are generated, for example, by means of nuclear reactors in nuclear fission or by means of spallation sources. Reactors that undergo nuclear fission require high investment and radioactive material is generated. Spallation sources are also very costly, since large and expensive particle accelerators are needed.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen, insbesondere von niederenergetischen Neutronen bereitzustellen.The object of the invention is to provide a simple and cost-effective method and a simple device for generating neutrons, in particular low-energy neutrons.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 15 gelöst.The object of the invention is achieved by the method according to claim 1 and by the device according to claim 15.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf relativ einfache Weise Neutronen, insbesondere niederenergetische Neutronen erzeugt werden.One advantage of the invention is that neutrons, in particular low-energy neutrons, are produced in a relatively simple manner.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein Target, das wenigstens teilweise Atome aufweist, deren Neutronen zu einem Halo-Zustand angeregt werden können. In einem ersten Verfahren wird wenigstens einem Teil der Atome Energie in der Weise zugeführt, dass Neutronen der Atome zu einem Halo-Zustand unterhalb der Separationsenergie angeregt werden. In einem zweiten Verfahren wird der Probe Energie in der Weise zugeführt, dass die Neutronen, die sich im Halo-Zustand befinden, vom Atom gelöst werden. Die im ersten Verfahren einem Neutron zugeführte Energie ist größer, vorzugsweise deutlich größer als die im zweiten Verfahren zugeführte Energie. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass aufgrund der geringen Energie, die im zweiten Verfahren zum Lösen eines Neutrons vom Atom zugeführt wird, die Energieverteilung der Neutronen eine geringe Bandbreite aufweist. Dies ist von besonderem Vorteil, um die freien Neutronen für Untersuchungen von Proben verwenden zu können.The method of the invention uses a target which at least partially has atoms whose neutrons can be excited to a halo state. In a first method, energy is supplied to at least a portion of the atoms such that neutrons of the atoms are excited to a halo state below the separation energy. In a second method, the sample is supplied with energy in such a way that the neutrons, which are in the halo state, are released from the atom. The energy supplied to a neutron in the first method is greater, preferably significantly greater, than the energy supplied in the second method. This approach offers the advantage that due to the low energy supplied by the atom in the second method for dissolving a neutron, the energy distribution of the neutrons has a narrow bandwidth. This is of particular advantage in order to use the free neutrons for investigations of samples.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die im ersten Verfahren zugeführte Energie mithilfe von Photonenstrahlung, insbesondere Gammastrahlung zugeführt. Die Photonenstrahlung stellt eine einfache und zuverlässige Quelle dar, mit der Energie auf ein Neutron übertragen werden kann.In a development of the method, the energy supplied in the first method is supplied by means of photon radiation, in particular gamma radiation. Photon radiation is a simple and reliable source for transferring energy to a neutron.

In einer weiteren Ausführungsform wird die im zweiten Verfahren zugeführte Energie mithilfe einer Photonenstrahlung, insbesondere einer Laserstrahlung oder Undulatorstrahlung zugeführt. Die Photonenstrahlung, insbesondere die Laserstrahlung eignet sich zudem sehr gut, um die benötigte Energie zum Lösen der Neutronen, die sich im Halo-Zustand befinden, zu übertragen.In a further embodiment, the energy supplied in the second method is supplied by means of photon radiation, in particular laser radiation or undulator radiation. The photon radiation, in particular the laser radiation, is also very well suited to transfer the energy needed to release the neutrons, which are in the halo state.

Versuche haben gezeigt, dass für die Anregung von Neutronen zu einem Halo-Zustand eine Energie pro Neutron im Bereich von einigen Mega Elektronenvolt, insbesondere im Bereich von 5 bis 15 MeV ausreichend ist.Experiments have shown that for the excitation of neutrons to a halo state one energy per neutron in the range of a few mega electron volts, in particular in the range of 5 to 15 MeV is sufficient.

Weitere Versuche haben gezeigt, dass für die Anhebung der Neutronen vom Halo-Zustand in den freien Zustand Energien pro Neutron in der Größenordnung von Elektronenvolt, insbesondere im Bereich von 1 bis 500 eV ausreichend sind.Further experiments have shown that for the elevation of the neutrons from the halo state to the free state, energies per neutron in the order of magnitude of electron volts, in particular in the range of 1 to 500 eV, are sufficient.

Für die Erzeugung von freien Neutronen eignen sich Proben mit Atomen, deren Massenzahl A zwischen 50 und 60 Z = (Ti, V, Fe, Co, Ni, Cu) oder zwischen 140 und 180 Z = (Ba, Ca, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gal, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, In, Hf, Ta) liegt. Es können auch Atome mit anderen Massenzahlen verwendet werden, wobei sich die Atome der ausgewählten Bereiche besonders als Neutronenquelle eignen.For the production of free neutrons, samples with atoms whose mass number A is between 50 and 60 Z = (Ti, V, Fe, Co, Ni, Cu) or between 140 and 180 Z = (Ba, Ca, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gal, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, In, Hf, Ta). It is also possible to use atoms with other mass numbers, the atoms of the selected regions being particularly suitable as neutron source.

In einer weiteren Ausführungsform wird das zweite Verfahren innerhalb der Halbwertszeit des Halo-Zustandes der Neutronen durchgeführt. Der Zustand der Halo-Neutronen ist statistisch gesehen quasi stabil, so dass aufgrund von Wechselwirkungen die Anzahl der Halo-Neutronen mit der Zeit zwar abnimmt, aber ausreichend lang stabil ist. Für eine große Ausbeute von freien Neutronen ist es deshalb vorteilhaft, das zweite Verfahren innerhalb der Halbwertszeit des Halo-Zustandes der Neutronen durchzuführen.In a further embodiment, the second method is performed within the half-life of the halo state of the neutrons. The state of the halo neutrons is statistically stable, so that due to interactions, the number of halo neutrons decreases with time, but is sufficiently stable. For a large yield of free neutrons, it is therefore advantageous to perform the second method within the half-life of the halo state of the neutrons.

In einer weiteren Ausführungsform werden das erste Verfahren und das zweite Verfahren jeweils gepulst durchgeführt. Auf diese Weise können zeitlich und räumlich begrenzte Neutronenbündel erzeugt werden, die insbesondere für die Untersuchung von dynamischen Vorgängen verwendet werden können.In a further embodiment, the first method and the second method are each carried out in a pulsed manner. In this way, temporally and spatially limited neutron beams can be generated, which can be used in particular for the investigation of dynamic processes.

In einer weiteren Ausführungsform wird im zweiten Verfahren eine linear polarisierte Photonenstrahlung zum Loslösen der Neutronen verwendet. Durch die Verwendung der linear polarisierten Photonenstrahlung werden magnetisch polarisierte Neutronen erzeugt, die sich insbesondere für die Untersuchungen von magnetischen Zuständen besonders eignen.In a further embodiment, in the second method a linearly polarized photon radiation is used to detach the neutrons. The use of linearly polarized photon radiation generates magnetically polarized neutrons, which are particularly suitable for the Studies of magnetic states are particularly suitable.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Polarisation der Photonenstrahlung im zweiten Verfahren verändert, insbesondere wird die Polarisation der Photonenstrahlung bei einem gepulsten Betrieb der Photonenstrahlung von Puls zu Puls verändert. Auf diese Weise werden gepulste Neutronenbündel erzeugt, deren magnetische Polarisation zudem von Puls zu Puls verändert ist. Dieser Effekt kann bei Untersuchungen von dynamischen magnetischen Vorgängen vorteilhaft sein.In a further embodiment, the polarization of the photon radiation is changed in the second method, in particular the polarization of the photon radiation is changed in a pulsed operation of the photon radiation from pulse to pulse. In this way, pulsed neutron beams are generated whose magnetic polarization is also changed from pulse to pulse. This effect may be advantageous in investigations of dynamic magnetic processes.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Probe gekühlt, insbesondere unter einen Bereich von kleiner als 50 K, vorzugsweise kleiner als 10 K. Auf diese Weise wird eine weitere Reduzierung der Bandbreite der Energieverteilung der freien Neutronen erreicht.In a further embodiment, the sample is cooled, in particular under a range of less than 50 K, preferably less than 10 K. In this way, a further reduction of the bandwidth of the energy distribution of the free neutrons is achieved.

In einer weiteren Ausführungsform wird als Probe ein Stapel von beabstandeten Schichten von Atomen, deren Neutronen in einen Halo-Zustand angeregt werden können, verwendet. Durch diese geometrische Anordnung können mithilfe eines Photonenstrahls während des zweiten Verfahrens freie Neutronenbündel erzeugt werden, die eine festgelegte zeitliche Beziehung zueinander haben und räumlich eng begrenzt sind.In a further embodiment, a stack of spaced apart layers of atoms whose neutrons can be excited to a halo state is used as a sample. By means of this geometrical arrangement, it is possible with the aid of a photon beam during the second method to generate free neutron bundles which have a fixed temporal relationship to one another and are spatially limited.

In einer weiteren Ausführungsform werden Neutronenleiter zum Führen der Neutronen von der Probe zu einem Untersuchungsbereich verwendet, die einen Bandpassspiegel aufweisen. Mithilfe des Bandpassspiegels werden im Neutronenleiter nur Neutronen geleitet, die einen festgelegten Wellenlängenbereich aufweisen. Dadurch kann die Bandbreite der Energie der zum Untersuchungsbereich geleiteten Neutronen weiter eingeengt werden.In another embodiment, neutron guides are used to guide the neutrons from the sample to an examination area having a bandpass mirror. With the help of the bandpass mirror, only neutrons with a defined wavelength range are conducted in the neutron guide. As a result, the bandwidth of the energy of the neutrons conducted to the examination area can be further restricted.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Neutronenleiter verwendet, der wenigstens in einem Anfangsbereich, der der Probe zugewandt ist, ein poliertes Metallsubstrat als Wand aufweist. Das polierte Metallsubstrat, das insbesondere Aluminium oder Eisen aufweisen kann, eignet sich dazu, um den Anfangsbereich des Neutronenleiters sehr nahe an der Probe anzuordnen. Das polierte Metallsubstrat zeigt eine höhere Stabilität im Bezug auf die Strahlenbelastung als beispielsweise Glassubstrate.In another embodiment, a neutron guide is used which has a polished metal substrate as a wall at least in an initial region facing the sample. The polished metal substrate, which may in particular comprise aluminum or iron, is suitable for placing the initial region of the neutron guide very close to the sample. The polished metal substrate shows a higher stability with respect to the radiation exposure than, for example, glass substrates.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show it

1 eine schematische Darstellung eines Atomkerns mit einem Neutron, das sich in einem Halo-Zustand befindet, 1 a schematic representation of an atomic nucleus with a neutron in a halo state,

2 zeigt eine schematische Darstellung von möglichen Energiezuständen eines Neutrons, 2 shows a schematic representation of possible energy states of a neutron,

3 zeigt eine Tabelle von ausgewählten Isotopen mit einer Massenzahl zwischen 40 und 60 und zwischen 140 und 180 mit Angabe der Streulänge und der Neutronenbindungsenergie, die Neutronen-Halozuständen entsprechen, 3 shows a table of selected isotopes with a mass number between 40 and 60 and between 140 and 180 with indication of the scattering length and the neutron binding energy corresponding to neutron halo states,

4 zeigt eine Tabelle von Isotopen mit einer Massenzahl zwischen 140 und 180, die sich für die Erzeugung von freien Neutronen besonders eignen, 4 shows a table of isotopes with a mass number between 140 and 180, which are particularly suitable for the generation of free neutrons,

5 zeigt einen vereinfachten Aufbau der Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen, 5 shows a simplified structure of the device for generating neutrons,

6 zeigt einen weiteren Aufbau der Vorrichtung zur Erzeugung von Neutronen mit mehreren Versuchsbereichen, und 6 shows a further construction of the device for generating neutrons with several experimental areas, and

7 zeigt ein Target mit Schichten aus Targetmaterial. 7 shows a target with layers of target material.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Atomkern mit Neutronen N und Protonen P mit einem sich in einem Halo-Zustand befindlichen Neutron N1. Atome bestehen aus Atomkernen und einer Elektronenhülle. Im Folgenden werden nur die Atomkerne näher betrachtet. Die Atomkerne weisen Protonen P und Neutronen N, N1 auf. Normalerweise sind die Protonen und Neutronen sehr eng aneinander angeordnet. Es gibt jedoch auch Atomkerne, die in einem bestimmten Energiezustand ein Neutron besitzen, das sich in einem so genannten Halo-Zustand befindet und deutlich weiter vom Rumpf entfernt ist als ein äußerstes Proton. Ein entsprechender Atomkern ist in 1 dargestellt, der Protonen P und Neutronen N aufweist, wobei ein Neutron N1 einen deutlichen Abstand zu den anderen Neutronen und Protonen des Rumpfkerns aufweisen kann. 1 shows a schematic representation of an atomic nucleus with neutrons N and protons P with a located in a halo state neutron N1. Atoms consist of atomic nuclei and an electron shell. In the following, only the atomic nuclei are considered in detail. The atomic nuclei have protons P and neutrons N, N1. Normally, the protons and neutrons are arranged very close together. However, there are also atomic nuclei that have a neutron in a certain energy state that is in a so-called halo state and is much farther from the hull than an ultimate proton. A corresponding nucleus is in 1 having protons P and neutrons N, wherein a neutron N1 may have a significant distance to the other neutrons and protons of the hull core.

Experimente haben gezeigt, dass ein Neutron eines Atomkerns, wie in 2 dargestellt ist, einen energetischen Grundzustand G, aber auch angeregte Zustände H1, H2, H3 mit einer bestehenden Bindung zum Atomkern aufweisen kann. Beispielsweise entsprechen die Energiezustände H2, H3 einem Halo-Zustand des Neutrons. Die Energiezustände H1, H2, H3 sind noch niedriger als eine Separationsenergie S, ab der sich das Neutron vom Atomkern löst. Somit kann ein Neutron von einem Atomkern gelöst werden, wenn die Energie des Neutrons über der Separationsenergie S liegt.Experiments have shown that a neutron of an atomic nucleus, as in 2 is shown, an energetic ground state G, but also excited states H1, H2, H3 may have an existing bond to the atomic nucleus. For example, the energy states H2, H3 correspond to a halo state of the neutron. The energy states H1, H2, H3 are even lower than a separation energy S, from which the neutron dissolves from the atomic nucleus. Thus, a neutron can be released from an atomic nucleus when the energy of the neutron is above the separation energy S.

Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, Neutronen von Atomen in einem ersten Verfahren in der Weise anzuregen, dass diese eine erhöhte Energie unterhalb der Separationsenergie S aufweisen. Vorzugsweise ist der Abstand zu der Separationsenergie so gering wie möglich. In einem zweiten Verfahren wird den Neutronen eine weitere Energie E2 zugeführt, so dass die Neutronen einen Energiezustand aufweisen, der größer als die Separationsenergie S ist und deshalb sich die Neutronen von den Atomkernen lösen. Auf diese Weise können vorzugsweise langsame Neutronen erzeugt werden, ohne dass eine Abbremsung der Neutronen erforderlich ist oder radioaktives Material entsteht. Vorzugsweise kann mithilfe des beschriebenen Verfahrens ein gepulster Neutronenstrahl mit hoher Brillanz erzeugt werden. Vorzugsweise weisen die freien Neutronen eine Energie von kleiner als 1 eV auf.A basic idea of the invention is to excite neutrons of atoms in a first method in such a way that they have an increased energy below the separation energy S. Preferably, the distance to the Separation energy as low as possible. In a second method, the neutrons are supplied with a further energy E2, so that the neutrons have an energy state which is greater than the separation energy S and therefore the neutrons separate from the atomic nuclei. In this way, preferably slow neutrons can be generated without the need for a deceleration of the neutrons or radioactive material is formed. Preferably, using the described method, a pulsed neutron beam with high brilliance can be generated. Preferably, the free neutrons have an energy of less than 1 eV.

Dazu ist es vorteilhaft, im ersten Verfahren die erste Energie E1 mit einer brillanten Photonenstrahlung, insbesondere einem Gammastrahl mit einem Energiebereich von 1 bis 15 MeV, vorzugsweise 6 bis 8 MeV, auf die Neutronen zu übertragen, um die Neutronen in einen Halo-Zustand zu bringen. Vorzugsweise werden die Neutronen zu einem Energiezustand nahe an der Separationsenergie S angeregt. Ein Neutron in einem Halo-Zustand stellt einen zeitlich langlebigen Kernzustand dar, wobei sich das Neutron in einem angeregten Energiezustand befindet. Im Halo-Zustand ist das angeregte Neutron nur leicht an den Atomkern gebunden und kann sich weit entfernt vom Atomkern aufhalten. Im ersten Verfahren ist es vorteilhaft, die erste Energie E1 mit einer geringen Energiebandbreite ΔE auf die Neutronen zu übertragen. Dadurch werden die Neutronen der Atome nur auf einzelne wenige Energiezustände angehoben und weisen somit ähnliche oder identische Energiezustände auf. Die erste Energie kann vorzugsweise in einem Schritt auf die Neutronen mit einem Gammapulsstrahl übertragen werden.For this purpose, it is advantageous in the first method to transfer the first energy E1 with a brilliant photon radiation, in particular a gamma ray with an energy range of 1 to 15 MeV, preferably 6 to 8 MeV, to the neutrons in order to turn the neutrons into a halo state bring. Preferably, the neutrons are excited to an energy state close to the separation energy S. A neutron in a halo state represents a long-lived core state with the neutron in an excited energy state. In the halo state, the excited neutron is only slightly bound to the nucleus and can stay far away from the nucleus. In the first method it is advantageous to transfer the first energy E1 with a small energy band width ΔE to the neutrons. As a result, the neutrons of the atoms are raised to only a few energy states and thus have similar or identical energy states. The first energy may preferably be transmitted in one step to the neutrons with a gamma-ray pulse.

In dem folgenden zweiten Verfahren wird den im Halo-Zustand befindlichen Neutronen eine zweite Energie E2 zugeführt, um die Neutronen von den Atomkernen zu lösen. Die zweite Energie 2 kann vorzugsweise als Photonenstrahl, beispielsweise als Laserstrahl zugeführt werden. Auch dabei ist eine geringe Energiebandbreite des Photonenstrahls vorteilhaft, um einen brillanten Neutronenstrom zu erzeugen, der eine hohe Energieschärfe aufweist. Der Photonenstrahl kann gechirpt (mit ansteigender) Energie sein, um besonders kalte Neutronen zu produzieren. Dazu wird die Energie der Photonen während eines Pulses mit zunehmender Zeitdauer erhöht.In the following second method, the neutrons in the halo state are supplied with a second energy E2 to release the neutrons from the atomic nuclei. The second energy 2 can preferably be supplied as a photon beam, for example as a laser beam. In this case too, a small energy bandwidth of the photon beam is advantageous in order to produce a brilliant neutron current which has a high energy sharpness. The photon beam can be chirped (with increasing energy) to produce particularly cold neutrons. For this purpose, the energy of the photons is increased during a pulse with increasing duration.

Als Energiequelle für das erste Verfahren eignen sich vorzugsweise Gammastrahlen mit einer hohen Brillanz, die beispielsweise mithilfe einer Compton-Rückstreuung von Laserlicht an brillanten, hochenergetischen Elektronenbündeln erzeugt werden. Derzeit stehen Energiebandbreiten für Gammastrahlen mit einer Energie von 10 MeV zur Verfügung, die eine Energieverteilung im Bereich zwischen 0,01 und 0,001 Bandbreite, d. h. ΔE/E aufweisen. Mit ΔE ist das Energieintervall der Gammaquanten und mit E ist die maximale Energie der Gammaquanten bezeichnet. Weiterhin wird sich die Energiebandbreite der zur Verfügung stehenden Gammastrahlen in den nächsten Jahren bis auf einen Wert von 0,0001 ΔE/E verbessern. Zudem weisen die zur Verfügung stehenden Gammastrahlungsquellen bei einer Energie von 10 MeV eine Brillanz im Bereich von 1²⁰ (ph/mm²mrad²s 0,1% BW)) auf. Die Brillanz ist ein Maß für die Güte einer Strahlungsquelle, die die Anzahl der Photoneu (ph) pro Zeitintervall (s) pro Austrittsfläche (mm²) pro Raumwinkel (mrad²) pro relativer Energiebandbreite (BW) beschreibt. Eine hohe Brillanz bedeutet, dass eine große Anzahl von Photonen in einer sehr kurzen Zeit von einer kleinen Austrittsfläche in einen kleinen Raumwinkel pro relativer Energiebandbreite abgestrahlt wird. Es werden sehr viel brilliantere Gammastrahlen nach dem Prinzip der Compton-Rücksteuerung aufgebaut und sind vorteilhaft einzusetzen.As the energy source for the first method are preferably gamma rays with a high brilliance, which are generated for example by means of a Compton backscatter of laser light to brilliant, high-energy electron beams. Currently energy band widths for gamma-rays with an energy of 10 MeV are available which have an energy distribution in the range between 0.01 and 0.001 bandwidth, ie ΔE / E. ΔE is the energy interval of the gamma quanta and E is the maximum energy of the gamma quanta. Furthermore, the energy bandwidth of the available gamma rays will improve in the next few years to a value of 0.0001 ΔE / E. In addition, the available gamma radiation sources at an energy of 10 MeV a brilliance in the range of 1 ²⁰ (ph / mm ² mrad ² s 0.1% BW)) on. Brilliance is a measure of the quality of a radiation source that describes the number of photonsu (ph) per time interval (s) per exit area (mm ² ) per solid angle (mrad ² ) per relative energy bandwidth (BW). High brilliance means that a large number of photons are emitted in a very short time from a small exit surface to a small solid angle per relative energy band width. There are much more brilliant gamma rays built on the principle of Compton feedback and are advantageous to use.

Für die Berechnung der Energie der Gammaquanten wird für die Compton-Rückstreuung folgende Formel verwendet: Eγ = ((4γ²·EL)/(1 + (γθ)² + 4γ·EL/mc²)), wobei der γ-Faktor die Energie des Elektronenstrahls aus E = γ·mc² ist, Eγ die Energie der Photonen, θ der Winkel, den der Gammastrahl mit dem Elektronenstrahl einnimmt, EL die Energie der Photonen ist. Die Energie der Gammastrahlung Eγ nimmt mit zunehmendem Winkel θ ab. Eine schmale Bandbreite des Gammastrahls erfordert eine schmale Energieverteilung der Elektronenbündel (Δγ/γ), eine schmale Bandbreite der Laserstrahlung (ΔEL/EL), eine gute Emittenz des Elektronenstrahls mit einer kleinen Öffnung und einem kleinen Öffnungswinkel des Laserstrahls.For the calculation of the energy of the gamma quanta the following formula is used for the Compton backscatter: Eγ = ((4γ ² · EL) / (1 + (γθ) ² + 4γ · EL / mc ² )), where the γ-factor is the energy of the electron beam of E = γ · mc ² , Eγ is the energy of the photons, θ is the angle the gamma ray occupies with the electron beam, EL is the energy of the photons. The energy of the gamma ray Eγ decreases with increasing angle θ. A narrow bandwidth of the gamma ray requires a narrow energy distribution of the electron beams (Δγ / γ), a narrow bandwidth of the laser radiation (ΔEL / EL), a good emitter of the electron beam with a small aperture and a small aperture angle of the laser beam.

Das Loslösen der Neutronen mithilfe einer einzigen Energieanregung ist sehr ineffizient, da das Neutron dabei einen hohen Impuls von der Gammastrahlung aufnimmt. Der Impuls kann beispielsweise für ein Atom der Masse A = 180 und mit einer Gammastrahlung von 7 MeV im Bereich von 500 meV liegen. Für die Nutzung von thermischen Neutronen, deren Energie im Bereich von 25 meV liegt, kann nur für einen sehr schmalen Öffnungswinkel eine kleine Neutronenenergie, bei denen das Impulsmoment kompensiert wird, erhalten werden. Durch die Verwendung von zwei getrennten Verfahren, der ersten Anregung in den Halo-Zustand und einer zeitlich versetzten Abtrennung der Halo-Neutronen durch die Zuführung einer zweiten Energie kann dieses Problem vermieden werden, da die Halo-Kerne nach der Anhebung in den Halo-Zustand innerhalb von wenigen Picosekunden den über die Gammastrahlung aufgenommenen Impuls an die Außenwelt abgeben. Da die auf das Neutron im zweiten Verfahren übertragene Energie gering ist, nimmt das Neutron beim Loslösen vom Atom nur einen geringen Impuls von der Photonenstrahlung auf.Detaching the neutrons with a single energization is very inefficient because the neutron picks up a high pulse of gamma radiation. For example, the momentum may be in the range of 500 meV for an atom of mass A = 180 and with a gamma radiation of 7 MeV. For the use of thermal neutrons whose energy is in the range of 25 meV, a small neutron energy, in which the momentum moment is compensated, can be obtained only for a very narrow aperture angle. By using two separate methods, the first excitation into the halo state and a staggered separation of the halo neutrons by the supply of a second energy, this problem can be avoided since the halo nuclei after raising into the halo state Within a few picoseconds deliver the impulse taken over the gamma radiation to the outside world. Because the on the neutron in the second process transmitted energy is low, the neutron absorbs only a small impulse from the photon radiation when released from the atom.

Gammastrahlungsquellen, die das Compton-Rückstreuverfahren nutzen, sind beispielsweise in der HIγS-Anlage der Duke University, USA, installiert, bei der die primären Photonen mithilfe eines FEL-Lasers (freie Elektronen Laser) erzeugt werden, wobei mit Undulatoren ein räumlich periodisches Magnetfeld erzeugt wird und die Elektronen von einem Speicherring erzeugt werden. Dann werden in einem zweiten Schritt diese FEL-Photonen an einem zirkulierenden Elektronenstrahl rückgestreut um die γ-Strahlurig zu erzeugen. Weiterhin sind entsprechende Anlagen von Lawrence Livermore National Laboratory unter dem Namen Plajades, T-REX und MEGa-Ray bekannt, die auf einem warmen Elektronen-LINAC (Linear-Beschleuniger) und einem Faserlaser für die Rückstreuung beruhen.Gamma radiation sources using Compton backscattering are, for example, installed in the HIγS facility of Duke University, USA, where the primary photons are generated by a FEL laser (free electron lasers), with undulators producing a spatially periodic magnetic field and the electrons are generated by a storage ring. Then, in a second step, these FEL photons are backscattered on a circulating electron beam to produce the γ-ray path. Furthermore, corresponding equipment from Lawrence Livermore National Laboratory under the name Plajades, T-REX and MEGa-Ray are known, which are based on a warm electron LINAC (linear accelerator) and a fiber laser for the backscatter.

Nach unseren Untersuchungen eignen sich als Targetmaterial alle im Grundzustand stabilen Atome für Halo-Zustände, deren Energiezustände in der Nähe der Separationsenergie liegen, mit Atomkernen deren Massenzahl A zwischen 140 bis 180 oder deren Massenzahl A zwischen 40 und 60 liegt. Eine schmale Bandbreite der Energieverteilung der Gammastrahlung sorgt dafür, dass eine ausreichende Anzahl von Neutronen der Atome in Halo-Zuständen nahe der Separationsenergie angeregt werden können. Es eignen sich Atome, die zu einem Neutron-Halo-Zustand von einer mittleren Lebensdauer von wenigstens 1 ps angeregt werden können.According to our investigations, the target material is all atoms stable in the ground state for halo states whose energy states are in the vicinity of the separation energy, with atomic nuclei whose mass number A is between 140 and 180 or whose mass number A is between 40 and 60. A narrow bandwidth of energy distribution of the gamma radiation ensures that a sufficient number of neutrons of the atoms can be excited in halo states close to the separation energy. Atoms capable of being excited to a neutron halo state of an average lifetime of at least 1 ps are suitable.

3 zeigt eine Tabelle von möglichen Isotopen mit Angabe der Streulänge a und der Bindungsenergie S, die sich für die Erzeugung von freien Neutronen eignen. Diese Zustände wurden jedoch mit elastischer Streuung von thermischen Neutronen, also von oberhalb der Neutronenbindungsenergie, identifiziert. Anhand der Tabelle ist ersichtlich, dass die Separationsenergie für die Neutronen zwischen 5,8 und 12,2 MeV liegt. Bei der Anregung der Neutronen in den Halo-Zustand muss die Energie der γ-Strahlung niedriger als die Separationsenergie gewählt werden. Die 4A und 4B zeigen Tabellen von weiteren Isotopen die sich für die Erzeugung von Halo-Zuständen eignen. Mit A ist die Massenzahl, mit Z das chemische Element, mit % der prozentuale Anteil des Isotops an dem chemischen Element, mit I g der Spin des Grundzustandes, mit I core der Spin des Kerns ohne ein Neutron des Grundzustandes, mit E core die Energie des angeregten Kerns ohne ein Neutron, mit Sn die Separationsenergie eines Neutrons. 3 shows a table of possible isotopes indicating the scattering length a and the binding energy S, which are suitable for the generation of free neutrons. However, these states have been identified by elastic scattering of thermal neutrons, that is, above the neutron binding energy. The table shows that the separation energy for the neutrons is between 5.8 and 12.2 MeV. When the neutrons are excited into the halo state, the energy of the γ radiation must be chosen to be lower than the separation energy. The 4A and 4B show tables of further isotopes suitable for the generation of halo states. With A the mass number, with Z the chemical element, with% the percentage of the isotope at the chemical element, with I g the spin of the ground state, with I core the spin of the nucleus without a neutron of the ground state, with E core the energy of the excited nucleus without a neutron, with Sn the separation energy of a neutron.

Für die Erzeugung von freien Neutronen eignen sich insbesondere Atome mit Halo-Neutronenzuständen, deren mittlere Lebensdauer eine Mindestlange aufweist. Die Lebensdauer eines Halo-Neutrons liegt für eine Bindungsenergie von 1 eV bei einer mittleren Lebensdauer von typisch 10 μs und für die Bindungsenergie von 1 keV bei einer mittleren Lebensdauer von typisch 300 ps. Ein zeitlich hinreichend stabiler Zustand eines Halo-Neutrons wird bei einer mittleren Lebensdauer von mindestens 300 ps angenommen. Ab dieser Lebensdauer kann mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ein freies Neutron, erzeugt werden. Vorzugsweise weist ein Target nur Atome eines chemischen Elementes oder vorzugsweise nur Atome eines Isotops eines chemischen Elements auf.In particular, atoms with halo-neutron states whose average life has a minimum length are suitable for the generation of free neutrons. The lifetime of a halo neutron is typically 10 μs for a binding energy of 1 eV and 1 keV for the binding energy for an average lifetime of typically 300 ps. A sufficiently stable state of a halo-neutron is assumed for an average lifetime of at least 300 ps. From this lifetime, a free neutron can be generated using the described method. Preferably, a target has only atoms of a chemical element or preferably only atoms of an isotope of a chemical element.

Abhängig von dem Energieabstand des angeregten Halo-Zustandes von der Separationsenergie ist eine entsprechende Photonenquelle mit ausreichender Photonenenergie für das zweite Verfahren erforderlich, um das im Halo-Zustand befindliche Neutron über die Separationsenergie anzuregen. Somit kann ein Laserstrahl oder eine Röntgenstrahlung für das zweite Verfahren erforderlich sein.Depending on the energy separation of the excited halo state from the separation energy, a corresponding photon source with sufficient photon energy is required for the second process to excite the halo-state neutron via the separation energy. Thus, a laser beam or X-ray radiation may be required for the second method.

Die Anregung des Neutron-Halo-Zustandes mithilfe von Gamma- und Fotostrahlung kann mit folgender Breit-Wigner Formel für den Wirkungsquerschnitt σ abgeschätzt werden: σ(Eγ) = (λ²γ/4π)·g)·(Tγ·T2)/Eγ – Eτ)² + T)²/4), wobei g = (2·IA + 1)/(2·IB + 1) ein Spinfaktor für den Spin des Targets und des Photonenstrahls und λγ ist (ħc)/Eγ, wobei λγ die Wellenlänge der Gammastrahlung mit der Energie Eγ bezeichnet. ħ = h / 2π = reduzierte Planckkonstante. Diese Resonanz wird mit einer Breite Tγ angeregt und fällt mit einer Breite T2 ab. Die Resonanz hat die totale Breite T = Tγ + T2. Die mittlere Tγ-Breite ist bekannt und eine Funktion von der Massenzahl A und der Separationsenergie S der Neutronen. Beispielsweise ist die mittlere Resonanzbreite Tγ ungefähr 100 meV für einen Atomkern mit der Massenzahl A von 180 erhalten.The excitation of the neutron halo state using gamma and photon radiation can be estimated using the following Breit-Wigner formula for the cross section σ: σ (Eγ) = (λ ² γ / 4π) · g) · (Tγ · T2) / Eγ - Eτ) ² + T) ^2/4 ), where g = (2 × IA + 1) / (2 × IB + 1) is a spin factor for the spin of the target and the photon beam and λγ is (ħc) / Eγ, where λγ denotes the wavelength of the gamma radiation having the energy Eγ. ħ = h / 2π = reduced Planck constant. This resonance is excited with a width Tγ and decreases with a width T2. The resonance has the total width T = Tγ + T2. The mean Tγ width is known and a function of the mass number A and the separation energy S of the neutrons. For example, the average resonance width Tγ is about 100 meV for an atomic nucleus having the mass number A of 180.

Aufgrund dieser Situation dürfte für 60 verschiedene Isotope eine Möglichkeit bestehen, Halo-Zustände und Halo-Isomere zu erzeugen.Because of this situation, there may be a possibility for 60 different isotopes to generate halo states and halo isomers.

Durch die Kühlung des Targets zu niedrigen Temperaturen beispielsweise unter 50 K, insbesondere unter 10 K kann vorzugsweise ein größerer Resonanzquerschnitt für die Wechselwirkung der Kerne mit der Gamma- und Photonenstrahlung während des ersten und des zweiten Verfahrens erreicht werden. Zudem kann bei einer Kühlung vorzugsweise ein dünneres Substrat verwendet werden.By cooling the target to low temperatures, for example below 50 K, in particular below 10 K, a larger resonance cross section for the interaction of the cores with the gamma and photon radiation during the first and the second method can preferably be achieved. In addition, preferably a thinner substrate can be used for cooling.

Als Strahlungsquelle für das erste Verfahren wird beispielsweise eine Gammastrahlungsquelle mit 10¹³ Gammaquanten pro Sekunden mit einer Energie von ungefähr 7 MeV pro Gammaquant und einer Bandbreite (ΔE) bei einer Energie von ungefähr 7 keV (ΔE/E = 10^–3) verwendet. Mit dieser Gammastrahlungsquelle regen wir Atome zu Neutronen-Halo-Zuständen mit einer Energiebreite von ungefähr 100 meV an, so dass wir ungefähr 10⁸ angeregte Atome in einem Target in einer Fläche von 0,1 mm² erhalten. Nach einer entsprechenden Anregung durch Photonen werden Neutronen ausgesandt mit einem Öffnungswinkel von 100 mrad² und einer Bandbreite (ΔE/E) besser als 0,1%. Auf diese Weise erhalten wir eine mittlere Brillanz von 10⁶ Neutronen/((mm·mrad)²·0,1%·BW·s), wobei mit BW die Energiebandbreite ΔE bezeichnet ist. Für die weitere Betrachtung können wir von einer Brillanz von 10⁵ Neutronen/((mm·mrad)²·0,1%·BW·s) ausgehen, da nicht immer 0,1% BW erreicht wird. Auf diese Weise sind wir jedoch schon zwei Größenordnungen besser als die Brillanz von Reaktoren. Aufgrund der Targetdicke von ungefähr 1 mm, die erforderlich ist, um alle resonanten Photonen durch die resonanten Atome zu absorbieren und aufgrund der langsamen Geschwindigkeit der Neutronen von ungefähr ≤ 2000 m/s, pulsen wir vorzugsweise den monoenergetischen Neutronenstrahl mit einer Pulsdauer von 1 μs. Auf diese Weise wird die Spitzenbrillanz um einen Faktor von 10⁶ bis zu einem Bereich von einer Spitzenbrillanz von ungefähr 10¹¹ Neutronen/((mm·mrad)²·0,1%·BW·s) verbessert.As a radiation source for the first method, for example, a gamma radiation source with 10 ¹³ gamma quanta per second with an energy of about 7 MeV per gamma quantum and of a bandwidth (ΔE) at an energy of about 7 keV (ΔE / E = 10 ^-3 ). With this gamma radiation source, we excite atoms to neutron halo states with an energy width of about 100 meV, so that we get about 10 ⁸ excited atoms in a target in an area of 0.1 mm ² . After a corresponding excitation by photons, neutrons are emitted with an aperture angle of 100 mrad ² and a bandwidth (ΔE / E) better than 0.1%. In this way we obtain a mean brilliance of 10 ⁶ neutrons / ((mm · mrad) ² · 0.1% · BW · s), where BW denotes the energy band width ΔE. For further consideration, we can assume a brilliance of 10 ⁵ neutrons / ((mm · mrad) ² · 0.1% · BW · s), since 0.1% BW is not always achieved. In this way, however, we are already two orders of magnitude better than the brilliance of reactors. Due to the target thickness of approximately 1 mm, which is required to absorb all resonant photons by the resonant atoms and due to the slow speed of the neutrons of approximately ≤ 2000 m / s, we preferentially pulse the monoenergetic neutron beam with a pulse duration of 1 μs. In this way, the peak brilliance is improved by a factor of 10 ⁶ to a range of peak brilliance of about 10 ¹¹ neutrons / ((mm · mrad) ² · 0.1% · BW · s).

Für einen Halo-Zustand eines Neutrons von 1 keV Abstand zur Separationsenergie S ist eine entsprechend energiereiche Photonenquelle für das zweite Verfahren erforderlich, das jedoch aufgrund der hohen erforderlichen Energie von 1 keV in Form einer Röntgenquelle zur Verfügung stehen muss. Sie kann mit Undulatoren mit dem bestehenden Elektronenstrahl erzeugt werden.For a halo state of a neutron of 1 keV distance to the separation energy S, a correspondingly high-energy photon source is required for the second method, which, however, must be available in the form of an x-ray source due to the high required energy of 1 keV. It can be generated with undulators with the existing electron beam.

Die Neutronenpulsdauer von ungefähr 1 μs wird im Wesentlichen durch die Dicke des Targets bestimmt. Eine Verkürzung der Neutronenpulsdauer kann dadurch erreicht werden, dass ein dünneres Target verwendet wird. Vorzugsweise wird ein Stapel von mehreren dünnen Schichten von Atomen als Target verwendet, mit dem eine Gruppe von Mikrobündeln von Neutronen mit kürzerer Zeitdauer im Bereich von Nanosekunden anstatt von Mikrosekunden erzeugt werden kann. Jedoch sollte dann auch die zu untersuchende Probe eine geringe Dicke im Bereich von Nanometern aufweisen, um eine längere Zeitverzögerung und eine Aufweitung der Neutronenpulse zu vermeiden.The neutron pulse duration of approximately 1 μs is essentially determined by the thickness of the target. A shortening of the neutron pulse duration can be achieved by using a thinner target. Preferably, a stack of multiple thin layers of atoms is used as a target, with which a set of microbatches of shorter duration neutrons can be generated in the range of nanoseconds rather than microseconds. However, then the sample to be examined should also have a small thickness in the nanometer range in order to avoid a longer time delay and an expansion of the neutron pulses.

Weiterhin kann eine entsprechende Frequenzmodulation der Photonenquelle während des zweiten Verfahrens dafür verwendet werden, um die Brillanz des Neutronenstrahls zu erhöhen. Durch die Frequenzmodulation wird die Bandbreite der freien Neutronen verbessert, da der Wirkungsquerschnitt für das Lösen eines Neutrons aus dem Halo-Zustand von der Energie der Photonen abhängt. Zudem kann die Brillanz der freien Neutronen verbessert werden, wenn die Photonenstrahlung im ersten Verfahren eine andere effektive Dicke des Targets bestrahlt als die Photonenstrahlung des zweiten Verfahrens. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Einstrahlwinkel erreicht werden.Furthermore, a corresponding frequency modulation of the photon source during the second process may be used to increase the brilliance of the neutron beam. Frequency modulation improves the bandwidth of the free neutrons, as the cross section for the release of a neutron from the halo state depends on the energy of the photons. In addition, the brilliance of the free neutrons can be improved if the photon radiation in the first method irradiates a different effective thickness of the target than the photon radiation of the second method. This can be achieved, for example, by different angles of incidence.

Zudem können bei Vorliegen von Neutronen mit Halo-Zuständen, die einen geringen Energieabstand zur Separationsenergie aufweisen, mithilfe eines monoenergetischen Laserstrahls im zweiten Verfahren extrem monoenergetische und langsame Neutronenstrahlen mit langer Zeitdauer erzeugt werden. Bei einem kohärenten Photonenfeld der Photonenquelle für das zweite Verfahren kann eine verbesserte Ausrichtung der Neutronen in der Richtung der Laserpolarisierung erreicht werden aufgrund der kollektiven Ausrichtung der geladenen Atomkerne in Bezug auf die im Halo-Zustand befindlichen Neutronen und aufgrund des großen Dipolmomentes, so dass eine um 10⁴ höhere Brillanz des Neutronenstrahls erreicht wird. Durch die Einstellung der Richtung des elektromagnetischen Feldes der Photonenstrahlung, die für das zweite Verfahren verwendet wird, um die Neutronen vom Kern zu lösen, kann die Richtung eingeschränkt werden, in die die freien Neutronen ausgesandt werden. Damit kann durch eine entsprechende Richtungsvorgabe ein Neutronenleiter zur Aufnahme der freien Neutronen festgelegt werden.In addition, in the presence of neutrons with halo states that have a small energy gap to the separation energy, using a monoenergetic laser beam in the second method extremely long-term monoenergetic and slow neutron beams can be generated. In a coherent photon field of the photon source for the second method, an improved alignment of the neutrons in the direction of the laser polarization can be achieved due to the collective alignment of the charged atomic nuclei with respect to the halo-state neutrons and due to the large dipole moment, so that one 10 ⁴ higher brilliance of the neutron beam is achieved. By adjusting the direction of the electromagnetic field of the photon radiation used for the second method to detach the neutrons from the nucleus, the direction in which the free neutrons are emitted can be restricted. Thus, a neutron guide for recording the free neutrons can be determined by an appropriate direction specification.

Vorzugsweise können ohne größere Verluste der Intensität vollständig polarisierte Neutronenstrahlen erhalten werden. Dazu können vollständig polarisierte Gammastrahlen im ersten Verfahren verwendet werden, die durch einen Compton-Rückstreuprozess eines vollständig polarisierten Laserstrahls an relativistischen Elektronenbündeln erzeugt werden. Wenn man ein Atom von einem Grundzustand zu einem vollständig polarisierten Halo-Zustand anregt, wird ein vollständig polarisierter Neutronenstrahl erreicht, da deren orbitaler Drehimpuls gleich 0 ist. Durch ein Umschalten der Polarisation des ersten Laserstrahls für die Gammastrahlung, kann von Puls zu Puls die Polarisation des Neutronenstrahls verändert werden. Da der Spin des Neutrons mit dem magnetischen Dipolmoment des Neutrons gekoppelt ist, wird eine vollständige Ausrichtung der Polarisation des Neutronenstrahls ermöglicht.Preferably, fully polarized neutron beams can be obtained without significant loss of intensity. For this purpose, fully polarized gamma rays may be used in the first method, which are generated by a Compton backscattering process of a fully polarized laser beam on relativistic electron beams. When an atom is excited from a ground state to a fully polarized halo state, a fully polarized neutron beam is achieved because its orbital angular momentum equals zero. By switching the polarization of the first laser beam for the gamma radiation, the polarization of the neutron beam can be changed from pulse to pulse. Since the spin of the neutron is coupled to the magnetic dipole moment of the neutron, complete alignment of the neutron beam polarization is enabled.

Die Anwendung von Neutronenstrahlen, insbesondere die Neutronenstreuung erfährt derzeit eine starke Entwicklung Richtung kalter und thermischer Mikroneutronenstrahlen zur Untersuchung von Strukturen und dynamischen Anregungen von kleinen Proben unter extremen Bedingungen, z. B. im Bereich der Festkörper- und Weichkörperphysik. Insbesondere im Bereich der Reflektometrie, der schmalen Winkelstreuung (SANS) und der Beugung kann der hoch brillante und dünne Neutronenstrahl erfolgreich eingesetzt werden. Mithilfe der neuen Neutronenquelle kann ein großer Forschungsbereich in der Grundlagenforschung und in der angewandten Forschung eröffnet werden.The application of neutron beams, in particular neutron scattering, is currently experiencing strong development in the direction of cold and thermal microneutron beams for studying structures and dynamic excitations of small samples under extreme conditions, e.g. B. in the field of solid state and soft body physics. Especially in the field of reflectometry, the narrow angle spread (SANS) and the diffraction can the highly brilliant and thin neutron beam can be used successfully. The new neutron source will open up a large area of research in basic and applied research.

Die Gründe für das große Interesse an einem brillanten Neutronenstrahl mit einem Durchmesser in der Größenordnung von kleiner als 1 mm bis zu 30 μm liegt beispielsweise darin, dass neue Materialien mit außergewöhnlichen Funktionen oder Eigenschaften, beispielsweise in Bezug auf den Magnetwiderstand oder magnetoelektrischer Kopplung nur in kleinen Mengen hergestellt werden können. Für die Untersuchung der magnetischen und gitterdynamischen Eigenschaften ist die Neutronenstreuung beispielsweise ein sehr hilfreiches Mittel. Weiterhin liegt eine Anwendung der neuen Neutronenquelle im Bereich der Untersuchung von Quantenphasenübergängen oder im Bereich der Geowissenschaft, in der Proben einem Druck von 30 MPa ausgesetzt werden. Die Anwendung von hohen Drücken erfordert eine geringe Probengröße. Zur Unterscheidung des Signals der Probe und von dem Signal der Druckanlage ist eine exzellente Fokussierung des Neutronenstrahls mit einer hohen Intensität erforderlich. Auch können biologische Proben und Vielschichtstrukturen oftmals nur in kleinen Größen präpariert werden. Somit können auch medizinische Untersuchungen mit Neutronen durchgeführt werden. Weiterhin kann die Empfindlichkeit der Detektoren mithilfe eines kleinen Neutronenstrahls verbessert werden.The reasons for the great interest in a brilliant neutron beam with a diameter in the order of less than 1 mm up to 30 microns, for example, is that new materials with exceptional functions or properties, for example in relation to the magnetoresistance or magnetoelectric coupling only in small Quantities can be produced. For example, neutron scattering is a very useful tool for studying magnetic and lattice dynamics properties. Furthermore, one application of the new neutron source is in the field of quantum phase transitions or geoscience testing in which samples are subjected to a pressure of 30 MPa. The application of high pressures requires a small sample size. To distinguish the signal of the sample and the signal of the printing system, an excellent focusing of the neutron beam with a high intensity is required. Also, biological samples and multilayer structures can often only be prepared in small sizes. Thus, medical examinations with neutrons can be performed. Furthermore, the sensitivity of the detectors can be improved with the help of a small neutron beam.

5 zeigt in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung von Mikroneutronenstrahlen. Dabei ist eine erste Strahlenquelle 1 vorgesehen, die einen ersten Photonenstrahl 2 auf ein Target 3 abgibt. Gegenüberliegend zu der ersten Strahlenquelle 1 in Bezug auf das Target 3 ist eine Auffangvorrichtung 4 vorgesehen. Die Auffangvorrichtung 4 fängt den Teil der ersten Photonenstrahlung 2 auf, der nicht vom Target 3 aufgenommen oder abgelenkt wird. Weiterhin ist eine zweite Strahlenquelle 5 vorgesehen, die einen zweiten Photonenstrahl 6 für das zweite Verfahren bereithält. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der zweite Photonenstrahl 6 der zweiten Strahlenquelle 5 über eine Ablenkeinrichtung 7 von oben im senkrechten Winkel zu einer Beobachtungsebene 9 auf das Target 3 geführt. Die erste und die zweite Strahlenquelle 1, 5 stehen mit einer Steuereinheit 12 in Verbindung, die die erste und die zweite Strahlenquelle 1, 5 nach abgespeicherten Steuerverfahren ansteuert. Zur Kühlung des Targets kann eine Kühlvorrichtung 20 vorgesehen sein, die mit dem Target 3 thermisch leitend verbunden ist und das Target kühlt, insbesondere unter 50 Kelvin, vorzugsweise unter 10 Kelvin. 5 shows a schematic representation of the basic structure of a device for generating microneutron beams. Here is a first radiation source 1 provided a first photon beam 2 on a target 3 emits. Opposite to the first radiation source 1 in relation to the target 3 is a catcher 4 intended. The collecting device 4 captures the part of the first photon radiation 2 up, not from the target 3 taken or distracted. Furthermore, a second radiation source 5 provided a second photon beam 6 for the second method. In the illustrated embodiment, the second photon beam 6 the second radiation source 5 via a deflection device 7 from above at a vertical angle to an observation plane 9 on the target 3 guided. The first and the second radiation source 1 . 5 stand with a control unit 12 in conjunction, the first and the second radiation source 1 . 5 according to stored control method controls. For cooling the target, a cooling device 20 be provided with the target 3 is thermally conductively connected and cools the target, in particular below 50 Kelvin, preferably below 10 Kelvin.

Vorzugsweise stellt die zweite Strahlenquelle 5 einen linear polarisierten zweiten Photonenstrahl 6 zur Verfügung. Aufgrund der linearen Polarisierung werden die vom Target 3 abgegebenen Neutronen 13 in der Beobachtungsebene 9 abgegeben. Weiterhin wird vorzugsweise eine Blende 10 mit einer Öffnung 11 zur Fokussierung des ersten Photonenstrahls 2 zwischen der ersten Strahlenquelle 1 und dem Target 3 angeordnet. Die erste Strahlenquelle 1 ist dazu ausgebildet, um beispielsweise Gammastrahlen mit einer Energie im Bereich von 1 bis 15 MeV abzugeben. Zudem kann vorzugsweise die Gammastrahlung linear polarisiert sein.Preferably, the second radiation source 5 a linearly polarized second photon beam 6 to disposal. Due to the linear polarization, those of the target 3 emitted neutrons 13 in the observation plane 9 issued. Furthermore, preferably, a diaphragm 10 with an opening 11 for focusing the first photon beam 2 between the first radiation source 1 and the target 3 arranged. The first radiation source 1 is designed, for example, to emit gamma rays with an energy in the range of 1 to 15 MeV. In addition, the gamma radiation may preferably be linearly polarized.

Mithilfe der Gammastrahlung werden Atome des Targets 3 zu einem Halo-Zustand angeregt, indem ein Neutron des Atomkerns zu einem Halo-Zustand angeregt wird. Anschließend wird in einem zweiten Verfahren das Target 3 mit dem zweiten Photonenstrahl 6 bestrahlt, so dass Neutronen, die sich im Halo-Zustand befinden, von den Atomen und damit vom Target 3 gelöst werden und davonfliegen. Die Neutronen werden in einem schmalen Winkel abgestrahlt, der von der Polarisierungsrichtung des zweiten Photonenstrahls 6 abhängt. Zur Leitung der Neutronen sind Neutronenleiter vorgesehen, wobei die Neutronenleiter eine elliptische oder parabolische Form aufweisen können, um die Neutronen zu führen. Die Neutronenleiter sind in der Weise ausgebildet, dass ein hoher Neutronenfluss die Neutronenleiter nicht beschädigt und dass die Neutronenleiter hochenergetische Neutronen nicht leiten. Dazu können die Neutronenleiter vorzugsweise eine Beschichtung aufweisen, die einen Bandpassfilter bereitstellt. Aufgrund des Bandpassfilters werden nur Neutronen mit einem bestimmten Wellenlängenbereich entlang des Neutronenleiters geführt. Solche Neutronenleiter stellen eine etablierte Technologie dar.Gamma rays become atoms of the target 3 is excited to a halo state by exciting a neutron of the atomic nucleus to a halo state. Subsequently, in a second method, the target 3 with the second photon beam 6 irradiated, so that neutrons, which are in the halo state, of the atoms and thus of the target 3 be solved and fly away. The neutrons are emitted at a narrow angle, that of the polarization direction of the second photon beam 6 depends. Neutron conductors are provided for guiding the neutrons, wherein the neutron conductors may have an elliptical or parabolic shape to guide the neutrons. The neutron guides are designed in such a way that a high neutron flux does not damage the neutron conductors and that the neutron guides do not conduct high-energy neutrons. For this purpose, the neutron conductors may preferably have a coating which provides a bandpass filter. Due to the bandpass filter, only neutrons with a certain wavelength range are guided along the neutron guide. Such neutron guides are an established technology.

Da das elektrische Feld der zweiten Photonenstrahlung 6 in entgegengesetzten Richtungen oszilliert, werden die Neutronen zur gleichen Zeit in entgegengesetzten Richtungen abgestrahlt. Weiterhin können vorzugsweise Chopper verwendet werden, um den Neutronenstrahl weiter zu formen.As the electric field of the second photon radiation 6 oscillates in opposite directions, the neutrons are emitted at the same time in opposite directions. Furthermore, choppers may preferably be used to further shape the neutron beam.

Zusätzlich zu parabolischen oder elliptischen Neutronenleitern können auch gerade Neutronenleiter verwendet werden. Der Vorteil gerader Neutronenleiter besteht darin, Reflexionsverluste zu vermeiden, da nur eine Reflexion eines Neutrons über die gesamte Leitungslänge auftritt und das Target im Brennpunkt des Führungssystems angeordnet ist.In addition to parabolic or elliptical neutron guides, even neutron guides can be used. The advantage of straight neutron guide is to avoid reflection losses, since only a reflection of a neutron over the entire length of the line occurs and the target is located at the focal point of the guide system.

Ein zweiter Brennpunkt eines elliptischen Neutronenleiters ist entweder am Standort eines Choppers oder an der Stelle einer zu untersuchenden Probe angeordnet. Zudem kann der zweite Brennpunkt die virtuelle Quelle eines fokussierenden Monochrometers oder die Quelle für eine konische Abbildung sein.A second focus of an elliptical neutron guide is located either at the site of a chopper or at the site of a sample to be examined. In addition, the second focus may be the virtual source of a focusing Monochrometer or the source for a conical picture.

Eine direkte Verbindung zwischen dem Target und der zu untersuchenden Probe kann mit Blendelementen innerhalb des Neutronenleiters abgeblockt sein. Auf diese Weise werden alle anderen Strahlungen, die beispielsweise vom Target abgegeben werden, wie z. B. Gammastrahlen oder andere Neutronen, unterdrückt. Zudem wird eine zeitliche Verschmierung der Zeitstruktur der sehr kurzen Neutronenstrahlen reduziert, da der Flugweg der Neutronen nicht von der Divergenz abhängt.A direct connection between the target and the sample to be examined may be blocked with glare elements within the neutron guide. In this way, all other radiations that are emitted, for example, from the target, such. As gamma rays or other neutrons suppressed. In addition, a temporal smearing of the time structure of the very short neutron beams is reduced because the flight path of the neutrons does not depend on the divergence.

Für eine kleine Winkel oder eine Spiegelung ist ein parabolischer Neutronenleiter vorteilhaft, um den brillanten Mikroneutronenstrahl zu einer größeren Querschnittsfläche aufzuweiten und um die Divergenz zu verkleinern. Tatsächlich kann das Design der Neutronenleiter in der Weise angepasst sein, dass der Phasenraum der Neutronen an jede Strahlgröße im Bereich der Größe des Targets von 100 μm bis zu 1 mm angepasst ist. Unter Verwendung einer Kirkpatrick-Baez-Geometrie für die Neutronenleiter können die Neutronenstrahlen effektiv bis zu einer Fläche von einigen 10 μm oder weniger fokussiert werden.For a small angle or reflection, a parabolic neutron guide is advantageous for expanding the brilliant microneutron beam to a larger cross-sectional area and for reducing the divergence. In fact, the design of the neutron guides may be adapted such that the phase space of the neutrons is matched to any beam size in the range of the size of the target from 100 μm to 1 mm. Using a Kirkpatrick-Baez geometry for the neutron guides, the neutron beams can be effectively focused to an area of a few tens of μm or less.

Vorzugsweise werden die Neutronenleiter für eine effiziente Abführung und Leitung der Neutronen vom Target zur Probe möglichst nahe am Target angeordnet. In der Nähe des Targets ist die Strahlungsbelastung sehr hoch und kann zu einer Beschädigung von Neutronenleitern aus Glas führen. Diese Situation wird dadurch verbessert, dass Neutronenleiter verwendet werden, die hoch polierte Metalloberflächen, beispielsweise aus Aluminium oder Eisen aufweisen und mit einem Anfangsbereich nahe an dem Target angeordnet sein können.Preferably, the neutron guides are arranged as close as possible to the target for efficient removal and conduction of the neutrons from the target to the sample. Radiation exposure is very high near the target and can damage glass neutron guides. This situation is improved by using neutron guides which have highly polished metal surfaces, for example of aluminum or iron, and which may be arranged with an initial region close to the target.

Bei der Annahme, dass das Target einen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm aufweist, können mithilfe des beschriebenen Verfahrens ein Neutronenstrahl mit einer gemittelten Brillanz von 10⁵ Neutronen/((mm·mrad)²·0,1%·BW·s) erzeugt werden. Der Abstrahlungswinkel für die Neutronen kann im Bereich von 10⁴ mrad² liegen. Gehen wir von einer Energie von 80 meV für die freien Neutronen, d. h. einer Wellenlänge λ von 1 Å aus, und unterstellen wir, dass die Neutronenleiter einen Superspiegel mit einem Index von m = 7 aufweisen, wobei der Winkel der Totalreflexion des Superspiegels 0,7° ist. Gehen wir von einem elliptischen Neutronenleiter aus, der Neutronen mit einer Divergenz von ungefähr 2° führt, was einem Öffnungswinkel von 1200 mrad² entspricht, wobei der Neutronenstrahl eine Bandbreite von 2 meV aufweist und auf einen Bereich mit einem Durchmesser von 0,1 mm konzentriert ist, dann erhalten wir einen Neutronenfluss von 3·10⁹ Photonen pro mm² und Sekunde mit einer Divergenz von 2°. Für einen Strahl mit einem Durchmesser von ungefähr 10 mm erhalten wir mit der gleichen Abschätzung einen Neutronenfluss von 3·10⁵ Neutronen pro mm² und Sekunde mit einem sehr schmalen Divergenzwinkel von 0,02°.In the assumption that the target has a diameter of about 0.1 mm, a neutron beam can use the described method with an average brightness of 10 ⁵ neutrons / ((· mm · mrad) ² · 0.1% BW · s) be generated. The emission angle for the neutrons can be in the range of 10 ⁴ mrad ² . Assuming an energy of 80 meV for the free neutrons, ie a wavelength λ of 1 Å, we assume that the neutron guides have a supermirror with an index of m = 7, where the total reflection angle of the supermirror is 0.7 ° is. Assuming an elliptical neutron guide that guides neutrons with a divergence of approximately 2 °, which corresponds to an aperture angle of 1200 mrad ² , the neutron beam has a bandwidth of 2 meV and is concentrated to a range of 0.1 mm diameter is, then we get a neutron flux of 3 · 10 ⁹ photons per mm ² and second with a divergence of 2 °. For a beam with a diameter of approximately 10 mm we obtain with the same estimate a neutron flux of 3 x 10 ⁵ neutrons per mm ² and second with a very narrow divergence angle of 0.02 °.

Der neu beschriebene Typ der Neutronenquelle kann in einem gepulsten Mode oder in einem Pseudo-Continuous-Wave-Mode betrieben werden. Aufgrund der Pulsstruktur und der Wiederholungsfrequenz der beteiligten Elektronen- und Photonenquellen kann auf einfache Weise eine Anpassung an einen großen Bereich von Parametern erreicht werden. Durch ein Umschalten der Polarisationsebene des elektromagnetischen Feldes der zweiten Strahlungsquelle während der Bestrahlung können Neutronen mit verschiedenen Energieniveaus kontinuierlich erzeugt werden. Bei einer niedrigen Pulsrate kann die Gefahr der Überlappung reduziert werden. Zudem kann durch die Verwendung eines vollständig polarisierten Neutronenstrahls mithilfe eines polarisierten ersten Photonenstrahls, insbesondere einer polarisierten Gammastrahlung ohne Verluste der Brillanz es ermöglicht werden, magnetische Materialien und weiche Materialien mit stark inkohärenter Streuung zu untersuchen. Durch die Analyse der Polarisation der gestreuten Neutronen können detaillierte Informationen über die Ausrichtung der magnetischen Momente in der Probe und über die Wechselwirkung von Gitterstrukturen untersucht werden.The newly described type of neutron source can be operated in a pulsed mode or in a pseudo-continuous wave mode. Due to the pulse structure and the repetition frequency of the electron and photon sources involved, adaptation to a wide range of parameters can be easily achieved. By switching the polarization plane of the electromagnetic field of the second radiation source during the irradiation, neutrons with different energy levels can be generated continuously. At a low pulse rate, the risk of overlapping can be reduced. In addition, by using a fully polarized neutron beam with the help of a polarized first photon beam, in particular a polarized gamma radiation without loss of brilliance, it is possible to study magnetic materials and soft materials with highly incoherent scattering. By analyzing the polarization of the scattered neutrons, detailed information on the orientation of the magnetic moments in the sample and on the interaction of lattice structures can be investigated.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anlage zur Erzeugung von freien Neutronen, bei der die erste Strahlenquelle 1 einen Elektronenlinearbeschleuniger mit Energierückgewinnung (ERLinac) aufweist, der die Elektronen auf eine Energie von 600 MeV beschleunigt. Eine dritte Strahlungsquelle 23 in Form eines Lasers ist in der Anordnung dazu vorgesehen, um die erste Photonenstrahlung in Form von Gammastrahlung durch einen Beschuss der Elektronenpakete mit Hilfe einer dritten Photonenstrahlung 24 zu erzeugen. Dazu ist ein entsprechendes Spiegelsystem 15 vorgesehen, um den dritten Photonenstrahl 24 um die umlaufende Intensität in der Überhöhungsaktivität der vier Spiegel stark zu vergrößern. Der niederenergetische, zweite von oben kommende Photonenstrahl (5), der im zweiten Verfahren zur Lösung der Neutronen aus den Halozuständen verwendet wird, ist in 6 nicht eingezeichnet. Der zweite Photonenstrahl wird senkrecht auf die Bildebene von oben auf das Target gerichtet. Der zweite Photonenstrahl wird von einer zweiten Strahlungsquelle erzeugt, wie in 5 dargestellt. Am Target 3 sind mehrere Neutronenleiter 14 angeordnet, die die erzeugten Neutronen zu verschiedenen Untersuchungsbereichen leiten. Die Neutronen können beispielsweise für Abbildungsversuche, kleine Winkelstreuungsversuche oder Streuversuche eingesetzt werden. Zudem können die Neutronen über monochromatische Filter einer Probe zugeführt werden. Weiterhin können die Neutronen für die Bestimmung der Flugzeit oder die Bestimmung der Polarisierung der Neutronen ausgewertet werden. Dazu sind entsprechende zu untersuchende Proben 8, Filter 16, Chopper 17 und Detektoren 18 vorgesehen. 6 shows a further embodiment of the system for generating free neutrons, wherein the first radiation source 1 has an energy recovery electron linear accelerator (ERLinac) that accelerates the electrons to an energy of 600 MeV. A third radiation source 23 in the form of a laser is provided in the arrangement to the first photon radiation in the form of gamma radiation by bombardment of the electron packets by means of a third photon radiation 24 to create. This is a corresponding mirror system 15 provided to the third photon beam 24 to greatly increase the circulating intensity in the peaking activity of the four mirrors. The low-energy, second photon beam coming from above ( 5 ) used in the second method of solubilizing the neutrons from the halo states is in 6 not shown. The second photon beam is directed perpendicular to the image plane from above onto the target. The second photon beam is generated by a second radiation source, as in FIG 5 shown. At the target 3 are several neutron guides 14 arranged, which direct the generated neutrons to different examination areas. The neutrons can be used, for example, for imaging experiments, small angular scattering experiments or scattering experiments. In addition, the neutrons can be fed to a sample via monochromatic filters become. Furthermore, the neutrons can be evaluated for the determination of the time of flight or the determination of the polarization of the neutrons. These are appropriate samples to be examined 8th , Filters 16 , Chopper 17 and detectors 18 intended.

Die hoch brillante Gammaquelle kann mit einem Elektronenlinearbeschleuniger erzeugt werden. Dabei kann mithilfe eines 100-mA-Elektronenstromes eine hohe Brillanz von typischerweise 8 pC und einer Frequenz von 1,3 GHz mit einem Fluss von 10¹⁵ Gammaquanten pro Sekunde erzeugt werden. Bei so hohen Elektronenströmen ist eine Energierückgewinnung bei den Elektronen (ERL) mit einem supraleitenden Beschleuniger (siehe 6) zweckmäßig. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können auch sogenannte warme lineare Elektronenbeschleuniger (Linae) mit einem Strom von 3 μA verwendet werden. Die normierte Emittanz der Gammastrahlung kann im Bereich von 0,1 bis 0,18 mm·mrad liegen. Die Energieschärfe (ΔE/E) kann im Bereich von 10^–3 bis 5·10^–5 liegen. Die Pulsrate für die Gammastrahlung kann im Bereich von 10 kHz bis zu einem Bereich von 5 GHz liegen. Die Ladung eines Elektronenbündels kann dabei zwischen 250 Picocoulomb (pC) für den warmen Elektronen-Linac und 8 Picocoulomb (pC) für einen gekühlten Elektronen-Linac liegen. Die zweite Photonenquelle kann eine Wiederholfrequenz von 120 Hz bis zu 5 GHz aufweisen. Die Pulsdauer der zweiten Photonenquelle kann im Bereich von wenigen Picosekunden liegen. Die Pulsenergie kann zwischen 1,5 Joule für den warmen Linearbeschleuniger und 40 bis 1 Millijoule für den kalten Linearbeschleuniger liegen. Die gespeicherte Energie kann zwischen einigen MW bis einigen 100 Megawatt liegen.The highly brilliant gamma source can be generated with an electron linear accelerator. Using a 100 mA electron current, a high brilliance of typically 8 pC and a frequency of 1.3 GHz can be generated with a flux of 10 ¹⁵ gamma quanta per second. At such high electron currents, an energy recovery at the electrons (ERL) with a superconducting accelerator (see 6 ) appropriate. Depending on the chosen embodiment, so-called warm linear electron accelerators (Linae) with a current of 3 μA can also be used. The normalized emittance of the gamma radiation may be in the range of 0.1 to 0.18 mm · mrad. The energy sharpness (ΔE / E) can be in the range of 10 ^-3 to 5 × 10 ^-5 . The pulse rate for the gamma radiation may range from 10 kHz up to a range of 5 GHz. The charge of an electron beam can be between 250 picocoulomb (pC) for the warm electron linac and 8 picocoulomb (pC) for a cooled electron linac. The second photon source may have a repetition frequency of 120 Hz to 5 GHz. The pulse duration of the second photon source can be in the range of a few picoseconds. The pulse energy can be between 1.5 joules for the warm linear accelerator and 40 to 1 millijoules for the cold linear accelerator. The stored energy can range from a few megawatts to a few 100 megawatts.

Mithilfe der beschriebenen Linearbeschleuniger kann mithilfe der Compton-Rückstreuung eine Gammastrahlung mit einer Energie von 1 bis 13 MeV, eine Gammaquantenfluss von 10¹³ bis 5·10¹⁵ Gammaquanten/Sekunde mit einer Bandbreite (ΔE/E) von 10^–3 bis 4·10^–5, einem Strahlquerschnitt von 15 bis 25 μm und einer Spitzenbrillanz von 2·10²¹ bis 6·10²⁴ Photonen/(mm²·mmrad²·s·0,1%·Bandbreite) erreicht werden. Auf diese Weise wird eine mittlere Brillanz von 3·10¹⁹ für einen warmen Elektronenlinearbeschleuniger und 3·10²¹ für einen gekühlten Elektronenlinearbeschleuniger erreicht.With the aid of the described linear accelerators, Compton backscattering can be used to generate gamma rays with an energy of 1 to 13 MeV, a gamma quantum flux of 10 ¹³ to 5 · 10 ¹⁵ gamma quanta / second with a bandwidth (ΔE / E) of 10 ^-3 to 4 · 10 ^-5 , a beam cross section of 15 to 25 .mu.m and a peak brilliance of 2 × 10 ²¹ to 6 × 10 ²⁴ photons / (mm ² · mmrad ² · s · 0.1% · bandwidth) can be achieved. In this way, an average brilliance of 3 × 10 ¹⁹ for a warm electron linear accelerator and 3 × 10 ²¹ for a cooled electron linear accelerator is achieved.

Entsprechend aufgebaute erste Strahlenquellen 1 sind in den Berichten ”Infrastructure producing high intensity gamma rays for ELI nucleophysics”, Bukarest-Magorele, Romania, for ELIgamma source working group, May 31, 2010 , ”High-flux and high-brightness gamma-ray source based an an energy-recovery linac” von R. Haitchima, Japan, Atomic Energy Agency, ELI-NP, April 12–13, 2010 , beschrieben.Correspondingly constructed first radiation sources 1 are in the reports "Infrastructure producing high intensity gamma rays for ELI nucleophysics", Bucharest-Magorele, Romania, for ELIgamma source working group, May 31, 2010 . R. Haitchima, Japan, Atomic Energy Agency, ELI-NP, April 12-13, 2010 "High-flux and high-brightness gamma-ray source based on energy-recovery linac" , described.

Die Verwendung von Gammastrahlung zum Anregen und Untersuchen von Atomen beispielsweise in dem Artikel ”Energy-recovery linac for a high-flux quasi-monochromatic gamma-ray source”, R. Haitchima, AccApp-07, Pocatello, Idaho, July 29 to August 2, 2007 , beschrieben. Weiterhin ist die Anwendung der Gammastrahlung für den Nachweis einer nuklearen Resonanzfluoreszenz aus dem Artikel ”Proposal of non-destructive radionuclide assay using a high-flux gamma-ray source in nuclear resonance fluorescence”, R. Haitchima et al., Journal of nuclear science and technology, vol. 45, no. 5, Seiten 441–451, 2008 , beschrieben.The use of gamma radiation to excite and study atoms, for example, in the article "Energy-recovery linac for a high-flux quasi-monochromatic gamma-ray source", R. Haitchima, AccApp-07, Pocatello, Idaho, July 29 to August 2, 2007 , described. Furthermore, the application of gamma radiation for the detection of a nuclear resonance fluorescence from the article "Proposal of non-destructive radionuclide assay using a high-flux gamma-ray source in nuclear-ray fluorescence", R. Haitchima et al., Journal of nuclear science and technology, vol. 45, no. 5, pages 441-451, 2008 , described.

Die Eigenschaften einer brillianten Gammaquelle mit einem warmen Elektronenbeschleuniger werden in F. Albert et al, Optics Letters, Vol. 35, 354 (2010) beschrieben.The properties of a brilliant gamma source with a warm electron accelerator are reflected in Albert F. et al, Optics Letters, Vol. 35, 354 (2010) described.

Die beschriebenen Beispiele für die Gammastrahlenquellen sind nur beispielhaft. Vorzugsweise werden Quellen verwendet, die einen Fluss von Gammaquanten von größer als 5 × 10¹² Quanten/s aufweisen. Das Target zur Erzeugung der Neutronen kann kleiner als 1 mm³ sein. Die Energieschärfe (ΔE/E) kann besser sein als 4 × 10^–2 bei Energien im Bereich von 5–10 MeV.The examples of gamma ray sources described are exemplary only. Preferably, sources are used which have a flux of gamma quanta greater than 5 × 10 ¹² quanta / s. The target for generating the neutrons may be smaller than 1 mm ³ . The energy sharpness (ΔE / E) can be better than 4 × 10 ^-2 at energies in the range of 5-10 MeV.

Das beschriebene Verfahren ist nicht auf die kleinen Durchmesser und hohe Brillanz der Neutronenstrahlung begrenzt. Abhängig von der Anwendung können auch andere Werte vorteilhaft sein. Insbesondere sind Anwendungen im Bereich der Materialwissenschaft, der Lebenswissenschaften und der medizinischen Diagnostik, beispielsweise zur Untersuchung von Gewebestrukturen, insbesondere zur Erkennung von Krebserkrankungen, möglich.The described method is not limited to the small diameter and high brilliance of the neutron radiation. Depending on the application, other values may be advantageous. In particular, applications in the field of materials science, life sciences and medical diagnostics, for example, for the study of tissue structures, in particular for the detection of cancer, possible.

7 zeigt ein Target 3, das parallel angeordnete erste Schichten 21 aus Targetmaterial aufweist, die über zweite Schichten 22 miteinander verbunden sind. Die zweiten Schichten 22 sind aus Atomen aufgebaut, die keine Neutron-Halozustände aufweisen, z. B. Kohlenstoff. Sie können aber auch aus Vakuum bestehen, sodass die Compton-Elektronen ohne Heizung die Targets gut verlassen können 7 shows a target 3 , the first layers arranged in parallel 21 made of target material, which has second layers 22 connected to each other. The second layers 22 are composed of atoms that have no neutron halo states, eg. For example carbon. But they can also consist of vacuum, so that the Compton electrons can leave well without heating the targets

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"Infrastructure producing high intensity gamma rays for ELI nucleophysics", Bucharest-Magorele, Romania, for ELIgamma source working group, May 31, 2010 [0067]
R. Haitchima, Japan, Atomic Energy Agency, ELI-NP, April 12-13, 2010 [ "High-flux and high-brightness gamma-ray source based on energy-recovery linac".
"Energy-recovery linac for a high-flux quasi-monochromatic gamma-ray source", R. Haitchima, AccApp-07, Pocatello, Idaho, July 29 to August 2, 2007 [0068]
"Proposal of non-destructive radionuclide assay using a high-flux gamma-ray source in nuclear-ray fluorescence", R. Haitchima et al., Journal of nuclear science and technology, vol. 45, no. 5, pages 441-451, 2008 [0068]
Albert F. et al., Optics Letters, Vol. 35, 354 (2010). [0069]

Claims

A method of generating free neutrons wherein a sample is provided which at least partially has atoms whose neutrons can be excited to a halo state, wherein, in a first method, at least a portion of the atoms are first supplied with energy in such a way that neutrons are excited to a halo state below the separation energy, wherein, in a second method, the sample is then supplied with energy in such a way that neutrons which are in the halo state are released from the atom, wherein the energy supplied in the first method is greater than the energy supplied in the second method.

The method of claim 1, wherein in the first method the energy is supplied by gamma radiation.

The method of claim 1 or 2, wherein in the second method, the energy is supplied by means of photon radiation.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein in the first method, a neutron energy in the order of MeV, in particular in the range between 1 and 13 MeV is supplied.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein in the second method, a neutron energy in the order of eV, in particular in the range of 1 to 500 eV is supplied.

Method according to one of claims 1 to 5, wherein the sample at least partially atoms having a mass number between 50 and 60 and / or between 140 and 180.

The method of any one of claims 1 to 6, wherein the second method is performed within a half-life of the halo state of the neutrons.

Method according to one of claims 1 to 7, wherein the first and the second method is performed pulsed.

Method according to one of claims 3 to 8, wherein in the first and / or in the second method, a linearly polarized photon radiation is used.

A method according to claim 9, wherein the polarization of the photon radiation is changed, in particular is changed in pulsed operation from pulse to pulse.

Method according to one of claims 1 to 10, wherein the sample is cooled, in particular in a range of less than 50 Kelvin, preferably less than 10 Kelvin.

The method of any one of claims 1 to 11, wherein a stack of spaced layers of atoms is used as the sample.

The method of any one of claims 1 to 12, wherein a neutron guide is used with a bandpass mirror, wherein the bandpass mirror conducts only neutrons having a predetermined wavelength range.

Method according to one of claims 1 to 13, wherein a neutron guide is used which has a polished metal substrate, in particular of aluminum or iron, at least in an initial region.

Device for generating free neutrons, wherein a sample ( 8th ) which at least partially contains atoms whose neutrons can be excited to a halo state, wherein a first radiation source ( 1 ) is provided with which in a first method at least a portion of the atoms energy is supplied in such a way that neutrons are excited to a halo state below the binding energy, wherein a second radiation source ( 5 ) is provided with which in a second method of the sample energy is supplied in such a way that neutrons, which are in the halo state, are released from the atom, wherein the first radiation source ( 1 ) Can generate photons with a larger energy than the second radiation source ( 5 ).