DE10239691B4

DE10239691B4 - Neutronenoptisches Bauelement für die Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik

Info

Publication number: DE10239691B4
Application number: DE10239691A
Authority: DE
Inventors: Ferenc Prof. Dr. Dipl.-Phys. Mezei; Daniel Dr. Dipl.Phys. Clemens; Lounis Mokrani
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2002-08-25
Filing date: 2002-08-25
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: ATE360254T1; EP1535288B1; DE50307088D1; US20050178972A1; EP1535288A2; JP2005536757A; WO2004021365A3; AU2003269688A1; DE10239691A1; US7214948B2; WO2004021365A2

Abstract

Für Strukturuntersuchungen an Materie in der Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik ist eine hohe Messauflösung bei gleichzeitig großer Einstrahlfläche und Strahlintensität erforderlich. Mit bekannten Blenden-Kollimatoren kann die dafür erforderliche Strahldivergenz jedoch nicht ohne inakzeptablen Intensitätsverlust erreicht werden. Das erfindungsgemäße neutronenoptische Bauelement (1) weist eine Vielzahl von hintereinander angeordneten, als Gitterblenden (7) ausgebildete Lochblenden auf, wobei jede Gitterblende (7) eine Vielzahl von Blendenöffnungen (14) umfasst. Somit wird der Neutronenstrahl in Einzelstrahlen aufgeteilt, die einzeln in ihrer Konvergenz verbessert werden. Dazu werden die vom Verlauf aller Gitterblenden (7) über jeweils gleich positionierte Blendenöffnungen (14) definierten Kanäle in Abhängigkeit vom Aufbau des Messinstruments gegebenen Konvergenzkegel verengt. Gleichzeitig kann dadurch eine Fokussierung aller Teilstrahlen auf den Detektionsort erfolgen. Zur Selektion monochromer Neutronen werden die Gitterblenden (7) auf den geschwindigkeitsabhängigen Parabelbahnen positioniert. Dadurch arbeitet das beanspruchte neutronenoptische Bauelement nicht nur als hochauflösender, fokussierender Kollimator, sondern gleichzeitig auch als Geschwindigkeitsselektor. Durch ein kontinuierliches und zyklisches Verfahren der Gitterblenden (7) über alle Parabelbahnen kann der gesamte Neutronenstrahl ausgenutzt werden. Dadurch ist insbesondere eine Anwendung bei gepulsten ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein neutronenoptisches Bauelement für die Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik mit mehreren, in der Erstreckung des Neutronenstrahls von der Neutronenquelle zur Messprobe, deren kleinwinklige Strahlstreuung von einem Detektor erfasst wird, in Trägerelementen gehalterten Lochblenden aus einem neutronenabsorbierenden Material mit jeweils zumindest einer aktiven Blendenöffnung zur Verringerung der Strahldivergenz.
Als neutronenoptische Bauelemente werden Bauteile zum Leiten, zum Ablenken und zum gezielten Beeinflussen eines Neutronenstrahls, insbesondere eines kalten Neutronenstrahls, bezeichnet. Sie werden in Messaufbauten für die Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik eingesetzt. Um spezielle Messungen durchführen zu können, müssen die Neutronen bestimmte Eigenschaften, beispielsweise eine bestimmte Energie (äquivalent mit Geschwindigkeit), Divergenz oder Fokussierung auf den Messort, aufweisen, die durch die neutronenoptischen Bauelemente herbeigeführt werden. Die Neutronenkleinwinkelstreuung (Small Angle Neutron Scattering SANS), bei der die von der Messprobe aufgrund physikalischer oder chemischer Inhomogenitäten gestreute Neutronenstrahlung in einem relativ kleinen, von der Probe aus gesehen vorwärtsgerichteten Winkelbereich von einem entsprechenden Messinstrument detektiert wird, stellt eine Schlüsseltechnologie für Strukturuntersuchungen im Nanometerbereich (1 nm bis 100 nm) oder darüberliegend (Ultra Small Angle Neutron Scattering USANS) dar. Mögliche Anwendungen für die SANS sind beispielsweise in der Biologie und Medizin, der Polymerchemie, den Materialwissenschaften, der Physik, der Geologie oder der Metallurgie zu finden.

Zur Verringerung der Divergenz eines Neutronenstrahls wird als neutronenoptisches Bauelement im Messinstrument ein sogenannter „Kollimator" verwendet. Grundsätzlich wird hier unterschieden zwischen einem „Schichten-Kollimator", der aus Paketen sich abwechselnder neutronenreflektierender und neutronenabsorbierender Folien aufgebaut ist, und einem „Blenden-Kollimator", der ein mit der Optik vergleichbares Blendensystem mit schlitz- oder lochartigen Blendenöffnungen darstellt. Bei den normalerweise in der SANS genutzten Blenden-Kollimatoren handelt es sich um einfache Lochblenden, welche eine zentrale oder mehrere auf einem Umlaufkreis angeordnete Blendenöffnungen von 1 cm bis 2 cm Durchmesser in einer Scheibe aus einem neutronenabsorbierenden Material aufweisen. Diese Lochblenden sind in einem Trägerelement gelagert und werden im Strahlengang des Neutronenstrahls angeordnet. Sie weisen im Allgemeinen einen Abstand zwischen 2 m und 16 m zueinander auf. Derartige Lochblenden werden im Stand der Technik beispielsweise im „LOQ-Diffraktometer" der englischen ISIS-Anlage (vergleiche http://www.isis.rl.ac.uk/largescale/LOQ/images/Loq.gif, Stand 21.08.2002) oder im SANS-Spektrometer „Yellow Submarine" (vergleiche http://www.iki.kfki.hu/nuclear/bnc/instruments/instr_sans.html, Stand 19.08.2002) verwendet. Aus dem Aufsatz „New SANS Instrument at the BER II reactor in Berlin, Germany von U. Keiderling und A. Wiedenmann (Physica B 213 & 214 (1995) pp 895-897) ist ein multifunktionales Kollimatorsystem bekannt, das aus vier drehbaren Trommelabschnitten besteht, die revolverförmig unterschiedliche neutronenoptische Bauelemente aufweisen. Bei einem davon handelt es sich um eine Lochblende, sodass mit diesem bekannten Kollimator zwar maximal vier Lochblenden in den Neutronenstrahl gedreht werden können, dabei sind jedoch nur die Lochblenden am Anfang und am Ende des Messinstruments wirksam. Bei dem SANS-Spektrometer „Yellow Submarine" werden drei beabstandete Lochblenden verwendet, die alle wirksam sind.

Bei dem LOQ-Diffraktometer, von dem die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, werden zwei Lochblenden eingesetzt. Auf beiden Lochblenden sind mehrere in ihrem Durchmesser unterschiedliche Blendenöffnungen auf einem Umlaufkreis angeordnet, die bedarfsweise in den Neutronenstrahl hineingedreht werden können, sodass jeweils immer nur eine Blendenöffnung aktiv ist. Ein Lochblende ist im Anfangs-, die andere im Endbereich der Erstreckung des Neutronenstrahls zwischen Neutronenquelle und Probe angeordnet. Die Divergenz des Neutronenstrahl wird dadurch verringert, dass nur durch die Blendenöffnungen Neutronen hindurchgelassen werden. Jenseits der Blendenöffnungen vernichtet das neutronenabsorbierende Material, aus dem die Lochblenden bestehen, jene Neutronen, deren Trajektorien nicht im gewünschten Divergenzkegel verlaufen. Eine Verringerung der Lochblendengröße und/oder eine Vergrößerung des Abstands der wirksamen Lochblenden zueinander verkleinert zwar den Divergenzkegel, wodurch die instrumentelle Auflösung des Messinstruments verbessert wird. Mit einer Verkleinerung des Öffnungswinkels des Divergenzkegels und der Verringerung der Lochblendengröße geht aber eine bedeutende Reduktion der hinter dem Blendensystem messbaren Strahlintensität einher. Somit kann bei der Durchstrahlung der Messprobe nicht die ausreichende Neutronenintensität bei einer gleichzeitig hohen Messauflösung erreicht werden.

Zur Verbesserung der Messauflösung ist die kombinierte Reflektometrie- und Kleinwinkelstreuanlage KWS 3 mit fokussierendem Spiegel bekannt (vergleiche http://www.fz-juelich.de/iff/Institute/ism/pictures/poster.jpg, Stand 21.08.2002). Hierbei wird als fokussierendes neutronenoptisches Bauelement wird ein toroidaler Spiegel mit einer Vielzahl gekrümmter Spiegelschichten verwendet, der den Neutronenstrahl in mehreren Ebenen durch die Probe hindurch auf einen Punkt in der Detektorebene fokussiert. Allerdings ist ein derartiger Spiegel sehr aufwändig in seiner Herstellung. Vor dem toroidalen Spiegel ist eine Lochblende zur Verringerung der Strahldivergenz angeordnet, die eine zwischen 1 mm² und 100 mm² veränderliche Blendenöffnung aufweist. Durch diese gegenüber den bekannten Lochblenden mit Blendenöffnungen im cm²-Bereich sehr viel kleinere Blendenöffnung kann zwar die Strahldivergenz verbessert werden, allerdings wird die Strahlintensität drastisch verringert. Weitere fokussierende neutronenoptische Bauelemente weisen refraktive Linsen, magnetische Linsen oder gekrümmte Kristalle auf. Der sich ergebende Fokus ist bei diesen neutronenoptischen Bauelementen von der Neutronengeschwindigkeit abhängig, was sich nachteilig auf ihren Einsatz an Messinstrumenten auswirkt, die eine breite Geschwindigkeitsverteilung nutzen. Das sind z.B. die nach dem Flugzeitprinzip arbeitenden Neutroneninstrumente, wie sie hauptsächlich an den Neutronenquelllen der neueren Generation, den Spallationsneutronenquellen arbeiten. Hier gilt es, jeden Puls möglichst vollständig auszunutzen. Refraktive Linsen erstrecken sich über viele Zentimeter entlang des Neutronenstrahls. Das führt für in Frage kommende Materialien zu Intensitätsverlusten. Reflektiv oder refraktiv arbeitende neutronenoptische Bauelemente tragen durch ihre eigene Streucharakteristik, die sich ergibt, weil sie in der Regel nicht ideal herstellbar sind, nachteilig zum Streubild bei,

Der Neutronenstrahl in kontinuierlicher und gepulster Form weist Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeiten auf. Durch die Äquivalenz der Geschwindigkeit zur Wellenlänge der Neutronen kann bei Neutronen derselben Geschwindigkeit somit von „monochromen Neutronen" gesprochen werden. Um für eine Messung nur Neutronen eines Wellenlängenbandes zur Verfügung stellen zu können, ist daher eine Geschwindigkeitsselektion erforderlich. Dies erfolgt mit einem Geschwindigkeitsselektor, wir er beispielsweise vom KWS3 her bekannt ist. Hierbei handelt es sich um ein neutronenoptisches Bauelement mit einer rotierende Trommel, entlang der Absorbertächer mit gewendeltem Verlauf angeordnet sind. Die stehende Trommel ist neutronenundurchlässig, da es keine freie Sicht durch die materialfreien Kanäle zwischen den gewendelten Fächer gibt. Während der Rotation gelangen jedoch Neutronen mit geeigneter Geschwindigkeit durch diese Kanäle hindurch. Dieser bekannte Geschwindigkeitsselektor ist relativ aufwändig herstellbar.

Da Neutronen aufgrund ihrer Masse der Gravitation unterliegen, ist ihre Flugbahn eine Parabel. Deren Krümmung ist abhängig von der Fluggeschwindigkeit der Neutronen. Somit ist die Flugparabel ein wellenlängenselektives Sortiermaß für monochrome Neutronen. Schnelle Neutronen haben eine flache, langsame Neutronen eine stark gekrümmte Flugbahn.

Vor dem Hintergrund des vorstehend erläuterten Standes der Technik wird die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin gesehen, ein gattungsgemäßes neutronenoptisches Bauelement mit Lochblenden so weiterzubilden, dass es in der Funktion eines Blenden-Kollimators eine hohe Messauflösung erzielt. Dazu ist in Abhängigkeit von der Strahldivergenz auf einer möglichst großen Durchstrahlungsfläche auf der Messprobe eine ausreichend hohe Strahlungsintensität zu gewährleisten. Weiterhin soll das erfindungsgemäße neutronenoptische Bauelement weitere strahlbeeinflussende Funktionen, insbesondere die der Strahlfokussierung und der Geschwindigkeitsselektion übernehmen können. Ein Einsatz insbesondere auch für gepulste Neutronenstrahlen soll möglich sein. Trotz dieser Multifunktionalität soll das erfindungsgemäße neutronenoptische Bauelement jedoch relativ einfach in seinem Aufbau und in seiner technischen Realisierbarkeit sein. Weiterhin soll es keine störende Einflüsse auf die Streubilder erzeugen.

Die Lösung für diese Aufgabe sieht bei einem neutronenoptischen Bauelement für die Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik der eingangs genannten Art deshalb erfindungsgemäß vor, dass in Abhängigkeit von der geforderten Messauflösung und der Erstreckungslänge des Neutronenstrahls eine die Strahlführung gewährleistende Anzahl n von Lochblenden, die als Gitterblenden ausgebildet sind, mit zueinander veränderlichem Abstand vorgesehen ist und dass jede Gitterblende eine konstante Anzahl m von eng benachbarten Blendenöffnungen aufweist, die den hindurchtretenden Neutronenstrahl in eine Anzahl m von Teilstrahlen aufteilen und eine in Richtung auf die Messprobe abnehmende Größe zur Verringerung der Divergenz der Teilstrahlen aufweisen, wobei jeweils die einen Teilstrahl definierenden Blendenöffnungen aller n Gitterblenden zumindest in einem durch die Flugzeit monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervall auf deren Parabelbahn angeordnet und alle Teilstrahlen auf den Detektor fokussiert sind.

Das erfindungsgemäße neutronenoptische Bauelement weist Lochblenden in Form von Gitterblenden auf. Durch die bei diesen gegenüber bekannten Blendenöffnungen stark verkleinerten Blendenöffnungen mit einer dadurch bedingten wesentlichen Verringerung der Strahldivergenz wird eine besonders hohe Auflösung bei der Durchstrahlung der Messprobe erreicht. Der mit einer einfachen Verkleinerung einer Blendenöffnung verbundene drastische Intensitätsverlust (die gemessene Strahlintensität ist proportional zur 4. Potenz des Blendenöffnungsdurchmessers) wird jedoch dadurch vermieden, dass der von der Neutronenquelle bereitgestellte Neutronenstrahl durch die siebartige Ausbildung der Lochblenden in Form von Gitterblenden mit einer großen Vielzahl von kleinen Blendenöffnungen in eine entsprechende Anzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird. Jeder einen eigenen Kanal darstellenden Teilstrahl wird kontinuierlich durch alle einander zugeordneten Blendenöffnungen auf allen Gitterblenden geleitet und dadurch kontinuierlich in seiner Divergenz verbessert. Durch die Summe aller, jeweils einzeln verbesserten Teilstrahlen wird eine große Einstrahlfläche auf der Messprobe mit großer Intensität durchstrahlt. Eine Vergrößerung der beleuchteten Messprobenfläche gegenüber einem herkömmlichen Einkanalsystem um einen Faktor 10 bis 100 ist möglich. Dabei wird auch die Intensität des Neutronenstrahls kaum verringert, die zur Verfügung gestellten Neutronen werden gut genutzt, was insbesondere bei einem gepulsten Neutronenstrahl von besonderem Vorteil ist. Durch die vielen kleinen Blendenöffnungen, die vorteilhaft Abmessungen in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm aufweisen und welche durch die Nutzung hochgenauer computerkontrollierter Herstellungstechniken (z.B. Laserschneiden) mit einer hohen Fertigungspräzision von 0,01 mm bis 0,02 mm geschnitten werden können, werden die Intensitätsverluste durch Absorption von Neutronen in den Stegen zwischen den Blendenöffnungen sehr gering gehalten. Dabei wird durch die Bemessung der Stegbreite trotzdem eine Migration von Neutronen zwischen den einzelnen Kanälen vermieden.

Weiterhin werden die einzelnen Teilstrahlen auf den Detektorort fokussiert, sodass mit der Erfindung ein fokussierender Kollimator realisiert wird. Die Fokussierung erfolgt durch eine entsprechende auf den Fokus hinlaufende Führung des Bündels aller einzelnen Strahlkanäle. Das Maß für die Verkleinerung ist dabei abhängig von dem vom gesamten Messinstrument gebildeten Konvergenzkegel. Dieser bestimmt grundsätzlich den gesamten Aufbau des Kollimators nach der Erfindung bezüglich Anzahl und Abstand der einzelnen Gitterblenden sowie Anzahl, Abstand und Größe der Blendenöffnungen. Eine Veränderung des Divergenzkegels bedingt dementsprechend auch eine Veränderung des Kollimatoraufbaus. Der Divergenzkegel beginnt mit dem Strahlquerschnitt der von der Neutronenquelle zur Verfügung gestellten Neutronenstrahls und endet im idealerweise punktförmigen Detektorort. Die Länge des Divergenzkegels wird von der Erstreckungslänge zwischen anfänglichem Neutronenstrahl und Detektorort im Messinstrument bestimmt. Die Messprobe wird entsprechend der gewünschten Durchstrahlungsfläche im Konvergenzkegel positioniert. Nach dem Strahlensatz ist somit die erforderliche Verkleinerung für die einzelnen Blendenöffnungen in Abhängigkeit von der Position der jeweiligen Lochblende im Konvergenzkegel errechenbar. Eine computerunterstützte Berechnung ist bei der Parameterermittlung hilfreich.

Die Anzahl der verwendeten Gitterblenden richtet sich nach der Weglänge des Neutronenstrahls im Messinstrument. Beispielsweise können in einem kompakt dimensionierten Aufbau (beispielsweise 2 m) zwanzig Gitterblenden im Strahlverlauf angeordnet sein. Wichtig bei der Auswahl der Anzahl ist die Gewährleistung der Führung der einzelnen Teilstrahlen, die durch den Abstand der Blendenöffnungen in den einzelnen Gitterblenden und die jeweilige Absorption in den umgebenden Stegen gegeben ist. Da im Anfangsbereich des Neutronenstrahls noch eine relativ große Divergenz der Teilstrahlen gegeben ist, kann hier eine ausreichende Strahlführung vorteilhaft durch eine relativ dichte Anordnung der Gitterblenden erreicht werden. Mit zunehmender Verringerung der Divergenz kann dann der Abstand der einzelnen Gitterblenden in Richtung auf die Messprobe hin vergrößert werden. Deshalb ist es bei der Realisierung der Erfindung vorteilhaft, wenn der Abstand der Gitterblenden zueinander in Richtung auf die Probe hin zunimmt. Weiterhin können die Gitterblenden als Gitterrahmen mit quadratischen Blendenöffnungen ausgebildet sein. Derartige Gitterrahmen, die insbesondere aus dem Neutronen gut absorbierenden Kadmium bestehen können, stellen einfache Bauteile dar, deren quadratische Blendenöffnungen in Zeilen- und Spaltenanordnung wesentlich einfacher herzustellen sind als runde Blendenöffnungen. Die Dimensionierung der erforderlichen absorbierenden Stege und die Verkleinerung der einzelnen Blendenöffnungen im Verlauf des Divergenzkegels ist problemlos numerisch berechen- und durchführbar. Mit dem neutronenoptischen Bauelement nach der Erfindung ist somit durch eine entsprechende Wahl der Anzahl n der Gitterblenden und der Anzahl m der Blendenöffnungen zur Kanalbildung die Messauflösung des Messinstruments in weiten Bereichen frei einstellbar.

Der erfindungsgemäße neutronenoptische Bauelement besteht in der Funktion als fokussierender Kollimator aus einer Anordnung mehrerer Gitterblenden, die nur Strahlenverläufe zulassen, die auf denselben Ort in der Detektionsebene zulaufen. Jedem Kanal wird eine bestimmte Blendenöffnung in jeder Gitterblende zugeordnet. Die aufeinanderfolgende Reihe der Gitterblenden definiert dann den einzelnen Kanal bzw. den konvergierenden Verlauf der einzelnen Teilstrahlen in den Fokus in der Detektionsebene. Zur Erzeugung der einzelnen Kanäle ist es erforderlich, dass die Gitterblenden bezüglich ihrer Blendenöffnungen exakt im Strahlengang des Neutronenstrahls ausgerichtet sind. Diese exakte Ausrichtung der Gitterblenden entlang bzw. zur Bestimmung des Strahlwegs wird mit Hilfe der Trägerelemente, die die Gitterblenden haltern, erreicht. Mit Hilfe vertikaler Translationseinheiten mit einer hohen Stellgenauigkeit, beispielsweise Stellglieder mit Mikrometerschrauben oder Piezoaktuatoren, ist eine Ausrichtung auf 0,01 mm oder besser möglich. Dabei erfolgt die Ausrichtung der Gitterblenden bzw. einzelnen Blendenöffnungen auf den Parabelbahnen der durch ihre Fluggeschwindigkeit charakterisierten monochromen Neutronen, da diese der Gravitation unterliegen. Jede erlaubte Parabelbahn wird nur von Neutronen nahezu derselben Geschwindigkeit und damit Wellenlänge durchflogen. Durch die exakte Ausrichtung aller einen Kanal bzw. Teilstrahl definierenden Blendenöffnungen über die Gesamtheit aller Gitterblenden wird ein schmales Wellenlängenband um die Idealwellenlänge, welche sich wiederum aus der Neutronengeschwindigkeit ergibt, durch das Kollimatorsystem hindurchgelassen. Das bedeutet, dass auch eine Geschwindigkeitsselektion mit dem erfindungsgemäßen neutronenoptischen Bauelement möglich ist. Dieses arbeitet somit nicht nur als fokussierender Kollimator, sondern gleichzeitig auch als Geschwindigkeitsselektor. Damit erfüllt das neutronenoptische Bauelement nach der Erfindung zwei wesentliche Funktionen in der SANS-Messtechnik und stellt sich als multifunktionelles Bauelement mit einer großen Kompaktheit und Einfachheit in der Herstellung dar. Aufwändige rotierende Geschwindigkeitsselektoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind nicht erforderlich.

Bei der vertikalen Ausrichtung der Gitterblenden ist zwischen dem statischen und dem dynamischen Fall zu unterscheiden. Im statischen Fall für einen kontinuierlichen Neutronenstrahl ist eine Geschwindigkeitsselektion notwendig. In diesem Falle werden die Blendenöffnungen der Gitterblenden dauerhaft auf einer vorgegebenen Parabelbahn ausgerichtet. Die vertikalen Translationseinheiten erlauben es, die jeweiligen Gitterblenden auf die denkbaren Parabelbahnen präzise auszurichten. Somit erreichen zu jeder Zeit nur die auf der eingestellten Parabelbahn im gesamten Neutronenstrahl fliegenden Neutronen die Messprobe. Bei der Verwendung von Neutronenstrahlpulsen ist es jedoch essenziell, die gesamte im Puls auftretende Intensität möglichst weitgehend auszunutzen. Dies kann durch den dynamischen Fall bei der Ausrichtung der Blendenöffnungen erreicht werden. Im oben erwähnten statischen Fall werden die einen Teilstrahl definierenden Blendenöffnungen aller n Gitterblenden zumindest in einem durch die Flugzeit monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervall auf deren Parabelbahn angeordnet. Dabei wird der Begriff „zumindest" hier im Sinne einer dauerhaften Ausrichtung auf einer einzelnen Parabelbahn ausgelegt. Im dynamischen Fall durchfahren die Gitterblenden bzw. deren Blendenöffnungen eine Vielzahl von denkbaren Parabelbahnen. Dabei kann bei der Einstellung jeder Parabelbahn eine gewisse Zeitverzögerung entlang der Neutronenflugstrecke im Messinstrument berücksichtigt werden. Im dynamischen Fall ist es bei dem neutronenoptischen Bauelement nach der Erfindung also vorteilhaft, wenn die in einem durch die Flugzeit monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervall auf der Parabelbahn monochromer Neutronen liegenden Blendenöffnungen in weiteren durch die Flugzeit anderer monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervallen durch entsprechende örtliche Verschiebung der Gitterblenden auf deren Parabelbahnen liegen. Somit werden monochrome Neutronen unterschiedlicher Geschwindigkeiten kollimiert und fokussiert. Durch die wählbare Einstellung auf unterschiedliche Parabelbahnen, die einer Beeinflussung der effektiv auf die fliegenden Neutronen einwirkenden Gravitationskraft gleichkommt, können somit die durchgelassenen Wellenlängenbänder des auch als Geschwindigkeitsselektor arbeitenden neutronenoptischen Bauelements nach der Erfindung gezielt eingestellt werden. Bei einem kontinuierlichen Verfahren der Gitterblenden über die Parabelbahnen aller im Neutronenstrahl auftretenden monochromen Neutronen verschwinden die Selektionseffekte für die Geschwindigkeit der Neutronen vollständig – es liegt ein gravitationsfreies System vor – und das neutronenoptische Bauelement wird zu einer Breitbandoptik, wie man sie an gepulsten Neutronenquellen benötigt. Das Verfahren über alle Parabelbahnen im gepulsten Neutronenstrahl kann vorteilhaft in einem kontinuierlichen, oszillierenden Ablauf erfolgen. Entsprechend ist es von Vorteil, wenn die Gitterblenden oszillierend zwischen der obersten und der untersten auftretenden Parabelbahn verfahren werden.

Die Durchführung von vorgeschriebenen Bewegungsperioden für das gesamte neutronenoptische Bauelement nach der Erfindung mit allen Gitterblenden, wie sie beispielsweise die nachfolgend beschriebene gravitationslose Situation erfordert, kann durch eine elektronisch geregelte Bewegung der Gitterblenden erreicht werden. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Verschiebung der Gitterblenden über eine entsprechende zeitliche Ansteuerung von Antriebseinheiten der vertikalen Translationseinheiten oder von diese halternden Trägerschienen erfolgt. Die für die Verschiebungen erforderlichen Antriebseinheiten können von gesteuerten Servomotoren bewegte Verstellschrauben (Mikrometerschrauben), schrittmotorgetriebene Verstellschrauben, piezoelektrische Aktuatoren oder jegliches anderes elektronisch programmierbares Bewegungssystem sein. Um die auftretenden Beschleunigungskräfte zu reduzieren, kann das gesamte Bauelement bzw. die Trägerelemente der Gitterblenden vorteilhaft auf Federn gelagert werden, sodass seine Eigenfrequenz nahe an der Taktfrequenz liegt. In diesem Fall ist es damit auch eine Aufgabe für die elektronische Regelung, während der aktiven Phase die sinusförmigen Bewegungen der schwingenden Basis für die Gitterblenden in eine parabolische Bewegung mit konstanter Beschleunigung zu verwandeln.

Die im neutronenoptischen Bauelement nach der Erfindung effektiv wirkende Gravitation wird verändert, indem die Gitterblenden während der Neutronenpassage in vertikaler Richtung mit einer Beschleunigung A bewegt werden. Nach einer Phase gleichmäßiger Beschleunigung wird eine Beschleunigung in Gegenrichtung wirksam, um die Gitterblenden in ihre Ausgangslage zurückzubringen. Die Größe der Beschleunigung A bestimmt die Selektionsschärfe des gewünschten Geschwindigkeitsbands. Somit kann es bei dem neutronenoptischen Bauelement von Vorteil sein, wenn die Verschiebung der Gitterblenden in zeitlich definierten Beschleunigungsphasen erfolgt. Im Sonderfall A=g (g = Erdbeschleunigung) erfolgt eine geschwindigkeitsunabhängige Kollimation. Im Folgenden wird eine Zahlenbeispiel für die Verwirklichung dieses Prinzips näher erläutert. Es wird eine gravitationsfreie Kollimation für eine Zeit von 40 ms durch die Wahl der Beschleunigung A = g erreicht. Es liegt dann ein "relativistischer Kollimator" im Sinne des Grundsatzes der generellen Relativität der Bewegung vor, das heißt, es wird der freie Fall für die Neutronen simuliert. In den verbleibenden 20 ms einer 60 ms langen Periode, wie sie sich für den Fall einer mit 16.666 Hz gepulsten Spallationsquelle ergibt, können die Gitterblenden dann durch die Wahl von A = -2g in ihre Ausgangslagen zurückgebracht werden. Ihre Anfangslage, bei der der freie Fall beginnt, verlangt eine vertikal nach oben gerichtete Anfangsgeschwindigkeit von 0,1962 m/s. Nach 20 ms erreichen die Gitterblenden ihre höchste Position, die 1,962 mm über der Anfangslage liegt, und in den verbleibenden 20 ms der Phase des freien Falls fallen sie zurück in die Anfangslage. In den darauffolgenden 20 ms wird ihre Geschwindigkeit umgekehrt, damit der Zyklus erneut beginnen kann, wobei sie ihre tiefste Position, die 0,981 mm unter der Anfangslage liegt, durchfahren.

Zum weiteren Verständnis des neutronenoptischen Bauelements nach der Erfindung werden Ausbildungsformen der Erfindung nachfolgend anhand der schematischen Figuren und Diagramme näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine Seitenansicht des neutronenoptischen Bauelements,
2 eine Vorderansicht des Aufbaus gemäß 1,
3 eine Gitterblende am Anfang des Aufbaus,
4 eine Gitterblende am Ende des Aufbaus,
5 eine Dimensionierungstabelle und
6 ein Geschwindigkeitsdiagramm für die Funktion des neutronenoptischen Bauelements als Geschwindigkeitsselektor.
Die 1 zeigt das neutronenoptische Bauelement 1 nach der Erfindung für die Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik in der Seitenansicht. Die Erstreckungslänge 2 des neutronenoptischen Bauelements 1 von der Bereitstellung eines Neutronenstrahls, die im dargestellten Ausführungsbeispiel von rechts erfolgt, bis zur Messprobe wird in der Hauptsache definiert durch eine hochpräzise Trägerschiene 3. Sie kann eine Länge von beispielsweise 2 m bis 20 m aufweisen. In der Führungsnut der Trägerschiene 3 sind eine Anzahl n von Trägerelementen 4 angeordnet. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist n = 20. Bei den Trägerelementen 4 handelt es sich um vertikale Translationseinheiten 5 mit einer besondern hohen Stellgenauigkeit, beispielsweise in einer Ausführungsform als Mikrometerschrauben. Diese werden im statischen Anwendungsfall für einen kontinuierlichen Neutronenstrahl auf einen festen Wert eingestellt. Im dynamischen Fall für einen gepulsten Neutronenstrahl werden sie (oder an ihrer Stelle verwendete Piezoaktuatoren) durch Antriebseinheiten 6 kontinuierlich verstellt oder andere, in der 1 nicht dargestellte Antriebseinheiten führen eine Bewegung der gesamten Trägerschiene 3 durch, die dann entsprechend flexibel ausgestaltet ist.
Mit jedem Trägerelement 4 ist eine als Gitterblende 7 ausgebildete Lochblende verbunden, somit sind n = 20 Gitterblenden 7 vorhanden. Zur besseren Anschauung ist an Anfang und Ende des neutronenoptischen Bauelements 1 je eine Gitterblende 7 in der Ansicht dargestellt. Im gezeigten Zustand des neutronenoptischen Bauelements 1 sind alle Gitterblenden 7 auf einer geraden Strahlachse ausgerichtet. Im Betrieb erfolgt die Ausrichtung auf einer oder mehreren Parabelbahnen zur Geschwindigkeitsselektion der monochromen Neutronen, wodurch das neutronenoptische Bauelement 1 nach der Erfindung nicht nur als fokussierender Kollimator, sondern auch als Geschwindigkeitsselektor arbeitet. Der Abstand zwischen den Gitterblenden 7 ist abhängig von der Erstreckungslänge 2 und der Gewährleistung einer optischen Führung des Neutronenstrahls. Da dieser am Anfang des neutronenoptischen Bauelements 1 noch eine große Divergenz aufweist, ist hier eine geringe Beabstandung der einzelnen Gitterblenden 7 zueinander realisiert, die eine ausreichende Absorption der nicht im Konvergenzbereich der Gitterblenden 7 liegenden Neutronen vom Material der Gitterblenden 7 gewährleistet. Mit zunehmender Verringerung der Strahldivergenz und damit abnehmendem Absorptionserfordernis durch die Abfolge mehrerer Gitterblenden 7 hintereinander kann der Führungsabstand zwischen den Gitterblenden 7 entsprechend vergrößert werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine nichtlineare Abstandsverteilung zwischen den Gitterblenden 7 gewählt. Mit dieser kann eine optimale Verringerung der Strahldivergenz erreicht werden. Durch die enge Beabstandung der Trägerelemente 4 im Anfangsbereich ist es sinnvoll, die für den dynamischen Fall zur Erreichung der Breitbandigkeit den Trägerelementen 4 zugeordneten Antriebseinheiten 6, die rechtwinklig mit diesen verbunden sein können, alternierend zu beiden Seiten der Trägerelemente 4, die dabei auch alternierend auf zwei parallel verlaufenden Trägerschienen 3, 8 angeordnet sein können, auszurichten.
Diese Details sind in der 2 zu erkennen, die das neutronenoptische Bauelement 1 nach der Erfindung von Vorne aus Richtung des einfallenden Neutronenstrahls her, also in der 1 von rechts aus, zeigt. Im unteren Bereich sind die parallel verlaufenden Trägerschiene 3, 8 dargestellt. Auf der Trägerschiene 3 ist das erste Trägerelement 4 nach links orientiert angeordnet, welches im oberen Bereich über einen Trägerrahmen 9 die erste Gitterblende 7 trägt. Das auf der Schiene 8 nach rechts orientiert angeordnete Trägerelement 4 trägt die zweite Gitterblende, die genau hinter der ersten Gitterblende 7 liegt und daher in der 2 nicht zu sehen ist. Beide dargestellte Trägerelemente 4 weisen im unteren Bereich Trägerschlitten 10 auf, über die sie entlang der Trägerschienen 3, 8 positionierbar und über Rändelschrauben 11 fixierbar sind. Im mittleren Bereich sind die Trägerelemente 4 mit den elektrisch ansteuerbaren Antriebseinheiten 6 zur vertikalen Verstellung der Gitterblenden 7 verbunden. Der Trägerrahmen 9 weist im unteren Bereich eine Rändelschraube 12 zur Feinjustage der Gitterblende 7 auf. Diese ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Gitterrahmen 13 mit quadratischen Blendenöffnungen 14 ausgeführt.
In der 3 ist der Gitterrahmen 13 gemäß 2 auf der Eingangsseite (rechte Seite) des neutronenoptischen Bauelements 1 näher dargestellt. Er ist aus neutronenabsorbierendem Kadmium mit Hilfe hochpräziser Fertigungs techniken (Toleranz +/- 0,02 mm) hergestellt und weist 12 Reihen und 12 Spalten und somit m = 144 Blendenöffnungen 14 auf. Der durch den Gitterrahmen 13 hindurchtretende Neutronenstrahl wird entsprechend der Anzahl m der Blendenöffnungen 14 in m = 144 Teilstrahlen aufgeteilt, die jeder einen eigenen Kanal darstellen. Jeder Teilstrahl wird im Verlauf aller Gitterrahmen 13 bzw. Gitterblenden 7 zunehmend konvergiert und auf den Detektorort fokussiert. Bei einer relativ großen Durchstrahlfläche auf der Messprobe ist damit aufgrund der aufrecht erhaltenen hohen Neutronenintensität trotzdem eine hohe Auflösung und durch die Fokussierung auf den Detektorort besonders hochwertige Kleinwinkelstreumessung an der Messprobe möglich. Die Blendenöffnungen 14 im Gitterrahmen 13 gemäß 3 sind in diesem Beispiel die größten (2 mm × 2 mm). Die horizontale und vertikale Stegbreite beträgt hier 0, 6 mm. Die kleinsten Blendenöffnungen 14 (1 mm × 1 mm) befinden sich im Gitterrahmen 13 auf der Ausgangsseite (linke Seite) des neutronenoptischen Bauelements 1 gemäß 4. Hier beträgt die Stegbreite noch 0,3 mm. Deutlich ist die Größenabnahme der einzelnen Blendenöffnungen 14 und Stegbreiten zu erkennen. Diese Verringerung, die einer Verengung der einzelnen Kanäle und damit einer Verbesserung deren Konvergenz entspricht, ist abhängig von der Position der Gitterrahmen 13 (bzw. Gitterblenden 7) im Konvergenzkegel des neutronenoptischen Bauelements 1 nach der Erfindung zu Erreichung einer großen Konvergenz der durch die Blendenöffnungen 14 gebildeten Teilstrahlen. Die absolute Anzahl der Blendenöffnungen 14 ist abhängig von der angestrebten Bestrahlungsfläche auf der Messprobe, die möglichst groß sein soll, und von der erreichbaren Divergenzverringerung.
Bemessungen der Blendenöffnungen und Stege für ein Ausführungsbeispiel können der Tabelle gemäß 5 entnommen werden. Dabei ist in der ersten Spalte die Gitterblendennummer i aufgeführt. Die absolute Position pos der Gitterblenden von der Anfangsseite (rechts) des neutronenoptischen Bauelements nach der Erfindung her ist in der zweiten Spalte in mm angegeben. Die auftretende Divergenz div ist der dritten Spalte als relativer Faktor zu entnehmen. Deutlich ist deren Verringerung mit fortschreitender Position der Gitterblenden zu erkennen. Der Öffnungsdurchmesser open der quadratischen Blendenöffnungen ist in mm in der vierten Spalte aufgeführt. Dieser verringert sich kontinuierlich von 2 mm auf 1 mm. In der fünften Spalte ist der zu der Verringerung zugehörige Reduktionsfaktor redf aufgeführt. Derartige Dimensionierungen können problemlos mit Hilfe computer-unterstützter Berechnungsprogramme für beliebige Parameterkonstellationen durchgeführt werden.
Wie bereits weiter oben erwähnt, arbeitet das neutronenoptische Bauelement nach der Erfindung nicht nur als fokussierender Kollimator, sondern auch als Geschwindigkeitsselektor. Dabei wird die sich auf den Verlauf der Parabelbahnen der Neutronen auswirkende Gravitation ausgenutzt. Die Umsetzung der Geschwindigkeitsselektion für ein neutronenoptisches Bauelement mit einer als Beispiel gewählten Transmission von quadratischen Blendenöffnungen von 3 mm auf 1,5 mm über eine Erstreckungslänge von 15 m ist in dem Geschwindigkeitsdiagramm gemäß 6 mit einer Auftragung der Transmission trans über der Wellenlänge wav dargestellt. Die linke und die rechte Halbkurve gehören jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbändern, das heißt unterschiedlichen Positionierungen der Gitterblenden auf zwei verschiedenen Parabelbahnen an. Somit kann durch die Einstellung der Parabelbahn ein spezielles Wellenlängenband ausgewählt werden (gilt für den statischen Fall des kontinuierlichen Neutronenstrahls, im dynamischen Fall beim gepulsten Neutronenstrahl werden alle im Neutronenstrahl auftretenden Wellenlängen in beschleunigter Bewegung kontinuierlich und zyklisch durchfahren). Das neutronenoptische Bauelement ist daher in seinen Auslegungsparametern problemlos unterschiedlich einstellbar.

1: neutronenoptisches Bauelement
2: Erstreckungslänge
3: Trägerschiene
4: Trägerelement
5: Translationseinheit
6: Antriebseinheit
7: Gitterblende
8: Trägerschiene
9: Trägerrahmen
10: Trägerschlitten
11: Rändelschraube
12: Rändelschraube
13: Gitterrahmen
14: Blendenöffnung
n: Anzahl der Gitterblenden
m: Anzahl der Blendenöffnungen
i: Gitterblendennummer
pos: Position (m)
div: Divergenz
open: Öffnungsdurchmesser
redf: Reduktionsfaktor
trans: Transmission
wav: Wellenlänge

Claims

Neutronenoptisches Bauelement für die Neutronenkleinwinkelstreu-Messtechnik mit mehreren, in der Erstreckung des Neutronenstrahls von der Neutronenquelle zur Messprobe, deren kleinwinklige Strahlstreuung von einem Detektor erfasst wird, in Trägerelementen gehalterten Lochblenden aus einem neutronenabsorbierenden Material mit jeweils zumindest einer aktiven Blendenöffnung zur Verringerung der Strahldivergenz, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der geforderten Messauflösung und der Erstreckungslänge (2) des Neutronenstrahls eine die Strahlführung gewährleistende Anzahl n von Lochblenden, die als Gitterblenden (7) ausgebildet sind, mit zueinander veränderlichem Abstand vorgesehen ist und dass jede Gitterblende (7) eine konstante Anzahl m von eng benachbarten Blendenöffnungen (14) aufweist, die den hindurchtretenden Neutronenstrahl in eine Anzahl m von Teilstrahlen aufteilen und eine in Richtung auf die Messprobe abnehmende Größe zur Verringerung der Divergenz der Teilstrahlen aufweisen, wobei jeweils die einen Teilstrahl definierenden Blendenöffnungen (14) aller n Gitterblenden (7) zumindest in einem durch die Flugzeit monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervall auf deren Parabelbahn angeordnet und alle Teilstrahlen auf den Detektor fokussiert sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen (14) Abmessungen in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm aufweisen.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen (14) mit Hilfe computerkontrollierter Herstellungstechniken mit hoher Fertigungspräzision gefertigt sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Gitterblenden (7) zueinander in Richtung auf die Messprobe hin zunimmt.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterblenden (7) als Gitterrahmen (13) mit quadratischen Blendenöffnungen (14) ausgebildet sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterrahmen (13) aus Cadmium gebildet sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (4) der Gitterblenden (7) als vertikale Translationseinheiten (5) mit einer hohen Stellgenauigkeit ausgebildet sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Translationseinheiten (5) als Stellglieder mit Mikrometerschrauben oder als Piezoaktuatoren ausgebildet sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die in einem durch die Flugzeit monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervall auf der Parabelbahn monochromer Neutronen liegenden Blendenöffnungen (14) in weiteren durch die Flugzeit anderer monochromer Neutronen gegebenen Zeitintervallen durch entsprechende örtliche Verschiebung der Gitterblenden (7) auf deren Parabelbahnen liegen.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterblenden (7) kontinuierlich über die Parabelbahnen aller im Neutronenstrahl auftretenden monochromen Neutronen verfahren werden.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterblenden (7) oszillierend zwischen der obersten und der untersten auftretenden Parabelbahn verfahren werden.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Gitterblenden (7) über eine entsprechende zeitliche Ansteuerung von Antriebseinheiten (6) der vertikalen Translationseinheiten (5) oder von diese halternden Trägerschienen (3, 8) erfolgt.
Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten (6) als gesteuerte Servomotoren, bewegte Verstellschrauben, schrittmotorgetriebene Verstellschrauben oder als piezoelektrische Aktuatoren ausgebildet sind.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der Gitterblenden (7) in zeitlich definierten Beschleunigungsphasen erfolgt.
Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trägerelemente (4) der Gitterblenden (7) eine federnde Lagerung vorgesehen ist.