DE19844300A1 - Neutronenoptisches Bauelement - Google Patents
Neutronenoptisches BauelementInfo
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Abstract
Es wird ein neutronenoptisches Bauelement zur gezielten Beeinflussung eines Neutronenstrahls vorgestellt, das aus einer sich wiederholenden Schichtenfolge aus neutronenleitenden Schichten und neutronenselektierenden Schichten besteht. Die neutronenleitende Schicht besteht aus einer Metallfolie, die zwischen spinselektiv reflektierenden Schichten oder zwischen absorbierenden Schichten oder zwischen einer absorbierenden Schicht und einer spinselektiv reflektierenden Schicht angeordnet ist. DOLLAR A Auf Grund der erreichbaren geringen Kanalbreiten der neutronenleitenden Schichten lassen sich Polarisatoren oder Kollimatoren mit geringen Abmessungen und geringen Verlusten realisieren. DOLLAR A Die Herstellkosten sind gegenüber herkömmlichen Polarisatoren und Kollimatoren gering.
Description
Die Erfindung betrifft ein neutronenoptisches Bauelement, das aus einer sich
wiederholenden Schichtenfolge aus neutronenleitenden Schichten und
neutronenselektierenden Schichten besteht, wobei die neutronenleitende
Schicht einen von 1 wenig verschiedenen Brechungsindex aufweist.
Als neutronenoptische Bauelemente bezeichnet man Bauteile zum Leiten,
zum Ablenken und zum gezielten Beeinflussen eines Neutronenstrahls,
insbesondere eines subthermischen Neutronenstrahls. Solche
neutronenoptische Bauelemente werden als Experimentierhilfsmittel bei
Experimenten mit Neutronen verwendet. Um spezielle Untersuchungen
durchführen zu können, müssen die Neutronen bestimmte Eigenschaften
aufweisen. Für bestimmte Experimente werden Neutronen benötigt die in
einer spin-Richtung polarisiert sind. Für andere Experimente dürfen die
Neutronen nur eine bestimmte Divergenz aufweisen. Die Bewegung der
Neutronen erfolgt üblicherweise in Kanälen, die mit Luft gefüllt sind bzw. ein
Vakuum aufweisen, während die Wände dieser Kanäle mit Beschichtungen
zur Beeinflussung der Neutronen, beispielsweise zur Reflexion oder
Absorption versehen sind.
So ist beispielsweise in Physica B 156 & 157 (1989) S. 639-646 O. Schaerpf
ein "bender" beschrieben, bei dem als Trägersubstrat für die
Spiegelschichten Glas benutzt wird, und der Abstand zwischen den
Spiegelschichten, d. h. die Kanalbreite für die Neutronenleiter, beträgt 0,6 bis
1 mm. Bei derartigen Kanalbreiten bedarf es relativ großer Baulängen und
großer Krümmungsradien, um einen Neutronenstrahl mit den gewünschten
Eigenschaften zu erreichen.
Zur Ablenkung und Fokussierung eines Neutronenstrahls in einem
Neutronenleiter wird in der DE 18 03 806 C3 eine Einrichtung beschrieben,
bei der eine in einer Ebene gekrümmte Fläche abwechselnd mit einer die
Neutronen total-reflektierenden und einer für die Neutronen durchlässigen
Schicht versehen ist. Die neutronendurchlässige Schicht besteht aus
Aluminium und hat eine Dicke von einigen Mikrometern, während die
reflektierende Schicht eine Dicke von einigen Zehntel Mikrometern aufweist.
In Physica B 241-243 (1998) S. 82-85 Th. Krist, S. J. Kennedy, T. J. Hicks
und F. Mezei ist ein Kompaktpolarisator beschrieben, bei dem als
neutronenleitende Schichten Siliziumwafer verwendet werden, die eine
Stärke von 0,25 mm und eine Länge von 75 mm haben. Auf die Siliziumwafer
sind auf der eine Seite eine Superspiegelschicht und auf der
gegenüberliegenden Seite eine absorbierende Schicht aufgebracht. Ein
Bauelement ist aus bis zu 100 beschichteten Siliziumwafern aufgebaut. Der
Kompaktpolarisator weist eine Krümmung auf, die einer Auslenkung von ca.
einer wafer-Dicke entspricht.
Die bekannten Einrichtungen zur gezielten Beeinflussung eines
Neutronenstrahls, z. B. Kollimatoren und Polarisatoren haben große
Abmessungen, damit verbunden relativ hohe Übertragungsverluste und/oder
hohe Herstellkosten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neutronenoptisches Bauelement
vorzuschlagen, das durch geringe Kanalbreiten kleine Abmessungen
ermöglicht, geringe Verluste aufweist und kostengünstig herzustellen ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das
neutronenoptische Bauelement eine sich wiederholende Schichtenfolge aus
neutronenleitenden Schichten und neutronenselektierenden Schichten
aufweist und die neutronenleitende Schicht einen vom Wert 1 wenig
verschiedenen Brechungsindex aufweist. Die neutronenleitende Schicht wird
aus einer Metallfolie gebildet, deren Dicke zwischen 5 µm und 500 µm liegt
und die zwischen neutronenselektierenden Schichten, die entweder als
absorbierende Schichten oder als spinselektiv reflektierende Schichten
ausgebildet sind oder zwischen einer spinselektiv reflektierenden Schicht und
einer absorbierenden Schicht angeordnet ist. Die Dicke der absorbierenden
Schicht liegt in der Größenordnung von 0,5 µm, die Dicke der spinselektiv
reflektierende Schicht liegt in der Größenordnung von 1 µm.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Polarisator weist eine Schichtenfolge aus
jeweils einer neutronenleitenden Schicht, jeweils einer absorbierenden
Schicht und jeweils einer spinselektiv reflektierenden Schicht auf. Die
Schichten sind in einer Ebene mit einem Krümmungsradius zwischen 0,1 m
und 200 m gekrümmt. Vorteilhafterweise werden als spinselektiv
reflektierende Schicht jeweils Superspiegel verwendet, die beispielsweise ein
Schichtensystem aus Si-FeCo aufweisen. Die winkelabsorbierende Schicht
besteht beispielsweise aus Gd. Die spinselektiv reflektierende Schicht kann
aber auch aus einer reflektierenden Einzelschicht, beispielsweise aus FeCo
ausgebildet sein. Das neutronenoptische Bauelement kann als Kollimator
ausgebildet sein, indem die Schichtenfolge aus jeweils einer
neutronenleitenden Schicht und einer absorbierenden Schicht besteht. Der
Kollimator kann eben ausgeführt sein, aber auch eine leichte Krümmung in
einer Ebene aufweisen.
Ein sogenannter transmittierender Polarisator wird aus einem Polarisator
gebildet, der zwischen zwei Kollimatoren angeordnet ist, wobei der
Polarisator in dieser Ausführung lediglich eine Schichtenfolge aus jeweils
einer neutronenleitenden Schicht und einer spinselektiv reflektierenden
Schicht aufweist.
Das neutronenoptische Bauelement kann sehr kompakt aufgebaut werden
und kann durch die relativ geringen Kanalbreiten mit kurzen Baulängen
realisiert werden. Infolge der kurzen Baulänge reduzieren sich auch die
Verluste in diesem Bauelement. Das neutronenoptische Bauelement wird zur
gezielten Beeinflussung der Neutronen in den Neutronenstrahl eingebracht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auf Grund der geringen Kanalbreiten
auch Neutronen mit geringerer Wellenlänge beeinflußt werden können.
Vorteilhafterweise besteht die Metallfolie als neutronenleitende Schicht des
neutronenoptischen Bauelements aus Al, Sn, Zr, Pb, Cu, Nb, Mo, Zn, V.
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Ausführung als Kompaktpolarisator,
Fig. 2 Ausführung als Kollimator (eben),
Fig. 3 Ausführung als Kollimator (gekrümmt),
Fig. 4 Ausführung als transmittierender Polarisator.
In Fig. 1 ist ein neutronenoptisches Bauelement dargestellt, das als
Kompaktpolarisator ausgebildet ist. Die neutronenleitende Schicht A ist eine
Metallfolie, an deren eine Fläche sich eine spinselektiv reflektierende Schicht
C, die als Superspiegel ausgebildet ist, und an deren andere Fläche sich eine
absorbierende Schicht B anschließt. Diese Schichtenfolge wiederholt sich
vielfach bis zu einer Stärke von einigen Zentimetern. Als Superspiegel wird
beispielsweise ein Schichtensystem aus Si-FeCo verwendet, und die
absorbierende Schicht besteht beispielsweise aus Gd.
Die Neutronen 1, 2, 3, 4 treffen an der Seitenfläche S1 auf den
Kompaktpolarisator. Dargestellt werden nur Neutronen, die im Bereich der
neutronenleitenden Schicht auftreffen. Das Neutron 1 trifft nach dem Eintritt
durch die Seitenfläche KPS1 und die neutronenleitende Schicht A auf die
absorbierende Schicht B und wird dort absorbiert. Das Neutron 2 trifft auf die
spinselektiv reflektierende Schicht C, wird dort reflektiert, da es die
entsprechende spin-Richtung hat und trifft infolge des großen
Reflexionswinkels auf die absorbierende Schicht B und wird absorbiert. Das
Neutron 3 trifft nach seinem Eintritt in die neutronenleitende Schicht A auf die
spinselektiv reflektierende Schicht C, wird dort, da es die entsprechende
spin-Richtung hat, in der vorgegebenen spin-Richtung reflektiert und verläßt
an der zweiten Seitenfläche KPS2 das neutronenoptische Bauelement. Das
Neutron 4 trifft nach seinem Eintritt in die neutronenleitende Schicht A auf die
spinselektiv reflektierende Schicht C, wird dort, da es die andere spin-
Richtung hat, nicht reflektiert, sondern trifft auf die dahinterliegende
absorbierende Schicht B und wird absorbiert. So wird erreicht, daß an der
zweiten Seitenfläche KPS2 nur Neutronen austreten, die die gleiche
vorgegebene spin-Richtung aufweisen und somit einen polarisierten
Neutronenstrahl einer spin-Richtung bilden.
An Hand dieser Figur wird deutlich, daß der maximale Reflexionswinkel der
spinselektiv reflektierenden Schicht C und die dazu passend gewählten
Größen von Kanal breite der neutronenleitenden Schicht und
Krümmungsradius einen entscheidenden Einfluß auf die Baulänge des
Kompaktpolarisators haben. Bei größeren Kanalbreiten und/oder großem
Krümmungsradius muß das neutronenoptische Bauelement wesentlich länger
sein, damit alle an der Seitenfläche KPS1 eintretenden Neutronen
mindestens einmal an der spinselektiv reflektierenden Schicht C reflektiert
werden oder in der absorbierenden Schicht B absorbiert werden. Dadurch,
daß bei diesem Kompaktpolarisator die neutronenleitenden Schichten A
direkt mit den spinselektiv reflektierenden Schichten C und den
absorbierenden Schichten B aneinandergrenzen und nicht, wie bei
herkömmlichen Polarisatoren, Kollimatoren bzw. "bendern" die
absorbierenden und die reflektierenden Schichten auf einem zusätzlichen
Substrat (z. B. Glas) aufgebracht sind, ist bei gleich großen Seitenflächen
KPS1, KPS2 die wirksame Fläche wesentlich größer, wodurch der
Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Polarisators größer ist.
In der Fig. 2 ist ein Kollimator dargestellt. Er hat die Aufgabe, aus einem
divergenten Neutronenstrahl einen nahezu parallelen Neutronenstrahl zu
selektieren, indem alle Neutronen, die einen vorgegebenen Winkel
überschreiten, absorbiert werden. Die neutronenleitende Schicht A wird von
zwei absorbierenden Schichten B begrenzt. Diese Schichtenfolge wiederholt
sich beliebig oft. Der Kollimator ist eben ausgebildet. Die Neutronen 11 und
12, die mit einem größeren von der Strahlrichtung abweichenden Winkel
durch die erste Seitenfläche KS1 in die neutronenleitende Schicht A des
Kollimators eintreten, treffen auf eine absorbierende Schicht B und werden
absorbiert. Dagegen treffen die Neutronen 13 und 14, die nur gering von der
Strahlrichtung abweichen, auf keine absorbierende Schicht und verlassen an
der zweiten Seitenfläche KS2 den Kollimator. Auch hier wird deutlich, daß die
Divergenz der austretenden Neutronen von der Kanalbreite der
neutronenleitenden Schicht A und der Baulänge des Kollimators bestimmt
werden. Mit abnehmender Kanalbreite und zunehmender Baulänge nimmt die
Divergenz des austretenden Neutronenstrahls ab.
In der Fig. 3 ist ein Kollimator dargestellt, der in einer Ebene leicht gekrümmt
ist. Die Schichtenfolge und die Wirkungsweise entsprechen dem Kollimator
gemäß Fig. 2. Während beim eben ausgebildeten Kollimator die Divergenz
des austretenden Neutronenstrahls nur durch Kanalbreite und Baulänge
bestimmt wird, wird sie bei diesem gekrümmten Kollimator auch durch den
Krümmungsradius R bestimmt. Mit kleiner werdendem Krümmungsradius
nimmt die Divergenz des austretenden Neutronenstrahls ab. Bei unter
gleichem Winkel wie in Fig. 2 eintretenden Neutronen 21, 22, 23, 24 wird das
Neutron 24 beim gekrümmten Kollimator absorbiert und nur das Neutron 23
kann den Kollimator an der zweiten Seitenfläche KS2 verlassen. Wenn der
Kollimator derart ausgebildet wird, daß sein Krümmungsradius veränderbar
ist, z. B. durch Fixierung der Seitenflächen KS1, KS2 und einstellbare
Durchbiegung in der Mitte, kann die Divergenz des austretenden
Neutronenstrahls bei unverändertem Aufbau des Kollimators verändert
werden.
An Hand der Fig. 4 wird ein transmittierender Polarisator beschrieben, bei
dem ein erster Kollimator, ein Polarisator und ein zweiter Kollimator
hintereinander angeordnet sind. Die Kollimatoren entsprechen in ihrem
Aufbau dem Kollimator gemäß Fig. 2. Der Polarisator dagegen ist anders
aufgebaut als der gemäß Fig. 1 beschriebene Kompaktpolarisator. Die
neutronenleitende Schicht A wird hier von zwei spinselektiv reflektierenden
Schichten C begrenzt. Der Polarisator ist in einer Ebene gekrümmt. Die
Neutronen 31, 32, 33, 34 treten durch die erste Seitenfläche K1S1 in den
ersten Kollimator ein, wobei die Neutronen 31 und 32 wegen des großen
Winkels beim Auftreffen auf die absorbierende Schicht B absorbiert werden.
Die Neutronen 33 und 34 verlassen den ersten Kollimator an der zweiten
Seitenfläche K1S2 und treten über die erste Seitenfläche PS1 des
Polarisators in eine neutronenleitende Schicht A des Polarisators ein und
treffen auf Grund der Krümmung des Polarisators auf eine spinselektiv
reflektierende Schicht C auf. Das Neutron 33 wird dort reflektiert, da es die
entsprechende spin-Richtung hat, und tritt durch die zweite Seitenfläche PS2
aus dem Polarisator aus. Es tritt nun durch die erste Seitenfläche K2S1 des
zweiten Kollimators, trifft dort auf eine absorbierende Schicht B und wird
absorbiert. Das Neutron 34 wird an der spinselektiv reflektierenden Schicht C
nicht reflektiert, da es die andere spin-Richtung aufweist, und verläßt den
Polarisator, ohne auf eine absorbierende Schicht B in dem zweiten Kollimator
zu treffen. Somit wird auch bei diesem transmittierenden Polarisator ein
polarisierter Neutronenstrahl einer spin-Richtung erzeugt. Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, daß die Flugrichtung der selektierten Neutronen,
die den polarisierten Neutronenstrahl bilden, nicht verändert wird und
insbesondere keine Divergenzerhöhung auftritt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der zweite Kollimator nach dem
Polarisator nicht mehr angeordnet, wodurch zwei polarisierte
Neutronenstrahlen unterschiedlicher spin-Richtung und in unterschiedlicher
Ausbreitungsrichtung entstehen.
Claims (11)
1. Neutronenoptisches Bauelement, aufweisend eine sich wiederholende
Schichtenfolge aus neutronenleitenden Schichten und
neutronenselektierenden Schichten, wobei die neutronenleitenden Schichten
einen von 1 wenig verschiedenen Brechungsindex aufweisen
dadurch gekennzeichnet, daß
die neutronenleitende Schicht aus einer Metallfolie (A) gebildet ist, deren
Dicke zwischen 5 µm und 500 µm liegt, und die zwischen
neutronenselektierenden Schichten, die als absorbierende Schichten (B)
ausgebildet sind, deren Dicke in der Größenordnung von 0,5 µm liegt, oder
zwischen neutronenselektierenden Schichten, die als spinselektiv
reflektierende Schichten (C) ausgebildet sind, deren Dicke in der
Größenordnung von 1 µm liegt, oder zwischen einer spinselektiv
reflektierenden Schicht (C) und einer absorbierenden Schicht (B) angeordnet
ist.
2. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das neutronenoptische Bauelement als Polarisator ausgebildet ist,
aufweisend eine Schichtenfolge aus Metallfolie (A) und einer die Neutronen
spinselektiv reflektierenden Schicht (C) und einer die Neutronen
absorbierenden Schicht (B) wobei diese Schichtenfolge in einer Ebene mit
einem Krümmungsradius von 0,1 m bis 200 m gekrümmt ausgebildet ist.
3. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das neutronenoptische Bauelement als Polarisator ausgebildet ist, bei dem
die die Neutronen spinselektiv reflektierende Schicht (C) als Superspiegel,
beispielsweise bestehend aus einem Schichtensystem aus Si-FeCo,
ausgebildet und die die Neutronen absorbierende Schicht (B) aus Gd gebildet
ist.
4. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das neutronenoptische Bauelement als Polarisator ausgebildet ist, bei dem
die die Neutronen spinselektiv reflektierende Schicht (C) als Einzelschicht
aus beispielsweise FeCo gebildet ist.
5. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das neutronenoptische Bauelement als Polarisator ausgebildet ist,
aufweisend eine Schichtenfolge aus Metallfolie (A) und die Neutronen
spinselektiv reflektierende Schicht (C) und diese Schichtenfolge in einer
Ebene mit einem Krümmungsradius von 0,1 m bis 200 m gekrümmt
ausgebildet ist.
6. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die neutronenleitenden Schichten (A) und/oder selektiv reflektierenden
Schichten (C) und/oder absorbierenden Schichten (B) keilförmig ausgebildet
sind, wobei sich die Keile in der gleichen Richtung verjüngen.
7. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das neutronenoptische Bauelement als Kollimator ausgebildet ist, aufweisend
eine Schichtenfolge aus jeweils einer Metallfolie (A) und einer die Neutronen
absorbierenden Schicht (B).
8. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schichtenfolge aus Metallfolien (A) und die Neutronen absorbierende
Schichten (B) in einer Ebene mit einem Krümmungsradius von 0,1 m bis
200 m gekrümmt ausgebildet ist.
9. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Krümmungsradius durch geeignete Mittel innerhalb bestimmter Grenzen
einstellbar ist.
10. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Metallfolie (A) Al, Sn, Zr, Pb, Cu, Nb, Mo, Zn, Cr, V ist.
11. Neutronenoptisches Bauelement nach mindestens einem der
Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere zuvor genannte neutronenoptische Bauelemente zu einer
Kombination zusammengefügt sind.
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