DE19844300C2 - Neutronenoptisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neutronenoptisches Bauelement, das aus einer sich wiederholenden Schichtenfolge aus neutronenleitenden Schichten und neutronenbeeinflussenden Schichten besteht, wobei die neutronenleitende Schicht einen für die Neutronen 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 Neutronen­ leiter 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. Beide Schichten werden bei dieser Einrichtung auf ein Trägermaterial aufgedampft, was einen langen Zeitraum beansprucht. Mit dieser Einrichtung lassen sich Neutronen nur in ihrer Richtung beeinflussen, da die reflektierende Schicht alle auftreffenden Elektronen ausschließlich reflektiert.

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 zur gezielten Beeinflussung eines Neutronenstrahls 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 neutronenbeeinflussenden Schichten aufweist und die neutronenleitende Schicht für die Neutronen 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 neutronenbeeinflussenden 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 Kanalbreite 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 Kolimator 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 neutronenbeeinflussenden Schichten, wobei die neutronenleitenden Schichten für die Neutronen einen von 1 wenig verschiedenen Brechungsindex und eine Schichtdicke zwischen 5 µm und 500 µm aufweisen, während die neutronenbeeinflussenden Schichten eine Dicke in der Größenordnung von einigen Zehntel Mikrometern aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die neutronenleitende Schicht aus einer Metallfolie (A) gebildet ist, die zwischen zwei absorbierenden Schichten (B) oder zwischen zwei spinselektiv reflektierenden Schichten (C) 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.