DE19936899C2 - 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 aus einer Metallfolie gebildet ist.

Als neutronenoptische Bauelemente bezeichnet man Bauteile zum Leiten, zum Ablenken und zum gezielten Beeinflussen eines Neutronenstrahls, insbesondere eines subthermischen Neutronenstrahls. Solche neutronenoptischen 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 nur eine bestimmte Divergenz aufweisen. Für andere Experimente ist es erforderlich, daß auf einer relativ kleinen Fläche eine relativ hohe Beleuchtungsstärke erreicht wird, d. h. es ist eine Fokussierung des Neutronenstrahls erwünscht.

So ist beispielsweise in Neutron News Vol. 10 No. 1 (1999) S. 17-19 B. E. Allman et al ein Kollimator zur Erzeugung eines Neutronenstrahls mit geringer Divergenz beschrieben, der aus einer Schichtenfolge von neutronenleitenden Schichten und neutronenabsorbierenden Schichten besteht.

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.

Eine weitere Einrichtung zur Fokussierung eines Neutronenstrahls ist in Neutron News Vol. 10 No. 1 (1999) S. 20-23 B. E. Allman et al eine "Lobster-Eye" Optic beschrieben. Bei der "Lobster-Eye" Optic werden eine Vielzahl von Einzelelementen, die jeweils zwei senkrecht aufeinanderstehende verspiegelte Seitenflächen aufweisen, neben- und übereinander zu einem Bauelement zusammengefügt.

Der Nachteil des bekannten Kollimators besteht darin, daß damit ein Neutronenstrahl erzeugt wird, der lediglich in einer Richtung (x-Richtung) eine geringe Divergenz aufweist. Soll dagegen ein Neutronenstrahl erreicht werden, der in beiden Richtungen (x- und y-Richtung) eine geringe Divergenz aufweist, müssen zwei derartige Kollimatoren, die gegeneinander um 90° gedreht sind, hintereinander angeordnet werden. Damit verdoppelt sich die Absorption und der Wirkungsgrad nimmt ab. Außerdem ist die geometrische Abmessung einer derartigen Anordnung wesentlich größer.

Die bekannten Einrichtungen zur Fokussierung eines Neutronenstrahls haben die Nachteile, daß neben der großen geometrischen Abmessung die Herstellung der Einrichtungen sehr aufwendig und kompliziert ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neutronenoptisches Bauelement vorzuschlagen, das kleine Abmessungen und damit geringe Verluste aufweist sowie kostengünstig herzustellen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das neutronenoptische Bauelement mindestens eine Schichtenfolge aus einer neutronenleitenden Schicht und mindestens einer weiteren die Neutronen beeinflussenden Schicht gebildet ist, deren Form annähernd der Mantelfäche eines Hohlzylinders entspricht, dessen Achse annähernd in Strahlrichtung verläuft und die Schichtenfolge konzentrisch zur optischen Achse des Bauelements angeordnet ist. Die Schichtenfolge wiederholt sich, beginnend an der Achse des Bauelements, aneinanderanliegend so oft bis das Bauelement einen Durchmesser aufweist der mindestens dem Durchmesser des zu beeinflussenden Neutronenstrahls entspricht. Die neutronenleitende Schicht besteht aus einer Metallfolie.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Kollimator weist eine Schichtenfolge aus jeweils einer neutronenleitenden Schicht und einer absorbierenden Schicht auf. Die Divergenz des Neutronenstrahls am Ausgang des Bauelements wird durch die Kanalbreite und die Länge des Bauelements bestimmt.

Das neutronenoptische Bauelement kann auch als fokussierende Neutronenlinse ausgebildet sein, indem die Schichtenfolge aus der neutronenleitenden Schicht, einer auf der neutronenleitenden Schicht angeordneten neutronenreflektierenden Schicht und einer auf der neutronenreflektierenden Schicht angeordneten neutronenabsorbierenden Schicht besteht.

In einer Ausführungsform wird jede Schichtenfolge jeweils als Mantelfläche eines Hohlzylinders ausgebildet wobei die Hohlzylinder unterschiedliche Durchmesser auf weisen und passend ineinander angeordnet sind.

In einer anderen Ausführungsform ist die Schichtenfolge als spiralförmiger Wickelkörper ausgebildet, der nahezu konzentrisch zur optischen Achse des Bauelements angeordnet ist.

Das Bauelement weist vorteilhafterweise für die neutronenleitenden Schichten Schichtdicken im Bereich von 100 µm und für die neutronenbeeinflussenden Schichten Schichtdicken im Bereich von 10 µm auf. Da das neutronenoptische Bauelement rotationssymmetrisch aufgebaut ist, erfolgt eine Beeinflussung der das Bauelement passierenden Neutronen stets in beiden Richtungen, nämlich in der x-Richtung als auch in der y- Richtung. Es wird ein Neutronenstrahl erzeugt, der eine gleichmäßige Ausleuchtung mit einer Punktsymmetrie in der Abbildungsebene ermöglicht.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Ausführung als Kollimator (Längsschnitt);

Fig. 2 Ausführung als Kollimator (Querschnitt);

Fig. 3 Segmentausschnitt aus Fig. 2;

Fig. 4 Ausführung als Sammellinse (Längsschnitt);

Fig. 5 Ausführung als Sammellinse (Querschnitt).

In Fig. 1 ist ein neutronenoptisches Bauelement im Längsschnitt dargestellt, das als Kollimator ausgebildet ist. Die neutronenleitende Schicht A ist eine Metallfolie, an deren eine Fläche sich eine absorbierende Schicht B anschließt. Diese Schichtenfolge wiederholt sich symmetrisch zur Mittelachse vielfach, bis ein Bauelement mit einer Stärke erreicht wird, die mindestens dem Strahldurchmesser entspricht. Dieses Bauelement wird in Längsrichtung in den Strahlengang eingefügt. Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Kollimators anhand der Fig. 1 beschrieben.

Der Kollimator hat die Aufgabe, aus einem divergenten Neutronenstrahl einen nahezu parallelen Neutronenstrahl zu selektieren, indem alle Neutronen n1, n2, n3, n4, die einen vorgegebenen Winkel überschreiten, absorbiert werden. Ob die Neutronen n1, n2, n3, n4, die an der ersten Seitenfläche KS1 in die neutronenleitende Schicht A des Kollimators eintreten, an einer absorbierenden Schicht B absorbiert werden oder an der zweiten Seitenfläche KS2 das Bauelement verlassen können, wird durch den Eintrittswinkel der Neutronen n1, n2, n3, n4, die Kanalbreite der neutroneneleitenden Schicht A und die Länge des Bauelements vorgegeben. Somit wird der Austrittswinkel der Neutronen n3, n4 aus dem Bauelement durch die Kanalbreite der neutroneneleitenden Schicht A und die Länge des Bauelements bestimmt. Die neutronenleitende Schicht A wird, durch die sich wiederholende Schichtenfolge, stets von zwei absorbierenden Schichten B begrenzt. Der zylinderförmige Kollimator ist in seiner Längsrichtung eben ausgebildet. Die Neutronen n1 und n2, die mit einem größeren von der mittleren 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 n3 und n4, die nur gering von der Strahlrichtung abweichen, auf keine absorbierende Schicht und verlassen an der zweiten Seitenfläche KS2 den Kollimator. An dieser Darstellung wird deutlich, daß die Divergenz der austretenden Neutronen n3 und n4 von der Kanalbreite der neutronenleitenden Schicht A und der Baulänge des Kollimators bestimmt wird. Mit abnehmender Kanalbreite und zunehmender Baulänge nimmt die Divergenz des austretenden Neutronenstrahls ab. Der Eintrittswinkel der Neutronen in das Bauelement ist viel größer als der Austrittswinkel, mit dem die Neutronen das Bauelement verlassen.

Die Fig. 2 zeigt im Querschnitt den rotationssymmetrischen Aufbau des Bauelements, wodurch die Neutronen beim Durchgang durch das Bauelement stets in der x-Richtung als auch in der y-Richtung beeinflußt werden. Die Achse des Bauelements liegt in der z-Richtung und diese entspricht der Strahlrichtung des Neutronenstrahls (mittlere Flugrichtung der Neutronen). Diese Schichtenfolge wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß eine ebene Schichtenfolge bestehend aus einer Metallfolie A und der neutronenabsorbierenden Schicht B aufgewickelt wird, wodurch ein zylinderförmiges Bauelement entsteht. Sollten, technologisch bedingt durch den Wickelanfang der Metallfolie A, im Zentrum des Bauelements keine exakt definierten Bedingungen realisierbar sein, kann dieser Bereich durch Anordnung einer entsprechenden Blende ausgeblendet werden. Da dieser Bereich sehr klein ist, hat diese Maßnahme keinen merklichen Einfluß auf die Wirkungsweise des Bauelements.

Die Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Querschnitts gemäß Fig. 2. Jedes Neutron n, welches mit einem größeren von der Strahlrichtung abweichenden Winkel, in y-Richtung oder in x-Richtung oder jeder dazwischenliegenden Richtung über die erste Seitenfläche KS1 in das Bauelement eintritt, trifft auf eine absorbierende Schicht B und wird absorbiert. Nur Neutronen, welche mit einem geringeren von der Strahlrichtung abweichenden Winkel, in y-Richtung oder in x-Richtung oder jeder beliebigen dazwischenliegenden Richtung über die erste Seitenfläche KS1 in das Bauelement eintreten, treffen auf keine absorbierende Schicht B und verlassen das Bauelement auf seiner zweiten Seitenfläche KS2. Dadurch wird ein nahezu paralleler Neutronenstrahl mit definierter Divergenz erzeugt, der eine punktsymmetrische Ausleuchtung in der Abbildungsebene ermöglicht. Der Durchmesser des erzeugten nahezu parallelen Neutronenstrahls entspricht annähernd dem Durchmesser des neutronenoptischen Bauelements.

In Fig. 4 ist ein neutronenoptisches Bauelement im Längsschnitt dargestellt, das als fokussierende Linse ausgebildet ist. Die neutronenleitende Schicht A ist eine Metallfolie, an deren eine Fläche sich eine reflektierende Schicht C anschließt, der sich wiederum eine absorbierende Schicht B anschließt. Diese Schichtenfolge wiederholt sich symmetrisch zur Mittelachse vielfach, bis ein Bauelement mit einer Stärke erreicht wird, die mindestens dem Strahldurchmesser entspricht. Die neutronenleitende Schicht A wird, durch die sich wiederholende Schichtenfolge, jeweils von einer reflektierenden Schicht C und einer absorbierenden Schicht B begrenzt. Die zylinderförmige Sammellinse ist in ihrer Längsrichtung eben ausgebildet. Die Neutronen n5 und n6, die nur gering von der Strahlrichtung abweichen und durch die erste Seitenfläche LS1 in die neutronenleitende Schicht A der Sammellinse eintreten, treffen auf eine reflektierende Schicht C und werden dort reflektiert. Aufgrund des kleinen Reflexionswinkels treten sie auf der zweiten Seitenfläche LS2 aus dem Bauelement aus, ohne auf eine absorbierende Schicht B zu treffen. Dagegen trifft das Neutron n7, das mit einem relativ großen von der Strahlrichtung abweichenden Winkel durch die erste Seitenfläche LS1 in die neutronenleitende Schicht A der Sammellinse eintritt, auf eine reflektierende Schicht C und wird dort reflektiert. Aufgrund des großen Reflexionswinkels trifft dieses Neutron, bevor es das Bauelement auf der zweiten Seitenfläche LS2 verlassen kann, auf eine absorbierende Schicht B und wird absorbiert. Da die reflektierende Schicht C jeweils außen liegt, werden die Neutronen n5, n6, n7 stets in Richtung auf die optische Achse des Bauelements reflektiert, so daß eine Fokussierung des Neutronenstrahls erreicht wird. Durch die Anordnung einer absorbierenden Schicht B, jeweils auf der Innenseite der neutronenleitenden Schicht A wird bewirkt, daß keine Neutronen in Richtung von der optischen Achse weg reflektiert werden können.

In Fig. 5 ist ein neutronenoptisches Bauelement im Querschnitt dargestellt, das als fokussierende Linse ausgebildet ist. Der Schichtenaufbau des rotationssymmetrischen Bauelements wird in diesem Fall realisiert durch einzelne Hohlzylinder, die passend ineinander angeordnet sind. Vorteilhafterweise werden Hohlzylinder, die aus der neutronenleitenden Schicht A gebildet sind mit der reflektierenden Schicht C sowie der absorbierenden Schicht B versehen und als Einzelschichtenfolge passend ineinander angeordnet.

Claims (7)

1. Neutronenoptisches Bauelement, aufweisend mindestens eine Schichtenfolge aus einer neutronenleitenden Schicht, die aus einer Metallfolie gebildet ist, und mindestens einer weiteren die Neutronen beeinflussenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge mindestens annähernd in der Form einer Mantelfäche eines Hohlzylinders ausgebildet ist, wobei dessen Achse annähernd in Strahlrichtung verläuft und die Schichtenfolge konzentrisch zur optischen Achse des Bauelements angeordnet ist, wobei sich die Schichtenfolge, beginnend an der Achse des Bauelements, aneinanderanliegend so oft wiederholt bis das Bauelement einen Durchmesser aufweist der mindestens dem Durchmesser des zu beeinflussenden Neutronenstrahls entspricht.

2. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge aus der aus einer Metallfolie gebildeten neutronenleitenden Schicht und einer auf der neutronenleitenden Schicht angeordneten neutronenabsorbierenden Schicht besteht.

3. Neutronenoptisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge aus der aus einer Metallfolie gebildeten neutronenleitenden Schicht, einer auf der neutronenleitenden Schicht angeordneten neutronenreflektierenden Schicht und einer auf der neutronenreflektierenden Schicht angeordneten neutronenabsorbierenden Schicht besteht.

4. Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge als spiralförmiger Wickelkörper ausgebildet ist, der nahezu konzentrisch zur optischen Achse des Bauelements angeordnet ist.

5. Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Metallfolie (A) Al oder Cu ist.

6. Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der neutronenabsorbierenden Schicht (B) Gd, Cd, B ist.

7. Neutronenoptisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der neutronenreflektierenden Schicht (C) Ni ist.