DE2064760C3 - Neutronenspektrometer mit den auf drehbar beweglichen Tischen angeordneten Bauelementen Monochromator, Probe, Analysator und Detektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Neutronenspektrometer mit den hintereinander in einem Neutronenstrahl liegenden Bauelementen. Monochromator, Probe, Analysator und Detektor, die auf einzelnen, jeweils voneinander getrennten Tischen in begrenzten Bereichen drehungsmäßig und in ihren Abständen unabhängig voneinander auf einer Bodenebene bewegbar sind, wobei die Tische jeweils aus teilweise gegeneinander beweglichen Baugruppen bestehen und Elektromotoren und Getriebe als Antriebsmittel aufweisen.

Die Neutronen eines aus einem Reaktor austretenden Neutronenstrahls besitzen eine Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung. Für die Untersuchung einer Neutronenstreuung an einer Probe werden Neutronen gleicher Geschwindigkeit oder gleicher Wellenlänge benötigt. Die Auswahl monochromatischer Neutronen erfolgt mit einem Monochromatorchristall entsprechend dem Braggschen Reflexionsgesetz. Einer bestimmten kinetischen Energie der Neutronen entspricht eine bestimmte Wellenlänge. Deshalb werden Neutronen mit einer gewissen Energie am Analysatorchristall ebenfalls entsprechend dem Braggschen Reflexionsgesetzt in eine wohldefinierte Richtung reflektiert. Mit einem Neutronendetektor und einem nachgeschalteten Zähler lassen sich nun die Anzahl der in verschiedene Richtungen reflektierten Neutronen bestimmen.

Aus »The Review of Scientific Instruments«, Bd. 40, 1969, S. 249—255 ist, ein Neutronenspektrometer bekannt, bei dem die einzelnen Elemente Monochromator, Probe, Analysator und Detektor so angeordnet sind, daß sich alle Elemente zusammen über einen bestimmten Winkel auf einer Schiene um den Monochromator bewegen können und Analysator und Detektor ihrerseits um die Probe in einem bestimmten Winkeibereich auf einem Drehteller schwenkbar sind. Dabei erfolgt der Antrieb durch Schrittmotore. Bei diesen Anordnungen sind die nutzbaren Winkelbereiche jedoch aus baulichen Gründen eingeschränkt und die Abstände zwischen den einzelnen Elementen sind nur in sehr geringem Maße variierbar.

Ferner ist aus »Journal of Scientific Instruments«, Serie 2, Bd. 1, 1968, Nr.5, S. 528-530 ein Neutronenspektrometer der eingangs genannten Art mit den hintereinander im Neutronenstrahl liegenden Bauelementen Monochromator, Probe, Analysator und Detektor bekannt, bei welchem diese, auf einzelnen, jeweils voneinander getrennten Tischen in begrenzten Bereichen drehungsmäßig und teilweise in ihren Abständen unabhängig voneinander auf einem Boden bewegbar sind. Die Bewegbarkeit wird durch Drehen der einzelnen Elemente erzeugt. Die Tische bestehen dabei jeweils aus teilweise gegeneinander beweglichen Baugruppen und weisen Positionskodierer auf. Bei diesem Neutronenspektrometer ist jedoch eine feste Geometrie praktisch vorgegeben, da die Abstände der Achsen voneinander immer gleich bleiben und nicht alle Elemente um einen vollen Kreis drehbar sind.

Ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik hat nun die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Neutronenspektrometer dieser Art in der Weise zu verbessern, daß die Abstände zwischen den Spektrometerelementen in weiten Bereichen einstellbar sind.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung bei einem Neutronenspektrometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Tische jeweils aus mindestens fünf als zylinderförmige Scheiben ausgebil-

deten Moduln bestehen, die mit gemeinsamen Achsen und mindestens teilweise gegeneinander verdrehbar übereinander angeordnet sind, wobei der jeweils oberste Modul eines Tisches das betreffende Spektrometerelement Monochromator, Probe, Analysator oder Detektor aufnimmt und an dem unten ten Modul zwischen seiner Grundplatte und der Bodenebene zwei mittels eines Schrittmotors und eines Verteilergetriebes über Kardangelenke angetriebene Rollen angebracht sind, die auf der Bodenebene laufen, wobei die erste Rolle in der Mitte des Tisches angeordnet ist und die zweite Rolle exzentrisch zur Mitte des Tisches mit der Laufrichtung senkrecht zur Laufrichtung der ersten Rolle angeordnet ist, und daß die Tische mittels Verbindungsstangen miteinander verbunden und in Meßposition an ihnen fixierbar sind, wobei die Verbindungsstangen jeweils an ihrem einen Ende schwenkbar an einem der Module eines Tisches angelenkt und an ihrem anderen Ende gegenüber einem sie aufnehmenden Modul des nächsten Tisches entlang ihrer Längsachse verschieblich sind unu in einer Aufnahmebohrung dieses Moduls Arretierglieder vorgesehen sind, mittels welcher die Verbindungsstangei während der Messung ankuppelbar und für die Positionierbewegung wieder lösbar sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die beiden Rollen jeweils für sich an Hubeinrichtungen angeflanscht sind, mittels derer sie unabhängig voneinander gegenüber der Grundplatte absenk- oder anhebbar sind. In besonders vorteilhafter Art weisen dabei die Verbindungsstangen Verzahnungen auf, die jeweils im Zentrum des sie aufnehmenden Moduls . waagerecht angeordnete Kodierer über ein spielfreies Ritzel antreiben.

Die durch einen derart ausgebildeten Neutronen- <5 spektrometer verwirklichten Vorteile bestehen vor allem in der freien Einstellbarkeit aller Winkel und Abstände aes Chrislallspektrometers. Dadurch wird eine hohe Anpassungsfähigkeit an wechselnde experimentelle Bedürfnisse erreicht. Leichte Bedienbarkeit und automatische Steuerungsmöglichkeiten, sowie ein übersichtlicher modularer Aufbau bilden weitere Vorteile.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der F i g. 1 und 2 erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Aufsicht auf die Tische des Neutronenspektrometers und

F i g. 2 einen Längsschnitt durch zwei der vier Tische im Modulaufbau.

Gemäß der Fig. 1 sind vier in etwa kreiszylindrische Tische T_M (Monochromatortisch), 7>(Probentisch), T_A (Analysatortisch) und T_D (Detektortisch) des Spektrometer, an deren Spitze sich die einzelnen Spektrometerelemente befinden, durch vier Stangen S_M, S_P, Sa, und Sd verbunden. Dabei können am Tisch T_P mehrere Stangen Sa angelenkt sein, die unter Umständen zu mehreren Analysatonischen Ta und Detektortischen T_D führen. Jeder Tisch besteht aus fünf scheibenartig übereinanderliegenden Moduln, deren Aufbau aus der F i g. 2 zu ersehen ist Alle Tische sind in einer Ebene 1 horizontal unabhängig voneinander und in beliebige Abstände zueinander verschiebbar, bzw. positionierbar. Dabei bleiben die Tische T durch die Stangen verbunden. Die Stangenachsen schneiden die vertikalen Mittelachsen der Tische, wobei ein Tisch, z. B. T_A jeweils entlang einer Stange Sa beweglich ist und diese Stange Sa ihrerseits um die Vertikalachse des Tisches 7> um 360° gedreht werden kann. Alle Stangen weisen an ihrer Befestigungsseite Gelenke auf, welche eine geringe vertikale Drehung der Stangen bei einem Anheben der Tische ermöglichen. Die Winkel zwischen den einzelnen Stangen und damit die Winkel im Strahlengang 2 des von einem Neutronenleiter 3 ausgesandten und auszuwertenden Strahles können gemessen werden. Zur Feinjustierung bzw. Feinvermessung der durch den Antrieb vorpositionierten Tische dient ein optisches Suchsystem welches aus an jedem Tisch angebrachten, gebündelten Lichtquellen 4 und auf die Vertikalachse zentrierten photoelektrischen Lichtempfängern 5 besteht.

Die F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die beiden Tische Tm und Tp, sowie durch ihre Verbindungen. Die Tische sind in modularer Weise aufgebaut, sie bestehen von unten nach oben aus folgenden scheibenartig und zylinderförmig übereinanderliegenden Elementen: Modul Mr für -lie Antriebsrolle, Modul Ml für die Linearbewegu 'g, Modul Ms für die Stangenbewegung, Modul Mw für die Winkelmessung und Modul Mk für den Kristallträger.

Der Modul Mr für die Antriebsrollen besteht aus drei übereinanderliegenden Platten 6, 7, 8. An der Grundplatte 6 sind ein Antriebsmotor 9, Verteilergetriebe 10 und Antriebsrollen 11, 12 mit einem zum Motor verbindenden Kardangelenk 13 befestigt Es sind zwei Antriebsrollen 11, 12 vorgesehen, deren eine 11 in der Zylinderachse 14 des Moduls Mr angeordnet ist und deren zweite 12 exzentrisch zu dieser Zylinderachse 14 mit der Laufrichtung senkrecht zur Rolle 11 positioniert ist Beide Rollen können unabhängig voneinander mittels Hubeinrichümgen 15 bezüglich der Grundplatte 6 angehoben bzw. abgesenkt werden. Die Rolle 11 erzeugt im Antriebsfalle eine Linearbewegung des Tisches T_M, während die Rolle 12 eine Rotationsbewegung um die Zylinderachse 14 hervorruft Auf diese Art kann der Tisch Tm in jede gewünschte Position auf der Ebene 1 gebracht werden. Die Entlastung der Tische erfolgt durch Luftlager 16, die in Fußstücken 17 der Grundplatte 6 eingebaut sind. Diese Luftlager 16 erzeugen ein Luftpolster zwischen den Fußstücken 17 und der Bodenebene 1, auf welchem der Tisch Tm, während der Positionierung schwebt. Die Tische Tm, Tp und Ta besitzen drei Luftlager 16, während der Detektortisch Td infolge des hohen Gewichtes der Detektorabschirmung zwölf Luftlager 16 aufweist Der Lagerluftdruck beträgt ca. 2 bar.

Zwischen der Grundplatte 6 und der Mittelplatte 7 befindet sich ein Längslager 18, welches eine Linearbewegung der dariiberliegenden Teile tangential zur Drehbewegung erlaubt. Dieses Längslager 18 dient zur Winkelfeineinstellung. Der Antrieb erfolgt über eine Spindel 19 und einen Hebel 20 durch einen Schrittmotor 21.

Damit der Tisch T_M ständig dieselbe Position zur Stange S_M halten kann, ist die Mittelplatte 7 mit der Oberplatte 8 über ein Drahtkäfiglager 22 drehbar verbunden. Die Oberplatte 8 des Tisches 7V- trägt ein Distanzstück 23, auf welches der Modul Ml für die Linearbewegung aufgesetzt ist. Bei dem Tisch 7> trägt die Platte 8 jedoch drei übereinanderliegende Moduln Ms, an danen bis zu drei Stangen S_A zum Anschluß von bis zu drei Analysatortischen Ta befestigt sind. Oberhalb dieser drei Moduln Msbefindet sich dann der Modul Ml des Tisches 7% Die Moduln Ms und Ml sind bei verschiedenen Tischen, z. B. bei Tm und 7> jeweils umgekehrt in der Höhe zueinander angeordnet.

Der Modul Ml für Linearbewegung besteht aus einem scheibenförmigen Gehäuse 24, welches zur Aufnahme der Stangen, z. B. der Stange Sm von einer Aufnahmebohrung 25 durchsetzt ist. Die Stange ist gegenüber dem Modul horizontal verschieblich und wird von mehreren Lagern 26 getragen. Die Lager 26 dienen zur horizontalen und vertikalen Führung der Stange, können eine geringe vertikale Drehung der Stange aufnehmen und weisen Arretiereinrichtungen 27 auf, welche die Stange während der Messung starr an den Modul ankuppeln und während der Positionierung zur Längsbewegung freigeben. Auf der Stange ist eine Verzahnung 28 angebracht, die einen in der Mittelachse 14 des Moduls Ml angeordneten Kodierer 29 über ein spielfreies Ritzel 30 antreibt.

pv \.Ar\r\ If" A' C* Kf t' K *lif

einem zwischen zwei Flansche 31 und 32 eingesetzten inneren Lagerring 33, der über ein Drahtkäfiglager 34 mit einem horizontal drehbaren Innenring 35 verbunden ist. Am Innenring 35 ist ein Verbindungsglied 36 angeflanscht, an welchem mittels einer vertikalen Drehverbingung 37 die Stange Sp angelenkt ist. Die Drehverbindung 37 ermöglicht den Ausgleich der Stangenbewegung beim Anheben der Tische mittels der Luftlager 16.

Auf das aus den Moduln Mr, Ml und Ms, sowie den entsprechenden Distanzstücken 23, 38 gebildete Unterteil der Tische sind die Moduln Mw für die Winkelmessung und Kristallträger-Modul Mk aufgesetzt.

Ein den Modul Mw aufnehmendes Gehäuse 39 ist starr mit dem Distanzstück 38 verbunden, weist ein kreiszylinderringförmiges Glasfenster 40 auf und trägt den äußeren Lagering 41 eines Drahtkäfiglagers 42.

Der Modul Mw besteht aus einem Drehteller 43, der mittels eines Käfiglagers 44 drehbar gelagert ist und mit Hilfe eines Schrittmotors 45 und eines Schneckengetriebes 46 gedreht werden kann. Das Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes 46 beträgt dabei 1 :180. In der Schneckenachse ist außerdem noch ein Winkelkodierer angeordnet. Auf dem Drehteller 43 sind zentrisch und übereinanderliegend die gebündelte Lichtquelle 4 und der photoelektrische Lichtempfänger 5 angebracht. Beide sind mit ihren Achsen parallel zueinander starr justiert. Dabei sind Lichtquelle 4 und Lichtempfänger 5 bei benachbarten Tischen, z. B. bei Tm und Tp, jeweils umgekehrt über- bzw. untereinander angeordnet so daß jeder Lichtempfänger 5 die Lichtstrahlen beider ihm benachbarter Tisch empfangen und jede Lichtquelle 4 die Lichtempfänger 5 der ihr benachbarten zwei Tische bestreichen kann. Der Lichtein- bzw. austritt wird durch das Glasfenster 40 ermöglicht, das genau zentrisch zum Modul Mw ausgerichtet sein muß, damit die Lichtstrahlen nicht parallel verschoben werden können und Winkelmeßfehler verursachen.

Der Modul Mk für den Kristallträger besteht aus einem drehbar auf dem Drahtkäfiglager 42 gelagerten Gehäuseaufsatz 57. der mittels Schrittmotor. Schnekkentrieb 58 und Zahnkranz 59 drehbar ist und dessen Position durch einen Winkelkodierer gemessen wird. Der Gehäuseaufsatz 57 trägt einen weiteren Aufsatz 47. der in einer Kugelkalottenlagerung 49 des Gehäuseaufsatzes 57 um den oberhalb des Moduls Mk im Strahlengang 2 liegenden Kristall- bzw. Detektormittelpunkt 48 schwenkbar ist Die Schwenkung erfolgt kodierbar mittels des Schrittmotors 55 und Schneckenantriebs 56. Auf dem oberen Aufsatz 47 ist eine verschiebiiche Platte 50 angeordnet welche ihrerseits Kristallträger 51 und Kristall 52 bzw die entsprechenden Elemente des Detektors aufweist. Die Platte 50 kann in der Schwalbenschwanzführung 53 relativ zum Aufsatz 47 über den Schneckenantrieb 54 kodierbar verschoben werden und ermöglicht so eine Feineinstellung des Kristalles.

Funktionsbeschreibung:

ίο Die im Reaktor erzeugten Neutronen mit dem Strahlengang 2 treten aus dem Neutronenleiter 3 aus und haben die verschiedenen Wellenlängen bzw. Geschwindigkeiten einer Maxwellschen Verteilung der Geschwindigkeiten. Die Untersuchung des Probenkri-Stalles 52 auf Tp wird aber mit einem monochromati-

5l uv 11 k_/ ViUiIl vOi C₁^IlOi 11J ii^ii» ■ * ux^ii iruini 11 juil uuj *vi^#i 11 Spektrum durch einen Monochromatorkristall 52 auf Tm das gewünschte Wellenlängenintervall aus. Die Beobachtung des durch die Probe 52 auf Tp reflektierten Strahles erfolgt mit Neutronendetektoren, die die Anzahl der in einem bestimmten Winkel gestreuten Strahlen zählen. In bestimmten Fällen wird der durch die Probe reflektierte Strahl durch einen Kristall analysiert, den vom Tisch T* getragenen sogenannten Analysatorkristall oder Zweitmonochromator, dessen Kristallgitterabstand bekannt ist. Um den Rauschpegel, der durch Fremdstrahlung erzeugt wird, zu verringern, werden die Detektoren in eine Bleiabschirmung eingebaut.

Die beschriebene Einrichtung ermöglicht es nun. entsprechend den Experimenten die Winkel einzustellen und die Längen festzulegen, sowie gleichzeitig mehrere Analysen der Probenkörner zu machen. Die Tische Tm. Tp, Τ_Λ und Tp werden hintereinander positioniert.

Die Positionierung erfolgt in der Weise, daß zunächst der Tisch Tm in Richtung des Strahlenganges 2 des austretenden Neutronenstrahles in eine bestimmte Entfernung von Neutronenleiter 3 gebracht wird. Dazu wird der Tisch durch die Luftlager 16 angehoben und mit Hilfe der Rolle 11 linear bewegt Die Slangenarreticrung 27 bleibt gelöst. Die zurückgelegte Entfernung wird über den Kodierer 29 kontrolliert Bei genügender Annäherung an den Sollwert wird vom Schnellgang mit ca. 1,2 m pro Minute zur Feinpositionierung auf einen langsamen Gang mit ca. 0.2 m pro Minute übergegangen. Ist der Sollwert erreicht wird die Rolle 11 angehoben. Sobald die Linearbewegung beendet ist, wird die Rolle 12 für die Rotationsbewegung mit Hilfe der Hubeinrichtung 15 auf die Ebene 1 gedruckt Die Grob- und Feinpositionierung erfolgt mit demselben Motor wie die Linearbewegung. Nach genügender Annäherung an den Sollwert wird die Rolle angehoben und die Luftzufuhr der Luftlager 16 gestoppt Der Tisch wird abgesenkt und die Winkelfeinsteinstellung kann beginnen. Diese Winkelfeinsteinstellung erfolgt mit dem Motor 21 über die Spindel 19 und der Hebel 20 tangential zur Rotationsbewegung im Lager 18. Der Motor wird dabei von dem optischen System, welches aus den Moduln Mw zusammengesetzt ist im Zusammenhang mit einem Regelmechanismus in der Weise gesteuert daß der Winkelsollwert dann erreicht ist wenn der Lichtempfänger 5 ein bestimmtes Signal der Lichtquelle 4 des benachbarten Tisches empfängt Die Differenz zur Ausgangslage ist die von einem Tisch gegenüber einem anderen einzunehmende Winkellage. Auf dieselbe Art lassen sich alle Tische Tin eine genau definierte Stellung zueinander bringen. Die sich an der

Spitze der Tische befindliche befindlichen Kristalle, bzw. der Detektor können mit Hilfe des nach Art einer Eulerwiege ausgebildeten Moduls Mk in die gewünschte Raumposition gebracht werden.

Die mit der erfindungsgemäßen Anlage erreichbare Genauigkeit beträgt für die Modulpositionierung:

linear

zirkulär

vertikal

±0,1 mm + 0,01 grad ±5 - 10-" rad.

Die Abstände zwischen können 0,2—5 m betragen.

den einzelnen Tischen

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Neutronenspektrometer mit den hintereinander in einem Neutronenstrahl liegenden Bauelementen Monochromator, Probe, Analysator und Detektor, die auf einzelnen, jeweils voneinander getrennten Tischen in begrenzten Bereichen drehungsmäßig und in ihren Abständen unabhängig voneinander auf einer Bodenebene bewegbar sind, wobei die Tische jeweils aus teilweise gegeneinander beweglichen Baugruppen bestehen und Elektromotoren und Getriebe als Antriebsmittel aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tische (T_M, 7>, T_A, Td) jeweils aus mindestens fünf als zylinderförmige Scheiben ausgebildeten Modulen (Mr, Ml, Ais, Mw, Mk) bestehen, die mit gemeinsamen Achsen und mindestens teilweise gegeneinander verdrehbar übereinander angeordnet sind, wobei der jeweils oberste Modul eines Tisches das betreffende Spektrometerelement Monochromator, Probe, Analysator oder Detektor aufnimmt und an dem untersten Modul (Mr) zwischen seiner Grundplatte (6) und der Bodenebene (1) zwei mittels eines Schrittmotors (9) und eines Verteilergetriebes (10) über Kardangelenke (13) angetriebene Rollen (11, 12) angebracht sind, die auf der Bodenebene (1) laufen, wobei die erste Rolle (11) in der Mitte des Tisches angeordnet ist und die zweite Rolle (12) exzentrisch zur Mitte des Tisches mit der Laufrichtung senkrecht zur Laufrichtung der ersten Rolle

(11) angeordnet ist, und daß die Tische (Tm, Tp, T_A, Td) mittels Verbindungsstangen (Sm, Sr, S_A, S_D) miteinander verbunden und in Meßposition an ihnen fixierbar sind, wobei die Verbindungsstangen (Sm, Sp, Sa, Sd) jeweils an ihrem einen Ende schwenkbar an einem der Module (Ms) eines Tisches angelenkt und an ihrem anderen Ende gegenüber einen sie aufnehmenden Modul (Ml) des nächsten Tisches entlang ihrer Längsachse verschieblich sind und in einer Aufnahmebohrung (25) dieses Modul (Ml) Arretierglieder (27) vorgesehen sind, mittels welcher die Verbindungsstangen während der Messung (Mi) ankuppelbar und für die Positionierbewegung wieder lösbar sind.

2. Neutronenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rollen (11, 12) jeweils für sich an Hubeinrichtungen (15) angeflanscht sind, mittels derer sie unabhängig voneinander gegenüber der Grundplatte (6) des untersten Moduls (Mr) absenk- oder anhebbar sind.

3. Neutronenspektrometer nach einem der Anspruchs 1 oder 2, dessen Tische mit Kodierern für die Positionsmessung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstangen (Sm, Sp, S_A, Sd) Verzahnungen (28) aufweisen, die jeweils im Zentrum des sie aufnehmenden Moduls (Ml) waagerecht angeordnete Kodierer (29) über ein spielfreies Ritze! (30) antreiben.