DE60019668T2

DE60019668T2 - Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung und Gerät zur Messung der Neutronenenergie

Info

Publication number: DE60019668T2
Application number: DE60019668T
Authority: DE
Inventors: Hirohiko Wako-shi Shimizu; Takayuki Wako-shi Oku; Yuji Sennan-gun Kawabata
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 2000-03-04
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2020-03-05
Also published as: JP3048569B1; EP1035422A3; EP1035422A2; EP1035422B1; US6580080B1; JP2000258598A; DE60019668D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regulierung der Strahlform von Neutronenstrahlen, ihrer Geschwindigkeitsrichtung oder dergleichen sowie auf ein Gerät zur Messung der Neutronenenergie.
Beschreibung des Stands der Technik
Das Neutron ist dank der nachfolgend genannten Eigenschaften eine wichtige Sonde in der Werkstoffkunde: (a) es interagiert stark mit den Atomkernen in einem Werkstoff; (b) es weist eine kinetische Energie und Wellenlänge in derselben Größenordnung wie die Atombewegung in einem Werkstoff bzw. wie der Maßstab der Atomstruktur auf; und (c) es weist eine starke Durchdringbarkeit auf.
Neutronen liefern die Informationen über Atomkerne in einem Werkstoff durch nukleare Interaktion, während Röntgenstrahlen und Photonen die Informationen über Atome in einem Werkstoff durch elektromagnetische Interaktionen liefern. Deshalb sind zur Bestimmung der Position und Bewegung von Atomkernen ohne Berücksichtigung der Elektronenwolken von Atomen Neutronenstreuungsversuche erforderlich.
Die Stärke der Interaktion zwischen Neutron und Kern weist in Bezug auf die Ordnungszahl der Elemente Unregelmäßigkeiten auf und ändert sich in Abhängigkeit von der Massenzahl der Isotope, worin ein großer Unterschied zur Stärke der elektromagnetischen Interaktion besteht, die eine monotone Abhängigkeit nur von der Ordnungszahl aufweist. Dieses Merkmal wird zur Unterscheidung von Elementen angewendet, die ähnliche elektromagnetische Streustärken und Isotope einer Ordnungszahl aufweisen. Es wird auch zur Bestimmung der Position und Bewegung leichter Elemente angewendet, zum Beispiel zur Untersuchung von Wasserstoffatomen in einem organischen Werkstoff.
Das magnetische Dipolmoment des Neutrons wird durch seinen Spin von 1/2 hervorgerufen und ist dazu geeignet, die Magnetstruktur eines Werkstoffs zu untersuchen. Die starke Durchdringbarkeit kann zur Erforschung der Struktur von Schüttgütern wie beispielsweise Industrieprodukten angewendet werden, die mit geladenen Teilchen und Röntgenstrahlen schwierig zu untersuchen sind.
Ein wirksamer Einsatz von Neutronenstrahlen ist sehr wichtig, da Neutronenstrahlen nur in einer begrenzten Zahl von Anlagen zur Verfügung stehen, die mit Kernreaktoren, Teilchenbeschleunigern und starken radioaktiven Quellen ausgestattet sind. Die Verbesserung des Neutronenstrahltransports von einer Neutronenquelle zu einem Neutronenspektrometer ist äußerst wünschenswert, da die Verbesserung der Intensität einer Neutronenquelle sowohl durch die Kosten als auch durch die verwendete Strahlenschutztechnik begrenzt ist. Die Verbesserung verkürzt nicht nur die Messzeit, sondern versetzt uns auch in die Lage, Messungen instabiler Phänomene vor Ort (in situ) durchführen und die Struktur neuer Werkstoffe untersuchen zu können, die nicht in Form großer Einkristalle zur Verfügung stehen.
Für den Transport von Neutronen wurden bisher im Allgemeinen Neutronenleiter eingesetzt. Ein Neutronenstrahl kann durch Reflexion an der Grenzfläche des Mediums (z. B. der Grenzfläche zwischen Luft und einem anderen Medium) mit einem ausreichend kleinen Einfallswinkel gekrümmt werden. Ein Neutronenleiter ist ein Vakuumrohr, dessen Innenfläche mit einem Neutronenreflektor wie beispielsweise Nickel beschichtet ist. Der Neutronenleiter wird auf Vakuum gepumpt, um den Neutronenverlust zu minimieren, der zum Beispiel durch die Streuung durch Luft verursacht wird. Neutronen, die in den Leiter mit einem kleineren Winkel als dem kritischen Winkel des Neutronenreflektormaterials einfallen, werden an der Innenfläche reflektiert und in Strahlrichtung weiter transportiert.
16A veranschaulicht das Konzept einer Vorrichtung zur Strukturanalyse eines Werkstoffs durch Neutronenstreuung nach dem Stand der Technik, und 16B ist eine vergrößere Ansicht der Vorrichtung zu demselben Beispiel. Neutronen werden aus einer Neutronenquelle 100 (z. B. einem Kernreaktor, einer radioaktiven Quelle oder durch Beschießen eines als Target dienenden Kerns durch geladene Teilchen) in alle Richtungen abgegeben. Ein Teil der erzeugten Neutronen wird durch einen Neutronenleiter 101 transportiert und fällt auf eine Probe 102. Ein Neutronendetektor 103 wie beispielsweise ein Proportionalzähler 103 misst die Intensität der in Richtung des Winkels θ gestreuten Neutronen. Die Winkelverteilung der gestreuten Neutronen wird analysiert, um die Informationen zu gewinnen, die sich auf die Atomstruktur der Probe beziehen. Die typische Öffnung des Neutronenleiters 101 beträgt ungefähr 5 cm, und die typische Größe der Probe 102 beträgt 1 – 2 cm oder mehr.
Um die Dichte des Strahls zu erhöhen, kann ein Neutronenkapillarrohr verwendet werden. Das Neutronenkapillarrohr kann in Form von Glasrohrbündeln 110 vorliegen, die dünne Kanäle von ungefähr 10 μm Durchmesser aufweisen, wie in 17 dargestellt. Einfallende Neutronen werden durch die Reflexion an den Innenflächen der Kanäle transportiert. Jedes der Rohre 101 kann in einem bestimmten Winkel gebogen sein, um die Neutronen in dem Rohr 101 auf einen kleinen Bereich 113 zu fokussieren, wodurch die Dichte des Neutronenstrahls erhöht wird.
Die Strahldivergenz des einfallenden Strahls sollte klein genug sein, um eine gute Auflösung bei der Bestimmung der Streuwinkel zu bieten, denn der Streuwinkel kann nicht exakt bestimmt werden, wenn der einfallende Strahl divergent ist. Eine übliche Technik zur Verringerung der Strahldivergenz ist die Neutronenbeugung. Diese Technik weist jedoch insofern einen Nachteil auf, als die Intensität des zu der Probe übertragenen Strahls bei der Beugung zu stark abgeschwächt wird.
Bei der Analyse eines neuen Werkstoffs mit einem Neutronenstrahl als Sonde steht nur eine sehr kleine Probe zur Verfügung. Eine so kleine Probe muss mit einem dichten und dünnen Neutronenstrahl bestrahlt werden, um ein gutes Analyseergebnis zu erzielen. Darüber hinaus muss der einfallende Neutronenstrahl auch eine geringe Strahldivergenz aufweisen, um die Atomstruktur der Probe mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können.
Der Neutronenleiter nach dem Stand der Technik, der die Totalreflexion des Neutronenstrahls an der Grenzfläche zwischen Medien nutzt, kann Neutronen effizient transportieren, er kann jedoch nicht fokussieren und die Divergenz des Strahls auch nicht verringern. Wie durch die Pfeile in 16B dargestellt, läuft der von einem Neutronenleiter 101 abgegebene Neutronenstrahl 104 auseinander. Der divergente Neutronenstrahl 104 tritt in eine Probe 102 ein, aus der Neutronen mit jeweils unterschiedlichen Streuwinkeln von θ₁, θ₂, ... an einen Detektor 103 abgegeben und von dem Detektor 103 erfasst werden. Dies führt zu einem nicht vernachlässigbaren Fehler bei der Bestimmung der Neutronenstreuwinkel. Um den Fehler zu verringern, kann ein Strahlkollimator oberhalb der Probe angeordnet werden, der ungünstigerweise die Effizienz des Einsatzes von Neutronen stark beeinträchtigt.
Wie oben erwähnt, kann der Einsatz von Neutronenkapillarrohren die Dichte des Neutronenstrahls erhöhen. Allerdings werden, wie in 17 dargestellt, nur die durch die dünnen Kanäle der Kapillarrohre 110 transportierten Neutronen weiter unten im Strahlengang fokussiert, und die Neutronen 112, die zwischen den Rohren 110 hindurch treten, werden nicht genutzt, was die Effizienz des Einsatzes von Neutronen stark beeinträchtigt. Zusätzlich wird, da die Rohre 110 gebogen sind, um eine Konvergenz der Neutronen zu bewirken, die Strahldivergenz im Brennpunkt vergrößert, was für eine gute Winkelauflösung nicht geeignet ist.
Um einen Neutronenstrahl mit verringerter Divergenz zu liefern, kann mit Neutronenbeugung an einem Einkristall gearbeitet werden. In diesem Fall wird jedoch die Strahlintensität zu stark abgeschwächt.
Das Dokument US 5,799,056 A offenbart optische Elemente, die für die Umwandlung von Strahlen aus kalten und thermischen Neutronen eingesetzt werden können. Diese optischen Elemente können zur Erhöhung der Dichte und Gleichmäßigkeit des Neutronenflusses oder zur Trennung von Neutronen mit unterschiedlichem Spin genutzt werden. Das optische Element umfasst ein mit einer Vielzahl von Schichtengruppen beschichtetes Substrat. Jede Schichtengruppe besteht aus zwei getrennten Schichten unterschiedlicher Werkstoffe. In einer Ausführungsform sind die Schichtengruppen dieses optischen Elements seitlich und nach Tiefe abgestuft. Seitliche Abstufung bedeutet, dass die Abstände über die gesamte Fläche des Gefüges unterschiedlich sind. Der Neutronenstrahl wird jeweils von einer Schicht reflektiert oder gebeugt.
Wie weiter oben erwähnt, sind herkömmliche Methoden im Zusammenhang mit der Neutronenstrahlregulierung nicht dazu geeignet, einen dünnen und dichten Neutronenstrahl zu erhalten. Darüber hinaus ist bis jetzt kein Gerät bekannt, dass die Neutronenenergie direkt und auf bequeme Weise messen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Unter diesen Umständen wurde die vorliegende Erfindung gemacht. Das bedeutet, dass ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin besteht, eine Vorrichtung zur Regulierung der Strahlform des Neutronenstrahls, seiner Geschwindigkeitsrichtung oder dergleichen vorzustellen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät zur direkten und unkomplizierten Messung der Neutronenenergie zu liefern.
Diese Beschreibung schließt einen Teil oder den gesamten Inhalt ein, wie er in der Beschreibung und/oder den Zeichnungen der japanischen Patentanmeldung Nr. 11-51904 dargelegt ist, bei der es sich um ein Prioritätsdokument dieser Anmeldung handelt.
Die obigen und weitere Ziele, Auswirkungen, Merkmale und Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung ihrer Ausführungsformen klarer ersichtlich werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht, die das Prinzip der Brechung eines Neutronenstrahls in einem Werkstoff veranschaulicht.
2A, 2B und 2C sind Ansichten, die die Bauweise einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
3A und 3B sind Ansichten, die die Funktion der in 2A, 2B und 2C dargestellten Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung veranschaulichen.
4 ist eine Gesamtansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Schnittansicht entlang der Geraden A-A der Vorrichtung von 4.
6 ist eine Teilschnittansicht in Explosionsdarstellung der Vorrichtung von 4.
7A und 7B sind Ansichten, die einen Typ des in der Vorrichtung von 4 verwendeten Blechelements veranschaulichen.
8A und 8B sind Ansichten, die einen anderen Typ des in der Vorrichtung von 4 verwendeten Blechelements veranschaulichen.
9 ist eine Gesamtansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Schnittansicht entlang der Geraden B-B von 9.
11 ist eine Teilschnittansicht in Explosionsdarstellung der Vorrichtung von 9.
12A und 12B sind Ansichten, die einen Typ des in der Vorrichtung von 9 verwendeten Blechelements veranschaulichen.
13A und 13B sind Ansichten, die einen anderen Typ des in der Vorrichtung von 9 verwendeten Blechelements veranschaulichen.
14 ist eine schematische Ansicht eines Geräts zur Messung der Neutronenenergie nach der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform einer Kombination aus einer Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz von Neutronenstrahlen, einer Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz von Neutronenstrahlen und einer Vorrichtung zur Regulierung der Bahnkurve von Neutronenstrahlen nach der vorliegenden Erfindung.
16A und 16B sind Ansichten, die das Konzept einer Vorrichtung zur Analyse der Struktur eines Werkstoffs durch Neutronenstreuung nach dem Stand der Technik veranschaulichen, wobei 16A eine Gesamtansicht und 16B eine vergrößerte Ansicht eines Teils in der Umgebung einer Probe ist.
17 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Erhöhung der Neutronendichte durch den Einsatz einer Kapillarführung veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Interaktion zwischen Neutronen und einem Werkstoff wird nahezu als Interaktion zwischen Neutronen und Atomkernen in dem Werkstoff betrachtet. Die Interaktion zwischen niederenergetischen Neutronen und Kernen wird durch ein Potenzial beschrieben. Ein Wert, der durch einen Mittelwert aus dem Gesamtpotenzial der Kerne geteilt durch das Volumen des Werkstoffs bestimmt wird, wird als "effektives Potenzial" bezeichnet. Der Wert eines effektiven Potenzials ist normalerweise äußerst klein, da das Volumen der Kerne, das diese in dem Werkstoff einnehmen, sehr gering ist. Unter den Elementen mit natürlicher Isotopenhäufigkeit weist Be das höchste effektive Potenzial auf, das nur etwa 250 neV beträgt.
Effektive Potenziale sind normalerweise positiv. Elemente mit natürlicher Isotopenhäufigkeit weisen positive effektive Potenziale auf, außer Mn, Ti, Li, V und H, die negative effektive Potenziale aufweisen. Wenn ein Werkstoff ein positives effektives Potenzial aufweist, geht ein Teil der kinetischen Energie des einfallenden Neutronenstrahls verloren, da der Teil beim Eintreten in den Werkstoff in effektives Potenzial umgewandelt wird, wobei der Neutronenstrahl in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Werkstoffs moderiert wird. Dementsprechend werden Neutronen, die schräg auf einen Werkstoff mit positivem effektivem Potential fallen, an der Oberfläche des Werkstoffs gebrochen, wie in 1 dargestellt. In diesem Fall kann gesagt werden, dass die Neutronen einen Brechungsindex kleiner als 1 haben. Wenn im Gegensatz dazu ein Werkstoff ein negatives effektives Potenzial aufweist, trifft der umgekehrte Fall zu, und der Brechungsindex ist größer als 1.
Bei der Herstellung einer Vorrichtung zur Neutronenbrechung (d. h. einer Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung) wie einem Neutronenprisma und einer Neutronenlinse muss der für die Vorrichtung verwendete Werkstoff einen Brechungsindex aufweisen, der deutlich größer oder kleiner als 1 ist, sodass ein Neutronenstrahl stärker gekrümmt wird und die Neutronen eine größere Durchdringbarkeit erhalten. Zu den dafür in Frage kommenden Elementen, die diese Anforderungen erfüllen, gehören aus den Elementen mit natürlicher Isotopenhäufigkeit O, C, Be und F sowie aus den angereicherten Isotopen D (Deuterium). Polytetrafluorethylen (PTFE), das eine aus diesen Elementen zusammengesetzte Verbindung ist, weist ein effektives Potenzial von (112+i3.9×10^–5) neV auf. Ein Neutronenstrahl mit einer Wellenlänge von 14 Å, der mit einem Einfallswinkel von 45° auf die PTFE-Oberfläche fällt, wird um 0,14 mrad an der Oberfläche des PTFE gekrümmt.
Ein einmaliger schräger Einfall eines Neutronenstrahls auf einen Werkstoff hat nur einen kleinen Brechungswinkel des Neutronenstrahls zur Folge. Ein mehrfacher derartiger schräger Einfall des Neutronenstrahls durch eine Vielzahl von Werkstoffoberflächen führt jedoch zu einer ständigen Brechung des Neutronenstrahls, was für die Herstellung einer in der Praxis eingesetzten Vorrichtung zur Neutronenstrahlbrechung (d. h. einer Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung) Anwendung findet.
Die vorliegende Erfindung wurde, wie oben erwähnt, auf der Grundlage von Untersuchungen über die Interaktion zwischen einem Neutronenstrahl und Werkstoffen gemacht. Nach der vorliegenden Erfindung wird es möglich, eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlbrechung zu bauen, um die Strahlform des Neutronenstrahls, seine Geschwindigkeitsrichtung oder dergleichen zu regulieren.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung vor, die eine Vielzahl mehrschichtiger Blechelemente umfasst, wobei jedes der Blechelemente auf einer oder beiden Oberflächen einen oder eine Vielzahl von winzigen hervorstehenden Teilen aufweist und wobei jedes der hervorstehenden Teile eine geneigte Fläche aufweist, die gegen die Strahlachse des Neutronenstrahls geneigt ist und als Einfallsebene oder als Abstrahlebene für den Neutronenstrahl dient. In der Vorrichtung kann jeder der winzigen hervorstehenden Teile ein langer und schmaler Vorsprung sein (der bei einer Betrachtung senkrecht zur Längsrichtung einen dreieckigen Querschnitt aufweist), welcher sich zur Fläche hin erstreckt und der sowohl die geneigte Oberfläche als auch eine ungefähr normal zum Blechelement stehende Oberfläche aufweist. In diesem Fall kann jedes der winzigen hervorstehenden Teile ein langer, schmaler und linearer Vorsprung sein, der sowohl die geneigte Oberfläche als auch eine ungefähr normal zum Blechelement stehende Oberfläche aufweist und bei dem alle geneigten Oberflächen in dieselbe Richtung geneigt sind, wodurch ein in die Vorrichtung eintretender Neutronenstrahl in eine Richtung gebrochen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung vor, die eine Vielzahl mehrschichtiger Blechelemente umfasst, wobei jedes der Blechelemente auf einer oder beiden Oberflächen ein oder eine Vielzahl kreisförmig hervorstehender Teile aufweist, die so angeordnet sind, dass sie ein konzentrisches Gefüge um die Mittelachse der Vorrichtung bilden, wobei jedes der kreisförmig hervorstehenden Teile sowohl eine ungefähr normal zum Blechelement stehende Oberfläche als auch eine zum Mittelpunkt des konzentrischen Gefüges geneigte Oberfläche aufweist, und wobei das Überlagerungsmaß der kreisförmig hervorstehenden Teile bei Betrachtung in einer Richtung parallel zur Mittelachse mit zunehmender Entfernung von der Mittelachse größer wird. Die Vorrichtung kann den Neutronenstrahl fokussieren, wobei es sich um eine Funktion handelt, die der Funktion einer Konvexlinse in einem optischen System entspricht.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung vor, die eine Vielzahl mehrschichtiger Blechelemente umfasst, wobei jedes der Blechelemente auf einer oder beiden Oberflächen ein oder eine Vielzahl kreisförmig hervorstehender Teile aufweist, die so angeordnet sind, dass sie ein konzentrisches Gefüge um die Mittelachse der Vorrichtung bilden, wobei jedes der kreisförmig hervorstehenden Teile sowohl eine ungefähr normal zum Blechelement stehende Oberfläche als auch eine vom Mittelpunkt des konzentrischen Gefüges weg geneigte Oberfläche aufweist, und wobei das Überlagerungsmaß der kreisförmig hervorstehenden Teile bei Betrachtung in einer Richtung parallel zur Mittelachse mit zunehmender Entfernung von der Mittelachse größer wird. Die Vorrichtung kann den Neutronenstrahl zerstreuen, wobei es sich um eine Funktion handelt, die der Funktion einer Konkavlinse in einem optischen System entspricht.
In der Vorrichtung mit der Funktion einer Konvex- oder Konkavlinse kann wenigstens eines der Blechelemente einen öffnenden Teil zur Mitte hin aufweisen.
Die Vorrichtung mit der Funktion der Konvexlinse und die Vorrichtung mit der Funktion einer Konkavlinse können kombiniert werden, um eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung bereitzustellen, die zum Beispiel einen parallelen Neutronenstrahl mit einem großen Strahldurchmesser so umwandeln kann, dass er einen kleinen Strahldurchmesser aufweist.
In den oben beschriebenen Vorrichtungen kann jedes der Blechelemente einen Werkstoff umfassen, der in der Hauptsache mindestens ein Element aus der aus Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Beryllium (Be), Fluor (F) und Deuterium (D₂) bestehenden Gruppe umfasst. Zu besonderen Beispielen des Werkstoffs gehören Polytetrafluorethylen, Kohlenstoff, deuteriertes Polyethylen, Schwerwasser und Trockeneis. Deuteriertes Polyethylen [(-CD₂-CD₂-)_n] ist eine Verbindung, die durch Ersetzen der Wasserstoffatome in normalem Polyethylen durch Deuteriumatome hergestellt wird. Wenn ein Blechelement aus Schwerwasser hergestellt wird, kann das Schwerwasser in eine Verpackung bestehend aus einer dünnen Folie aus Teflon oder deuteriertem Polyethylen verpackt oder es kann geeist werden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Messung der Neutronenenergie vor, welche umfasst: Einrichtungen, um daraus Neutronen in Form eines Neutronenstrahls abzugeben; eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach Anspruch 3, auf die der Neutronenstrahl fällt; und einen ortsauflösenden Neutronendetektor zur Erfassung der Neutronen, die von der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung abgegeben wurden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
[Ausführungsform 1]
2A – 2C und 3A – 3B stellen eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach der vorliegenden Erfindung dar. 2A – 2C sind Ansichten, welche die Bauweise der Vorrichtung veranschaulichen, und 3A und 3B sind Ansichten, die ihre Funktion veranschaulichen.
In 2A wird das Konzept der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung veranschaulicht. Wie in 2A dargestellt, umfasst die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 10 eine Vielzahl der in 2B dargestellten mehrschichtigen Blechelemente 11. Jedes der Blechelemente kann durch Bearbeiten eines dünnen Blechs aus einem Werkstoff hergestellt werden, der eine hohe Durchdringbarkeit für Neutronenstrahlen aufweist [z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Glaskohlenstoff und deuteriertes Polyethylen, das durch Ersetzen der Wasserstoffatome in normalem Polyethylen durch Deuteriumatome hergestellt wird], um eine Vielzahl langer, linearer hervorstehender Teile 12 zu bieten, von denen jedes einen dreieckigen Querschnitt aufweist und die sich in dieselbe Richtung erstrecken und dabei nahezu parallel angeordnet sind. Das Blechelement 11 kann auch aus Kohlendioxid oder Schwerwasser bestehen. Kohlendioxid kann in Form von Trockeneis verwendet werden, und Schwerwasser kann verwendet werden, indem es in einen Behälter aus Teflon oder eine Folie aus deuteriertem Polyethylen verpackt wird, oder es kann in geeister Form verwendet werden.
Das Blechelement 11 kann mit den hervorstehenden Teilen 12 nach unten zeigend geschichtet werden. Als Alternative kann auch ein Blechelement 13 verwendet werden, das hervorstehende Teile 12 an beiden Seiten aufweist.
3A und 3B veranschaulichen die Funktion der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 10. 3A ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung des Verhaltens eines Neuronenstrahls 16, der auf ein Blechelement 11 fällt. Die Oberseite des Blechelements 11 ist mit linearen hervorstehenden Teilen 12 versehen, von denen jedes von einer Oberfläche 14 gebildet wird, die ungefähr normal zur Unterseite des Blechelements 11 steht, sowie einer geneigten Oberfläche 15. Der auf die geneigte Oberfläche 15 des hervorstehenden Teils 12 fallende Neutronenstrahl 16 wird nach dem in 1 dargestellten Prinzip gebrochen. Da das Blechelement 11 aus einem Werkstoff mit positivem effektivem Potenzial besteht, wird der Neutronenstrahl 16 in dem Blechelement 11 mit einem Brechungsindex kleiner als 1 gebrochen.
Eine einmalige Brechung des Neutronenstrahls 16 liefert einen sehr kleinen Brechungswinkel δ. Wenn das Blechelement 11 zum Beispiel aus PTFE besteht und der von der geneigten Oberfläche 15 mit der Unterseite des Blechelements 11 gebildete Winkel α 45° beträgt, dann beträgt der Brechungswinkel δ des Neutronenstrahls 16 mit einer Wellenlänge von 14 Å, der auf das Blechelement 11 in einem Winkel senkrecht zu seiner Unterseite fällt, lediglich 0,14 mrad. In der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 10 der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl der Stoffgrenzflächen, die auf der Flugbahn des Neutronenstrahls 16 liegen, in einer kompakten Bauweise erhöht, um den Gesamtbrechungswinkel des Neutronenstrahls 16 zu vergrößern. Das bedeutet, dass der Neutronenstrahl 16, der auf die Vorrichtung 10 fällt, eine Vielzahl geneigter Oberflächen 15a, 15b, 15c,... von jeweils mehrschichtigen Blechelementen 11a, 11b, 11c, ... durchquert, wie in 3B dargestellt, wobei sich ein großer Brechungswinkel Δ ergibt. Wenn zum Beispiel der Brechungswinkel δ des Neutronenstrahls 16, der beim Durchqueren eines Blechelements 11 erzielt wird, 0,14 mrad beträgt, erreicht der Neutronenstrahl 16, der 129 Blechelemente 11 durchquert, einen Gesamtbrechungswinkel Δ von 17 mrad (= 1°).
[Ausführungsform 2]
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung, die zur Fokussierung des Neutronenstrahls dient, wird nachfolgend dargestellt. 4 ist eine Gesamtansicht der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung; 5 ist eine Schnittansicht entlang der Gerade A-A von 4; 6 ist eine Teilschnittansicht in Explosionsdarstellung der Vorrichtung von 4; und 7A, und 7B sowie 8A und 8B sind Ansichten, die zwei Arten der jeweils in der Vorrichtung von 4 verwendeten Blechelemente darstellen.
Die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung dieser Ausführungsform besteht aus einem Körper 20 der Vorrichtung und einem Paar kreisförmiger Halterahmen 21 und 22, um den Körper 20 dazwischen zu halten. Die Vor richtung wird zusammengebaut, indem der Körper 20 zwischen den kreisförmigen Halterahmen 21 und 22 eingeschoben wird und diese durch Stifte 23 von Schrauben 24 zusammengehalten werden. Die Vorrichtung kann jedoch auch in einer beliebigen anderen Weise zusammengebaut sein.
Wie in 6 dargestellt, besteht der Körper 20 aus dreiunddreißig mehrschichtigen (aus PTFE hergestellten) Blechelementen 25₁ , 25₂ , 25₃ ,... und 25₃₃ , von denen alle außer einer, die auf dem Boden des Körpers 20 angeordnet ist, jeweils einzeln eine Öffnung in der Mitte in der Weise haben, dass die Fläche der Öffnung in jedem Blechelement immer größer wird, je weiter das Blechelement vom Boden des Körpers 20 entfernt ist. Deshalb weist der Körper 20 der Vorrichtung eine konische Vertiefung auf, die sich zum oberen Ende des Körpers 20 hin erstreckt, wie in 4 und 5 dargestellt.
Typische Gefüge der in der Vorrichtung verwendeten Blechelemente werden in 7A und 7B sowie in 8A und 8B dargestellt. 7A ist eine Schnittansicht eines Blechelements 25₁₀ , bei dem es sich um das 10. Blech von oben der mehrschichtigen Blechelemente handelt, und 7B ist eine Draufsicht davon. Ein Blechelement 25₁₀ besteht aus einem PTFE-Blech von 1,2 mm Dicke, das so bearbeitet wird, dass es zehn kreisförmig hervorstehende Teile 31 an seiner Oberseite aufweist. Die kreisförmig hervorstehenden Teile 31 haben jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit einer Höhe von 1,0 mm und sind auf dem Blech konzentrisch und durchgehend in radialer Richtung angeordnet. Geneigte Oberflächen 31a bilden einen Teil des dreieckigen Querschnitts der kreisförmig hervorstehenden Teile 31, die gegen die Strahlachse des einfallenden Neutronenstrahls geneigt sind und als Einfallsflächen dienen, und sie sind so angeordnet, dass sie zur Mitte der konzentrischen Kreise (d. h. der Mittelachse des Körpers 20 der Vorrichtung) geneigt sind. Eine kreisförmige Öffnung 32 ist im mittleren Teil des Blechs 25₁₀ angebracht, wo keine hervorstehenden Teile vorhanden sind. Löcher 33a – 33d sind auf dem Rand des Blechelements 25₁₀ angebracht, durch die Stifte 23 eingesetzt werden sollen.
8A ist eine Schnittansicht eines Blechelements 25₃₃ , bei dem es sich um den Boden der mehrschichtigen 33 Plattenelemente handelt, und 8B ist eine Draufsicht davon. Das Blechelement 25₃₃ besteht aus einem PTFE-Blech von 1,2 mm Dicke, das so bearbeitet wird, dass es dreiunddreißig kreis förmig hervorstehende Teile 31 an seiner Oberseite aufweist. Die kreisförmig hervorstehenden Teile 31 haben jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit einer Höhe von 1,0 mm und sind auf dem Blech konzentrisch und durchgehend in radialer Richtung angeordnet. Geneigte Oberflächen 31a bilden einen Teil des dreieckigen Querschnitts der kreisförmig hervorstehenden Teile 31, die gegen die Strahlachse des einfallenden Neutronenstrahls geneigt sind und als Einfallsflächen dienen, und sie sind so angeordnet, dass sie zur Mitte der konzentrischen Kreise geneigt sind. Anders als die anderen Blechelemente 25₁ – 25₃₂ hat das Blechelement 25₃₃ keine Öffnung in der Mitte. Löcher 33a – 33d sind auf dem Rand des Blechelements 25₃₃ angebracht, durch die Stifte 23 eingesetzt werden sollen.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann ein Blechelement 25₃₂ , welches das zweite Blech von unten ist, hergestellt werden, indem eine Fläche herausgeschnitten wird, die dem mittleren kreisförmig hervorstehenden Teil des Blechelements 25₃₃ entspricht, um eine Öffnung in der Mitte zu bieten. In ähnlicher Weise kann ein Blechelement 25₃ , welches das dritte Blech von unten ist, hergestellt werden, indem eine Fläche herausgeschnitten wird, die zwei kreisförmig hervorstehenden Teilen aus der Mitte des Blechelements 25₃₃ entspricht, um eine Öffnung in der Mitte zu bieten. Somit kann ein Blechelement 25_34-n , welches das n-te Blech von unten ist, hergestellt werden, indem eine Fläche herausgeschnitten wird, die n kreisförmig hervorstehenden Teilen aus der Mitte des Blechelements 25₃₃ entspricht, um eine Öffnung in der Mitte zu bieten.
Ein Neutronenstrahl parallel zur Mittelachse der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung fällt schräg auf die geneigten Oberflächen 31a der kreisförmig hervorstehenden Teile 31 auf den Blechelementen 25₁ – 25₃₃ , was eine Ablenkung des Neutronenstrahls in Richtung der Mittelachse bewirkt, wie in 1, 3A und 3B dargestellt. Ein Neutronenstrahl, der auf einen näher an der Mittelachse der Vorrichtung liegenden Bereich fällt, wird in geringerem Maße abgelenkt, da der Neutronenstrahl eine relativ kleine Anzahl von kreisförmig hervorstehenden Teilen durchquert. Dagegen wird ein Neutronenstrahl, der auf einen von der Mittelachse entfernt liegenden Bereich fällt, in höherem Maße abgelenkt, da der Neutronenstrahl eine relativ große Anzahl kreisförmig hervorstehender Teile durchquert. Zum Beispiel erfährt ein Neutronenstrahl, der auf den im Mittelpunkt der Vorrichtung liegenden kreisförmig hervorstehenden Teil fällt, nur eine Brechung an der geneigten Oberfläche, während ein Neutronenstrahl, der auf den kreisförmig hervorstehenden Teil ganz an den Außenseite der Vorrichtung fällt, insgesamt 33 Mal eine Brechung an den ganz außen gelegenen geneigten Oberflächen der Blechelemente 25₁ – 25₃₃ erfährt. Auf diese Weise erfüllt die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung in dieser Ausführungsform eine Funktion ähnlich der Funktion einer Konvexlinse in einem optischen System und kann daher einen Neutronenstrahl auf eine kleine Fläche fokussieren.
Wenn zum Beispiel der von der geneigten Oberfläche 31a des kreisförmig hervorstehenden Teils 31 mit der Unterseite des Blechelements 25 gebildete Winkel α 45° beträgt und ein Neutronenstrahl mit einer Wellenlänge von 14 Å, der parallel zur Mittelachse der Vorrichtung verläuft, auf die Vorrichtung fällt, wird der Neutronenstrahl auf eine Position etwa 3 m von der Vorrichtung entfernt fokussiert. Deshalb wird geschätzt, dass eine doppelt übereinander gestapelte Vorrichtung die Fokussierung eines Neutronenstrahls mit einer Wellenlänge von 14 Å etwa 1,5 m von der Vorrichtung entfernt fokussiert und eine dreifach gestapelte Vorrichtung die Fokussierung des Neutronenstrahls auf eine Position etwa 1 m von der Vorrichtung entfernt ermöglicht. Ein Neutronenstrahl mit einer Wellenlänge von 20 Å, der parallel zur Mittelachse der Vorrichtung verläuft, kann auf eine Position etwa 1,5 m von der Vorrichtung entfernt fokussiert werden, indem nur ein Stapel der Vorrichtung verwendet wird.
In der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung braucht der Winkel α, der von der geneigten Oberfläche 31a mit der Unterseite des Blechelements 25 gebildet wird, nicht 45° zu betragen, und abhängig von der Bearbeitungsgenauigkeit des Werkstoffs für das Blechelement 25 und die von der Vorrichtung geforderten Leistungen kann jeder Winkel verwendet werden. Die Anzahl der Blechelemente 25 braucht ebenfalls nicht dreiunddreißig zu sein. Zum Beispiel kann auch eine Vielzahl (z. B. zwei) von Blechelementen 25 verwendet werden, die alle dieselbe Anzahl von kreisförmig hervorstehenden Teilen 31 aufweisen. In dieser Ausführungsform sind die Neigungswinkel der geneigten Oberflächen 31a alle gleich. Die Winkel können jedoch verschieden sein, sodass die kreisförmig hervorstehenden Teile 31, die weiter von der Mittelachse der Vorrichtung entfernt sind, größere Neigungswinkel der geneigten Oberflächen 31a aufweisen.
[Ausführungsform 3]
Noch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung, die eine Zerstreuung des Neutronenstrahls bewirkt, wird nachfolgend dargestellt. 9 ist eine Gesamtansicht der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung; 10 ist eine Schnittansicht entlang der Gerade B-B von 9; 11 ist eine Teilschnittansicht in Explosionsdarstellung der Vorrichtung von 9; und 12A, und 12B sowie 13A und 13B sind Ansichten, die zwei Arten der jeweils in der Vorrichtung von 9 verwendeten Blechelemente darstellen. In 9 – 13B werden Teile und Bereiche, die im Wesentlichen den in 4 – 8B dargestellten entsprechen, mit denselben Nummern bezeichnet.
Die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung dieser Ausführungsform besteht aus einem Körper 40 der Vorrichtung und einem Paar kreisförmiger Halterahmen 21 und 22, um den Körper 40 dazwischen zu halten.
Wie in 11 dargestellt, besteht der Körper 40 aus dreiunddreißig mehrschichtigen (aus PTFE hergestellten) Blechelementen 45₁ , 45₂ , 45₃ , ... und 45₃₃ , von denen alle außer einer, die auf dem Boden des Körpers 40 angeordnet ist, jeweils einzeln eine Öffnung in der Mitte in der Weise haben, dass die Fläche der Öffnung in jedem Blechelement immer größer wird, je weiter das Blechelement vom Boden des Körpers 40 entfernt ist. Deshalb weist der Körper 40 der Vorrichtung eine konische Vertiefung auf, die sich zum oberen Ende des Körpers 40 hin erstreckt, wie in 9 und 10 dargestellt.
Typische Gefüge der in der Vorrichtung verwendeten Blechelemente werden in 12A und 12B sowie in 13A und 13B dargestellt. 12A ist eine Schnittansicht eines Blechelements 45₁₀ , bei dem es sich um das 10. Blech von oben der mehrschichtigen Blechelemente handelt, und 12B ist eine Draufsicht davon. Ein Blechelement 45₁₀ besteht aus einem PTFE-Blech von 1,2 mm Dicke, das so bearbeitet wird, dass es zehn kreisförmig hervorstehende Teile 51 an seiner Oberseite aufweist. Die kreisförmig hervorstehenden Teile 51 haben jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit einer Höhe von 1,0 mm und sind auf dem Blech konzentrisch und durchgehend in radialer Richtung angeordnet. Geneigte Oberflächen 51a bilden einen Teil des dreieckigen Querschnitts der kreisförmig hervorstehenden Teile 51, die gegen die Strahlachse des einfallenden Neutronenstrahls geneigt sind und als Einfallsflächen dienen, und sie sind so angeordnet, dass sie von den konzentrischen Kreisen nach außen geneigt sind. Eine kreisförmige Öffnung 52 ist im mittleren Teil des Blechs 45₁₀ angebracht, wo keine hervorstehenden Teile vorhanden sind. Löcher 53a – 53d sind auf dem Rand des Blechelements 55₁₀ angebracht, durch die Stifte 23 eingesetzt werden sollen.
13A ist eine Schnittansicht eines Blechelements 45₃₃ , bei dem es sich um den Boden der mehrschichtigen 33 Plattenelemente handelt, und 13B ist eine Draufsicht davon. Das Blechelement 45₃₃ besteht aus einem PTFE-Blech von 1,2 mm Dicke, das so bearbeitet wird, dass es dreiunddreißig kreisförmig hervorstehende Teile 51 an seiner Oberseite aufweist. Die winzigen kreisförmig hervorstehenden Teile 51 haben jeweils einen dreieckigen Querschnitt mit einer Höhe von 1,0 mm und sind auf dem Blech konzentrisch und durchgehend in radialer Richtung angeordnet. Geneigte Oberflächen 51a bilden einen Teil des dreieckigen Querschnitts der winzigen kreisförmig hervorstehenden Teile 51, die gegen die Strahlachse des einfallenden Neutronenstrahls geneigt sind und als Einfallsflächen dienen, und sie sind so angeordnet, dass sie von den konzentrischen Kreisen nach außen geneigt sind. Anders als die anderen Blechelemente 45₁ – 45₃₂ hat das Blechelement 45₃₃ keine Öffnung in der Mitte. Löcher 53a – 53d sind auf dem Rand des Blechelements 45₃₃ angebracht, durch die Stifte 43 eingesetzt werden sollen.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann ein Blechelement 45₃₂ , welches das zweite Blech von unten ist, hergestellt werden, indem eine Fläche herausgeschnitten wird, die dem mittleren kreisförmig hervorstehenden Teil des Blechelements 25₃₃ entspricht, um eine Öffnung in der Mitte zu bieten. In ähnlicher Weise kann ein Blechelement 45₃ , welches das dritte Blech von unten ist, hergestellt werden, indem eine Fläche herausgeschnitten wird, die zwei winzigen kreisförmig hervorstehenden Teilen aus der Mitte des Blechelements 45₃₃ entspricht, um eine Öffnung in der Mitte zu bieten. Wiederum kann ein Blechelement 45_34-n , welches das n-te Blech von unten ist, hergestellt werden, indem eine Fläche herausgeschnitten wird, die n kreisförmig hervorstehenden Teilen aus der Mitte des Blechelements 45₃₃ entspricht, um eine Öffnung in der Mitte zu bieten.
Die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung dieser Ausführungsform ist eine Variante der Vorrichtung von Ausführungsform 2, in der die kreisförmig hervorstehenden Teile so geändert werden, dass eine geneigte Oberfläche von der Mittelachse der Vorrichtung nach außen zeigt.
Ein Neutronenstrahl parallel zur Mittelachse der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung fällt schräg auf die geneigten Oberflächen 51a der kreisförmig hervorstehenden Teile 51 auf den Blechelementen 45₁ – 45₃₃ , was eine Ablenkung des Neutronenstrahls in Richtung der Mittelachse bewirkt, wie in 1, 3A und 3B dargestellt. Ein Neutronenstrahl, der auf einen näher an der Mittelachse der Vorrichtung liegenden Bereich fällt, wird in geringerem Maße abgelenkt, da der Neutronenstrahl eine relativ kleine Anzahl von winzigen kreisförmig hervorstehenden Teilen durchquert. Dagegen wird ein Neutronenstrahl, der auf einen von der Mittelachse entfernt liegenden Bereich fällt, in höherem Maße abgelenkt, da der Neutronenstrahl eine relativ große Anzahl kreisförmig hervorstehender Teile durchquert. Zum Beispiel erfährt ein Neutronenstrahl, der auf den im Mittelpunkt der Vorrichtung liegenden kreisförmig hervorstehenden Teil fällt, nur einmal eine Brechung an der geneigten Oberfläche, während ein Neutronenstrahl, der auf den kreisförmig hervorstehenden Teil ganz an den Außenseite der Vorrichtung fällt, insgesamt 33 Mal eine Brechung an den ganz außen gelegenen geneigten Oberflächen der Blechelemente 45₁ - 45₃₃ erfährt. Auf diese Weise erfüllt die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung in dieser Ausführungsform eine Funktion ähnlich der Funktion einer Konkavlinse in einem optischen System und kann daher einen Neutronenstrahl auf eine kleine Fläche aufweiten.
Wenn zum Beispiel der von der geneigten Oberfläche 51a des kreisförmig hervorstehenden Teils 51 mit der Unterseite des Blechelements 25 gebildete Winkel α 45° beträgt und ein Neutronenstrahl mit einer Wellenlänge von 14 Å, der parallel zur Mittelachse der Vorrichtung verläuft, auf die Vorrichtung fällt, wird der Neutronenstrahl, der den am weitesten außen gelegenen Teil der Blechelemente durchquert um etwa 4,5 mrad von der Mittelachse der Vorrichtung weg gekrümmt.
In der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung braucht der Winkel α, der von der geneigten Oberfläche 51a mit der Unterseite des Blechelements 45 gebildet wird, nicht 45° zu betragen, und abhängig von der Bearbeitungsgenauigkeit des Werkstoffs für das Blechelement 45 und die von der Vorrichtung geforderten Leistungen kann jeder Winkel verwendet werden. Die Anzahl der Blechelemente 45 braucht ebenfalls nicht dreiunddreißig zu sein. Zum Beispiel kann auch eine Vielzahl (z. B. zwei) von Blechelementen 45 verwendet werden, die alle dieselbe Anzahl von kreisförmig hervorstehenden Teilen 51 aufweisen. In dieser Ausführungsform sind die Neigungswinkel der geneigten Oberflächen 51a alle gleich. Die Winkel können jedoch verschieden sein, sodass die kreisförmig hervorstehenden Teile 51, die weiter von der Mittelachse der Vorrichtung entfernt sind, größere Neigungswinkel der geneigten Oberflächen 51a aufweisen.
[Ausführungsform 4]
14 stellt schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung der Neutronenenergie nach der vorliegenden Erfindung dar. Diese Vorrichtung besteht aus den Spalten 61 und 62, um daraus Neutronen 60 in Form eines Neutronenstrahls abzugeben, einer Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 63 für die Energiedivergenz des Neutronenstrahls 60 und einem ortsauflösenden Neutronendetektor 64. Die Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 63 kann eine Vorrichtung wie in Ausführungsform 1 beschrieben sein, die dazu dient, einen Neutronenstrahl in eine Richtung zu krümmen. Die Wellenlänge λ und der Brechungswinkel δ der Neutronen weisen eine Beziehung auf, die durch die folgende Gleichung definiert ist: δ/λ2 = konstant.
Schnelle Neutronen 65 (d. h. Neutronen mit höherer Energie und kürzerer Wellenlänge) werden von der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 63 in geringerem Maße abgelenkt, und langsame Neutronen 66 (d. h. Neutronen mit niedrigerer Energie und längerer Wellenlänge) werden in einem stärkeren Maße abgelenkt. Die Einfallspositionen der Neutronen aus der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung 63 werden in dem ortsauflösenden Neutronendetektor 64 erfasst, um die Energie (Wellenlänge, Geschwindigkeit) der Neutronen oder die Energieverteilung der Neutronen zu bestimmen.
[Ausführungsform 5]
15 stellt schematisch eine Ausführungsform der Kombination einer Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz von Neutronenstrahlen, einer Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz von Neutronenstrahlen und einer Vorrichtung zur Regulierung der Bahnkurve von Neutronenstrahlen nach der vorliegenden Erfindung dar. Die Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz des Neutronenstrahls kann eine Vorrichtung wie die in Ausführungsform 2 unter Bezugnahme auf 4 – 8B beschriebene sein. Die Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz des Neutronenstrahls kann eine Vorrichtung wie die in Ausführungsform 3 unter Bezugnahme auf 9 – 13B beschriebene sein. Die Vorrichtung zur Regulierung der Bahnkurve von Neutronenstrahlen kann eine Vorrichtung wie die in Ausführungsform 1 unter Bezugnahme auf 2A – 3B beschriebene sein.
Eine verwendete Neutronenstrahlquelle 80 kann ein Kernreaktor, eine Spallations-Neutronenquelle unter Einsatz eines Teilchenbeschleunigers, eine Quelle, bei der aus radioaktiven Isotopen abgegebene Neutronen mit hoher Energie von einem Moderator moderiert werden, oder dergleichen sein. Wie durch die Pfeile dargestellt, werden die Neutronen in alle Richtungen von der Oberfläche des Moderators abgegeben.
Die Neutronen werden in verschiedene Richtungen aus der Neutronenquelle 80 herausgelöst. Einige der herausgelösten Neutronen werden durch eine Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz von Neutronenstrahlen 81a und eine Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz von Neutronenstrahlen 81b geleitet, um in einen dichten Strahl fokussiert zu werden, der anschließend durch eine Vorrichtung zur Regulierung der Bahnkurve von Neutronenstrahlen 81c gekrümmt wird. Der Strahl wird anschließend durch eine weitere Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz von Neutronenstrahlen 81d und eine weitere Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz von Neutronenstrahlen 81e geleitet, um noch weiter in einen dünnen und dichten Strahl fokussiert zu werden, der zu einer Vorrichtung für die Nutzung von Neutronenstrahlen 91 geleitet werden kann. Die anderen [Neutronenstrahlen] werden in einige Teile aufgeteilt. Jeder der Neutronenstrahlteile wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz von Neutronenstrahlen 82a, 83a, 84a oder 85a und eine Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz von Neutronenstrahlen 82b, 83b, 84b oder 85b geleitet, um in einen dünnen und dichten Strahl fokussiert zu werden. Der Strahl wird durch eine Vorrichtung zur Regulierung der Bahnkurve von Neutronenstrahlen 82c, 83c, 84c oder 85c geleitet. Die Strahlen aus der Vorrichtung zur Regulierung der Bahnkurve von Neutronenstrahlen 82c, 83c, 84c und 85c werden zu einem Strahl vereint. Der Strahl wird durch eine weitere Vorrichtung zur Regulierung der Konvergenz von Neutronenstrahlen 86 und danach durch eine weitere Vorrichtung zur Regulierung der Divergenz von Neutronenstrahlen 87 geleitet, um noch weiter in einen dünnen und dichten Strahl fokussiert zu werden, der zu einer Vorrichtung für die Nutzung von Neutronenstrahlen 92 geleitet werden kann. Diese Anordnung ermöglicht, Neutronenstrahlen mit einer hohen Intensität und einer regulierten Strahldivergenz zu erzeugen und die Effizienz bei der Nutzung von Neutronenstrahlen zu verbessern. Infolgedessen wird es möglich, die Untersuchung sehr kleiner Proben durchzuführen, die bisher aufgrund der mit diesen Proben verbundenen Intensitätsproblemen unmöglich war. Es wird auch möglich, Messungen von Mustern vor Ort (in situ) durchzuführen, die bisher aufgrund der mit Vor-Ort-Messungen verbundenen Intensitätsproblemen schwer zu realisieren waren.

Claims

Eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung, die mehrere mehrschichtige Blechelemente (11, 13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Blechelemente (11, 13) auf einer oder beiden Oberflächen mehrere hervorstehende Teile (12) aufweist, die bezüglich eines Neutronenstrahls (16) eine geneigte Einfalls- oder Abstrahlebene (15) bieten, wobei ein übertragener Neutronenstrahl (16) von der geneigten Einfalls- oder Abstrahlebene gebrochen wird.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach Anspruch 1, wobei sich jedes der hervorstehenden Teile (12) zur Fläche hin erstreckt und sowohl die geneigte Oberfläche (15) als auch eine Oberfläche (14) ungefähr normal zum Blechelement stehen.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach Anspruch 1, wobei jedes der hervorstehenden Teile (12) ein linearer Vorsprung ist, bei dem sowohl die geneigte Oberfläche (15) als auch eine Oberfläche (14) ungefähr normal zum Blechelement (11, 13) stehen und alle geneigten Oberflächen (15a, 15b, 15c) in die gleiche Richtung geneigt sind.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung, die mehrere mehrschichtige Blechelemente (25, 45) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Blechelemente (25, 45) auf einer oder beiden Oberflächen ein oder mehrere kreisförmig hervorstehende Teile (31, 51) aufweist, so angeordnet, dass ein konzentrisches Gefüge um die Mittelachse der Vorrichtung (20, 40) gebildet wird, wobei jedes der kreisförmig hervorstehenden Teile (31, 51) sowohl eine ungefähr normal zum Blechelement stehende Oberfläche als auch eine Oberfläche (31a, 51a) aufweist, die zum Mittelpunkt des konzentrischen Gefüges hin oder vom Mittelpunkt des konzentrischen Gefüges weg geneigt ist, und wobei das Überlagerungsmaß der kreisförmig hervorstehenden Teile bei Betrachtung in einer Richtung parallel zur Mittelachse mit zunehmender Entfernung von der Mittelachse größer wird.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach Anspruch 4, die eine erste Vielzahl und eine zweite Vielzahl an mehrschichtigen Blechelementen (25, 45) umfasst, wobei jedes der Blechelemente (25, 45) auf einer oder beiden Oberflächen ein oder mehrere kreisförmig hervorstehende Teile (31, 51) aufweist, so angeordnet, dass ein konzentrisches Gefüge um die Mittelachse der Vorrichtung (20, 40) gebildet wird, wobei jedes der kreisförmig hervorstehenden Teile (31, 51) sowohl eine ungefähr normal zum Blechelement stehende Oberfläche als auch eine geneigte Oberfläche (31a, 51a) aufweist und das Überlagerungsmaß der kreisförmig hervorstehenden Teile bei Betrachtung in einer Richtung parallel zur Mittelachse mit zunehmender Entfernung von der Mittelachse größer wird, wobei die geneigten Oberflächen (31a) der ersten Vielzahl an Blechelementen (25) zum Mittelpunkt des konzentrischen Gefüges hin und die geneigten Oberflächen (51a) der zweiten Vielzahl an Blechelementen (45) vom Mittelpunkt des konzentrischen Gefüges weg geneigt sind.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach Anspruch 4, wobei wenigstens eines der Blechelemente (25, 45) einen öffnenden Teil (32, 52) in der Mitte aufweist.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedes der Blechelemente (11, 13, 25, 45) einen Werkstoff umfasst, der in der Hauptsache mindestens ein Element aus der aus Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Beryllium (Be), Fluor (F) und Deuterium (D₂) bestehenden Gruppe umfasst.
Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei jedes der Blechelemente (11, 13, 25, 45) einen Werkstoff umfasst, der ein Element aus der aus Polytetrafluorethylen, Kohlenstoff, deuteriertes Polyethylen, Schwerwasser und Trockeneis bestehenden Gruppe umfasst.
Vorrichtung zur Messung von Neutronenenergie, umfassend: Einrichtungen (61, 62) zur Abgabe von Neutronen daraus in Form eines Neutronenstrahls (60); eine Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung (63) nach Anspruch 3, auf die der Neutronenstrahl (60) fällt; und ein ortsauflösender Neutronendetektor (64) zur Erfassung der von der Vorrichtung zur Neutronenstrahlregulierung (63) abgegebenen Neutronen (65, 66).