EP2909840B1 - Bandförmiger chopper für einen teilchenstrahl - Google Patents

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EP2909840B1
EP2909840B1 EP13801464.2A EP13801464A EP2909840B1 EP 2909840 B1 EP2909840 B1 EP 2909840B1 EP 13801464 A EP13801464 A EP 13801464A EP 2909840 B1 EP2909840 B1 EP 2909840B1
Authority
EP
European Patent Office
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control element
chopper
drive source
neutron
region
Prior art date
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Active
Application number
EP13801464.2A
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English (en)
French (fr)
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EP2909840A1 (de
Inventor
Alexander Ioffe
Peter Stronciwilk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2909840A1 publication Critical patent/EP2909840A1/de
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/02—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
    • G21K1/04—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers
    • G21K1/043—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators using variable diaphragms, shutters, choppers changing time structure of beams by mechanical means, e.g. choppers, spinning filter wheels

Definitions

  • the invention relates to a chopper for a particle beam.
  • choppers with a control element are used, which have areas with different permeability for the particle beam. By moving the control element through the particle beam, the particle beam alternately hits areas of higher and lower permeability and is modulated in this way.
  • a disadvantage is that a lot of space is required for the chopper wheel or for the guide element.
  • this space is limited in order to allow as many users as possible to have a chance.
  • the font U.S. 5,365,561 A discloses a chopper for an X-ray beam comprising at least one flexible control element which is divided into at least two areas A and B, area B having a lower transparency for the particle beam than area A.
  • the WO 2011/115923 A1 discloses a chopper in the form of a cylinder in which the permeable slots are helically arranged.
  • a chopper for a particle beam comprises at least one flexible control element which is divided into at least two areas A and B, area B having a lower, in particular no, transparency for the particle beam than area A, as well as at least one drive source for such promotion of the control element through the Particle beam that it hits areas A and B alternately in time.
  • control element is designed in the form of a strip and rests in a force-locking manner on the outer circumference of at least one element that can be set in rotation by the drive source.
  • the chopper can be designed in a significantly more space-saving manner than wheel-shaped or ring-shaped chopper according to the prior art.
  • the drive source which is voluminous compared to the control element, can be arranged spatially separated from the beam path in that the belt itself transmits the power of the drive source.
  • the tape can be deflected by one or more rollers and the drive source can be placed far away from the beam path at a location where space is no longer limited.
  • the belt can also be guided through a narrow opening in a wall into another room in which the drive source is located. The speed at which the control element is conveyed through the particle beam can then be increased by increasing the circumference of the element which can be set in rotation.
  • the space savings mean that the user gains additional freedom as to the direction in which the control element is conveyed by the particle beam. For example, if the particle beam does not have a square, but a rectangular cross-section, Thus, with the same linear conveying speed, the minimum achievable pulse duration can be shortened by conveying the control element along the short side of the rectangular cross section through the particle beam. For this purpose, it is particularly advantageous if the control element is also inherently flexible (twistable) because it can then also be conveyed along a kinked course.
  • the drive source no longer necessarily has to be arranged close to the location at which the particle beam strikes the chopper, it is advantageously protected from potential radiation damage, which improves the durability of the chopper.
  • a neutron beam is modulated as a particle beam with the chopper, many materials that can serve to intercept the neutron beam in area B are activated by the neutrons that strike and emit strong gamma radiation. This attacks organic molecules by breaking chemical bonds and stimulating the formation of free radicals.
  • the insulation of the windings in electric motors, which are often used as a drive source, contains organic molecules and is therefore permanently attacked by the gamma radiation, so that the motor ultimately fails due to a short circuit.
  • control element has only a very small mass compared to massive chopper wheels and that due to the force-fit contact with the element that can be set in rotation by the drive source, a change or even reversal of the rotational speed of this element immediately affects the control element without that for this a large moment of inertia has to be overcome.
  • the conveying speed at which the control element is moved through the particle beam can therefore be varied.
  • the drive source in the configuration of the control element in which at least a partial area of the particle beam passes exclusively through areas A of the control element can be operated at a different conveying speed than in the configuration of the control element in which the particle beam strikes area B completely.
  • the former conveying speed is then decisive for the pulse duration within which the chopper is more permeable to the particle beam.
  • the latter conveying speed is decisive for the repetition rate, i.e. the duration between the pulses.
  • Both speeds can be selected independently of one another according to the requirements resulting from the specific application. According to the prior art to date, it was possible to vary the rotational frequency of the control element, but it was not possible to change the rotational speed during a single revolution. For each of the two speeds, the chopper according to the invention can at least achieve the performance of the previous wheel choppers, and because of the lower moving mass, it tends to achieve better performance.
  • the chopper according to the invention can also react more flexibly to a change in the beam cross section, in particular the beam height, than with conventional wheel choppers. If, for example, the beam height changes perpendicular to the conveying direction of the control element, then only the control element needs to be widened in order to modulate the beam in the same way as before. With a wheel chopper, in the same situation, with regard to the circumferential speed dependent on the radial distance to the axis of rotation, areas A and B would have to be redesigned in such a way that the jet is closed or opened over its entire cross-sectional area for the same time.
  • the control element can be stretched in the conveying direction. As a result, it can be kept constantly under mechanical tension, which improves the frictional connection to the element that can be set in rotation.
  • the control element does not have to be pressed externally against the element which can be set in rotation.
  • a coating can be applied in partial areas to the outside of the control element that does not rest in a force-locking manner, which coating forms the areas B with lower permeability for the particle beam. Both a pressure mechanism and the coating itself wear out quickly if the coating is repeatedly rolled between the pressure mechanism and the element that can be set in rotation.
  • the expandable control element also has damping properties, so that vibrations emanating from the drive source can for the most part no longer be propagated to the point at which the beam is modulated.
  • Wheel choppers on the other hand, are rigid systems and prone to vibrations.
  • a damping element for example a torsion spring, is arranged in the frictional connection between the drive source and the control element.
  • the damping element dissipates the energy of the vibrations emanating from the drive source.
  • the torque with which the drive source conveys the control element via the element which can be set in rotation and the mass occupancy of the control element should be coordinated with one another in such a way that the operation of the drive source is not impaired.
  • the control element advantageously has an average mass occupancy of less than 50 g per meter of length. The lighter the material, the lower the forces that are required for the drive and for every change in direction of a fast movement. If the belt is closed, for example, there are inevitably turning points along its length, at which a movement at a uniform speed also becomes an accelerated movement.
  • a carbon fiber tape or a tape made of a fiber composite material is used, in particular it is suitable as a control element with a thickness between 0.025 mm and 0.5 mm, preferably with a thickness of 0.1 mm or less.
  • These materials are both light and stretchable in the direction of travel. They are very permeable to a neutron beam as a particle beam, i.e. they form area A. Areas B are formed on the belt by applying a neutron-absorbing material either as a layer to one or both sides of the belt or being integrated into the belt.
  • Suitable neutron-absorbing materials are, for example, 10 B or Gd, which, for example, embedded in a polymer, can be applied to the tape with a layer thickness between 0.1 and 0.5 mm.
  • the control element can also be a metallic band with openings through which particles can pass. The openings then form the areas A, while the metallic tape itself forms the impermeable area B.
  • the control element consists essentially (95%) of areas B which are impermeable to neutrons and has only a few neutron windows (areas A) which are transparent to neutrons.
  • Region A is advantageously at least 75%, preferably at least 90%, very particularly preferably at least 95% and ideally completely transparent to the particle beam.
  • Region B is advantageously at most 10%, preferably at most 1%, very particularly preferably at most 0.1% permeable and ideally completely impermeable to the particle beam.
  • the control element is a closed band.
  • the drive source can then be operated uniformly and the particle beam can nevertheless be periodically modulated.
  • the control element can be guided through the beam path on one path (in one position) and be guided around the beam path on the return path.
  • the control element is guided through the beam path of the particle beam in at least two layers and has at least two areas A and two areas B in each case. These areas are arranged relative to one another in such a way that at least part of the particle beam passes through an area A each in at least one configuration of the control element that can be approached by the drive source. Then it is not necessary to guide the control element around the beam path on the way back. Rather, both paths can run in one plane, so that the tape does not have to be twisted. In this configuration, the entire particle beam advantageously passes through an area A in both layers.
  • the distance between the two layers in the beam direction can advantageously be changed. This can be achieved, for example, by guiding both layers over separate pairs of rollers. Since the rollers of the second pair, over which the second layer is guided, are brought closer together and at the same time away from the first layer in the beam direction, the distance between the two layers can be increased while the length of the control element remains the same. This can be used to allow only particles with a speed within a certain range to pass during the flight time (speed filter).
  • the particle beam hits an area B in at least one configuration of the control element that can be approached by the drive source to the extent that it passes through an area A in the first position, and an area B in the second position. Both layers then bear this contributes to the fact that a permeable window for the particle beam is only formed for the shortest possible time.
  • one half of the beam cross-section is ideally blocked by an area B in the first layer.
  • the second half of the beam cross-section, which passes through an area A in the first layer, is blocked by an area B in the second layer. Then the pulse duration can be halved. This effect can be achieved not only with two layers of one and the same closed belt, but also with two non-contiguous belts that are merely synchronized in their movement.
  • the invention also relates to a method for operating a chopper according to the invention.
  • the drive source in the configuration of the control element in which at least a partial area of the particle beam passes exclusively through areas A of the control element is operated at a different conveying speed than in the configuration of the control element in which the particle beam hits area B completely. This has the effect that the pulse duration and the repetition rate can be set independently of one another.
  • FIG 1a shows an embodiment of a chopper according to the invention, in which the drive source and the element that can be set in rotation by it are not shown for the sake of clarity, in a perspective schematic drawing.
  • the control element 1 is a closed, 0.1 mm thick band made of carbon fiber, which is coated in areas B1, B2 with 10 B as a neutron-absorbing material. It is uncoated in areas A1, A2; these areas serve as neutron windows.
  • the strip runs in one plane and is thus guided in two layers through the beam path 2 of the neutron beam. The two layers move in different directions, which are indicated by arrows.
  • the areas A1, A2 are arranged with respect to one another in such a way that there is a position of the belt in which an area A1 in the first position and at the same time an area A2 in the second position are in the line of the beam path. In this position, the chopper is permeable to the neutron beam 2. If, on the other hand, all neutrons are absorbed either by an area B1 of the first layer or by an area B2 of the second layer of the tape, the chopper is overall impermeable (closed) to the neutron beam.
  • the description of the position in which an area is located refers to the in Figure 1a current status shown. Of course, the areas migrate from one layer to another as the belt rotates.
  • Figure 1b shows this embodiment in a further schematic drawing in a plan view.
  • the control element 1 is stretched between two rollers 3 and 4, on the outer circumference of which it rests in a force-locking manner.
  • the roller 3 can be set in rotation by the drive source, which leads to the belt rotating.
  • the drive source is a direct current motor which can drive the roller 3 in both directions of rotation.
  • the belt (control element) is guided by further non-driven rollers 5 in such a way that the two layers in which it is guided by the neutron beam 2 run parallel to one another and are close to one another. If the neutrons are guided in evacuated neutron guides, only a minimal gap between two neutron guides is necessary for the installation of the chopper, which the neutrons have to cross in air. In addition, the closer the two layers are to one another, the more sharply defined the pulse width.
  • Figure 1c shows another snapshot. Compared to Figure 1b roller 3 has turned clockwise. Correspondingly, the area A1 has migrated to the right, while at the same time the area A2 has migrated to the left. At the same time, the neutron beam 2 is still incident on the strip 1 with the same beam width w at the same point. In the first layer it already encounters an impermeable area B1 and is absorbed, so that it no longer reaches the second layer and, even more so, cannot pass the chopper as a whole. Thus shows Figure 1c the closed state of the chopper.
  • Figure 2 shows schematically the generation of a neutron pulse with the in Figure 1 sketched chopper.
  • the first layer of the tape has areas A1 which are transparent to the neutron beam and areas B1 which are opaque to the neutron beam.
  • the second layer of the tape has areas A2 which are transparent to the neutron beam and areas B2 which are opaque to the neutron beam.
  • the beam hits an impermeable area B1 in the first layer of the tape and is thus shaded ( Figure 2a ).
  • the two layers of the tape move in opposite directions to one another in the directions indicated by arrows.
  • the neutron beam After a time w / (2 * v), where w is the beam width and v is the linear velocity of the belt, the neutron beam passes completely first through the transparent area A1 in the first layer and then through the transparent area A2 in the second layer through.
  • the chopper allows it to pass through unimpaired. At this moment the neutron pulse reaches its maximum intensity ( Figure 2d ).
  • a pulse duration of approximately 3 ms can be achieved with a repetition rate of 14 Hz.
  • T can be varied during operation in that the drive source is operated at a different speed when the chopper is closed than during a pulse.
  • the shortest possible pulses are desired, so that the belt runs much faster during a pulse than between the pulses.
  • the pulse duration and repetition time T cannot be set independently of one another to this extent.
  • Figure 3 shows a possible course of the linear speed v of the belt over time t.
  • the advance of the tape is alternated between two different working speeds v 1 and v 2.
  • the belt moves with the speed v 1 .
  • the belt is accelerated at the maximum possible rate in good time before the start of a pulse that it runs at the significantly higher speed v 2 for the duration ⁇ of the pulse.
  • ⁇ is defined either by the half-width (FWHM) or by the time span during which a non-zero number of neutrons passes the chopper.
  • FWHM half-width
  • the belt is braked with the maximum possible delay until it runs again at speed v 1 .
  • the carbon fiber tape can not only be coated with 10 B or Gd as a neutron absorber, but can also be impregnated with these materials in conjunction with a binding agent.
  • the neutron absorber (area B) is then less prone to damage when the belt is bent, such as when passing rollers, than a coating that can peel off in the long run. Should the tape tear or lose its coating, it is advantageously much easier to replace than a bulky and heavy wheel chopper, so that less of the valuable measuring time is used for the repair.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Chopper für einen Teilchenstrahl.
    • Stand der Technik
  • Bei der Nutzung von Teilchenstrahlen, etwa für Forschungszwecke, kommt es vielfach darauf an, den Strahl in räumlich und zeitlich begrenzte Pulse zu modulieren. Hierzu werden Chopper mit einem Steuerelement verwendet, die Bereiche mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für den Teilchenstrahl aufweisen. Indem das Steuerelement durch den Teilchenstrahl bewegt wird, trifft der Teilchenstrahl abwechselnd auf Bereiche höherer und niedrigerer Durchlässigkeit und wird auf diese Weise moduliert.
  • Aus der DE 10 2004 002 326 A1 sind als Räder ausgebildete Chopper bekannt, die durch den Teilchenstrahl rotiert werden. Dabei gibt die Umfangsgeschwindigkeit am Rand des Chopperrades die Frequenz vor, mit der der Teilchenstrahl moduliert werden kann.
  • Aus der DE 10 2007 046 739 A1 ist eine Verfeinerung dieser Chopper bekannt, bei der ein kleines Steuerelement periodisch um ein ortsfestes Führungselement umläuft, das die Bahn des Steuerelements vorgibt. Dadurch muss zum Modulieren des Teilchenstrahls deutlich weniger Masse bewegt werden, was hohe mechanische Beanspruchung des Materials durch Fliehkräfte sowie unerwünschte Eigenschwingungen vermeidet.
  • Nachteilig wird für das Chopperrad bzw. für das Führungselement viel Platz benötigt. Gerade an wissenschaftlichen Großgeräten, die Teilchenstrahlen produzieren, ist dieser Platz jedoch knapp bemessen, um möglichst viele Nutzer zum Zuge kommen zu lassen. Gleichzeitig besteht insbesondere an Spallationsquellen oder Forschungsreaktoren, die Neutronen ausgehend von ihrem Entstehungsort zunächst analog einer Punktquelle in alle Richtungen emittieren, ein großes Interesse, den Strahl möglichst nah an diesem Entstehungsort zu modulieren, um während einer vorgegebenen Pulsdauer eine möglichst große Anzahl Neutronen nutzen zu können. Je näher sich aber der Chopper am Entstehungsort der Neutronen befindet, desto weniger Platz steht zur Verfügung.
  • Weiterhin können bei den bisherigen Choppern die Pulsdauer und Repetitionsrate nicht unabhängig voneinander variiert werden, da beide Größen an die Umlauffrequenz des Steuerelements gekoppelt sind.
  • Die Schrift US 5 365 561 A offenbart einen Chopper für einen Rötgenstrahl umfassend mindestens ein biegsames Steuerelement, das in mindestens zwei Bereiche A und B unterteilt ist, wobei der Bereich B eine geringere Transparenz für den Teilchenstrahl hat, als der Bereich A.
  • Die WO 2011/115923 A1 offenbart einen Chopper in Form eines Zylinders, in dem die durchlässigen Schlitze helical angeordnet sind.
    • Aufgabe und Lösung
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Chopper zur Verfügung zu stellen, der in unmittelbarer Nähe des Strahlengangs des zu modulierenden Teilchenstrahls weniger Platz beansprucht als Chopper nach dem bisherigen Stand der Technik. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Pulsdauer und die Repetitionsrate voneinander zu entkoppeln, damit beide Größen für die jeweilige Anwendung optimal gewählt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Chopper gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
    • Gegenstand der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde ein Chopper für einen Teilchenstrahl entwickelt. Dieser Chopper umfasst mindestens ein biegsames Steuerelement, das in mindestens zwei Bereiche A und B unterteilt ist, wobei der Bereich B eine geringere, insbesondere keine, Transparenz für den Teilchenstrahl hat als der Bereich A, sowie mindestens eine Antriebsquelle zur derartigen Förderung des Steuerelements durch den Teilchenstrahl, dass dieser zeitlich abwechselnd auf die Bereiche A und B trifft.
  • Erfindungsgemäß ist das Steuerelement bandförmig ausgebildet und liegt kraftschlüssig am Außenumfang mindestens eines durch die Antriebsquelle in Rotation versetzbaren Elements an.
  • Es wurde erkannt, dass durch die Ausbildung des Steuerelements als bandförmiges Element der Chopper wesentlich platzsparender ausgestaltet werden kann als rad- oder ringförmige Chopper nach dem bisherigen Stand der Technik. Insbesondere kann die im Vergleich zum Steuerelement voluminöse Antriebsquelle räumlich vom Strahlengang getrennt angeordnet werden, indem das Band selbst die Kraft der Antriebsquelle überträgt. Beispielsweise kann das Band durch eine oder mehrere Rollen umgelenkt werden und die Antriebsquelle weit entfernt vom Strahlengang an einem Ort platziert werden, an dem der Platz nicht mehr knapp ist. Dabei kann das Band auch durch eine schmale Öffnung in einer Wand in einen anderen Raum geführt sein, indem sich die Antriebsquelle befindet. Die Geschwindigkeit, mit der das Steuerelement durch den Teilchenstrahl gefördert wird, kann dann gesteigert werden, indem der Umfang des in Rotation versetzbaren Elements vergrößert wird.
  • Die Platzersparnis bringt es mit sich, dass der Anwender eine zusätzliche Freiheit dahingehend erlangt, in welcher Richtung das Steuerelement durch den Teilchenstrahl gefördert wird. Hat etwa der Teilchenstrahl keinen quadratischen, sondern einen rechteckigen Querschnitt, so kann bei gleicher linearer Fördergeschwindigkeit die minimal erzielbare Pulsdauer verkürzt werden, indem das Steuerelement entlang der kurzen Seite des rechteckigen Querschnitts durch den Teilchenstrahl gefördert wird. Hierfür ist besonders vorteilhaft, wenn das Steuerelement auch in sich biegsam (tordierbar) ist, weil es dann auch entlang eines abgeknickten Verlaufs gefördert werden kann.
  • Indem die Antriebsquelle nicht mehr zwangsläufig nah an dem Ort angeordnet sein muss, an dem der Teilchenstrahl auf den Chopper auftrifft, ist sie vorteilhaft vor potentiellen Strahlenschäden geschützt, was die Dauerhaltbarkeit des Choppers verbessert. Wird ein Neutronenstrahl als Teilchenstrahl mit dem Chopper moduliert, so werden viele Materialien, die im Bereich B zum Abfangen des Neutronenstrahls dienen können, durch die auftreffenden Neutronen aktiviert und senden ihrerseits eine starke Gammastrahlung aus. Diese greift organische Moleküle an, indem chemische Bindungen aufgebrochen und die Bildung freier Radikale angeregt wird. Die Isolierung der Wicklungen in Elektromotoren, die vielfach als Antriebsquelle dienen, enthält organische Moleküle und wird somit auf die Dauer durch die Gammastrahlung angegriffen, so dass der Motor schließlich durch Kurzschluss versagt.
  • Es wurde weiterhin erkannt, dass das Steuerelement im Vergleich zu massiven Chopperrädern nur eine sehr geringe Masse hat und dass durch das kraftschlüssige Anliegen an dem durch die Antriebsquelle in Rotation versetzbaren Element eine Änderung oder gar Umkehr der Rotationsgeschwindigkeit dieses Elements sofort auf das Steuerelement durchgreift, ohne dass hierzu ein großes Trägheitsmoment überwunden werden muss. Daher kann die Fördergeschwindigkeit, mit der das Steuerelement durch den Teilchenstrahl bewegt wird, variiert werden. Insbesondere kann die Antriebsquelle in der Konfiguration des Steuerelements, in der mindestens ein Teilbereich des Teilchenstrahls ausschließlich durch Bereiche A des Steuerelements hindurchtritt, mit einer anderen Fördergeschwindigkeit betrieben werden als in der Konfiguration des Steuerelements, in der der Teilchenstrahl vollständig auf einen Bereich B trifft. Die erstere Fördergeschwindigkeit ist dann für die Pulsdauer maßgeblich, innerhalb derer der Chopper durchlässiger für den Teilchenstrahl ist. Die letztere Fördergeschwindigkeit ist für die Repetitionsrate, also die Dauer zwischen den Pulsen, maßgeblich. Beide Geschwindigkeiten können unabhängig voneinander gewählt werden entsprechend dem Bedarf, der sich aus der konkreten Anwendung ergibt. Nach dem bisherigen Stand der Technik konnte zwar die Umlauffrequenz des Steuerelements variiert werden, es war jedoch nicht möglich, die Umlaufgeschwindigkeit während eines einzelnen Umlaufs zu ändern. Für jede der beiden Geschwindigkeiten kann der erfindungsgemäße Chopper mindestens die Leistung der bisherigen Radchopper erreichen, wegen der geringeren bewegten Masse tendenziell eher eine bessere Leistung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Chopper kann weiterhin flexibler auf eine Änderung des Strahlquerschnitts, insbesondere der Strahlhöhe, reagiert werden als mit herkömmlichen Radchoppern. Ändert sich beispielsweise die Strahlhöhe senkrecht zur Förderrichtung des Steuerelements, so ist lediglich das Steuerelement zu verbreitern, um den Strahl in der gleichen Weise wie zuvor zu modulieren. Bei einem Radchopper wären in der gleichen Situation mit Rücksicht auf die vom radialen Abstand zur Drehachse abhängige Umfangsgeschwindigkeit die Bereiche A und B dergestalt neu zu designen, dass der Strahl über seine gesamte Querschnittsfläche für die gleiche Zeit geschlossen bzw. geöffnet wird.
  • Erfindungsgemäß ist das Steuerelement in Förderrichtung dehnbar. Dadurch kann es ständig auf mechanischer Spannung gehalten werden, was den Kraftschluss zum in Rotation versetzbaren Element verbessert. Insbesondere muss das Steuerelement nicht extern an das in Rotation versetzbare Element angedrückt werden. Dadurch kann beispielsweise an der nicht kraftschlüssig anliegenden Außenseite des Steuerelements in Teilbereichen eine Beschichtung aufgebracht sein, die die Bereiche B mit geringerer Durchlässigkeit für den Teilchenstrahl bildet. Sowohl eine Andrückmechanik als auch die Beschichtung selbst verschleißen schnell, wenn die Beschichtung immer wieder zwischen der Andrückmechanik und dem in Rotation versetzbaren Element gewalzt wird.
  • Weiterhin werden mit einem dehnbaren Steuerelement extreme mechanische Beanspruchungen des Steuerelements bei einer Änderung oder gar Umkehr der Fördergeschwindigkeit der Antriebsquelle vermieden. Das dehnbare Steuerelement besitzt außerdem Dämpfungseigenschaften, so dass von der Antriebsquelle ausgehende Schwingungen sich größtenteils nicht mehr bis zu dem Ort fortpflanzen können, an dem der Strahl moduliert wird. Radchopper dagegen sind starre Systeme und anfällig für Schwingungen.
  • Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Kraftschluss zwischen der Antriebsquelle und dem Steuerelement ein Dämpfungselement angeordnet, beispielsweise eine Torsionsfeder. Das Dämpfungselement dissipiert die Energie der von der Antriebsquelle ausgehenden Schwingungen.
  • Das Drehmoment, mit dem die Antriebsquelle über das in Rotation versetzbare Element das Steuerelement fördert, und die Massenbelegung des Steuerelements sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass der Lauf der Antriebsquelle nicht beeinträchtigt wird. Vorteilhaft weist das Steuerelement eine mittlere Massenbelegung von weniger als 50 g pro Meter Länge auf. Je leichter das Material ist, desto geringer sind die Kräfte, die für den Antrieb und für jede Richtungsänderung einer schnellen Bewegung erforderlich sind. Ist das Band beispielsweise geschlossen, gibt es entlang seiner Länge zwangsläufig Umkehrpunkte, an denen auch eine Bewegung mit gleichförmiger Geschwindigkeit zu einer beschleunigten Bewegung wird.
  • Dadurch werden sowohl das Steuerelement selbst als auch die Mechanik für seine Umlenkung am Umkehrpunkt mit Kräften beansprucht.
  • Erfindungsgemäss wird ein Kohlefaserband oder ein Band aus einem Faserverbundmaterial verwendet, insbesondere ist es mit einer Dicke zwischen 0,025 mm und 0,5 mm, bevorzugt mit einer Dicke von 0,1 mm oder weniger, als Steuerelement geeignet. Diese Materialien sind sowohl leicht als auch in Förderrichtung dehnbar. Sie sind für einen Neutronenstrahl als Teilchenstrahl sehr gut durchlässig, bilden also den Bereich A. Bereiche B werden auf dem Band gebildet, indem ein neutronenabsorbierendes Material entweder als Schicht ein- oder beidseitig auf das Band aufgebracht oder in das Band integriert wird. Als neutronenabsorbierende Materialien sind beispielsweise 10B oder Gd geeignet, die, beispielsweise eingebettet in ein Polymer, mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm auf das Band aufgebracht werden können. In einem Beispiel, das nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist, kann das Steuerelement aber auch ein metallisches Band mit Öffnungen sein, durch die Teilchen hindurchtreten können. Die Öffnungen bilden dann die Bereiche A, während das metallische Band selbst den undurchlässigen Bereich B bildet. Typischerweise besteht das Steuerelement im Wesentlichen (zu 95 %) aus Bereichen B, die für Neutronen undurchlässig sind, und hat nur einige wenige Neutronenfenster (Bereiche A), die für Neutronen durchlässig sind. Vorteilhaft ist der Bereich A für den Teilchenstrahl zu mindestens 75 %, bevorzugt zu mindestens 90 %, ganz besonders bevorzugt zu mindestens 95 % und idealerweise vollständig durchlässig. Vorteilhaft ist der Bereich B für den Teilchenstrahl zu höchstens 10 %, bevorzugt zu höchstens 1 %, ganz besonders bevorzugt zu höchstens 0,1 % durchlässig und idealerweise vollständig undurchlässig.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement ein geschlossenes Band. Dann kann die Antriebsquelle gleichförmig betrieben und der Teilchenstrahl dennoch periodisch moduliert werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, immer wieder unter hohen Beschleunigungskräften die Bewegung zu stoppen und umzukehren. Dabei kann das Steuerelement auf einem Weg (in einer Lage) durch den Strahlengang geführt sein und auf dem Rückweg um den Strahlengang herum geführt sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch das Steuerelement mindestens in zwei Lagen durch den Strahlengang des Teilchenstrahls geführt und weist jeweils mindestens zwei Bereiche A und zwei Bereiche B auf. Diese Bereiche sind zueinander dergestalt angeordnet, dass zumindest ein Teil des Teilchenstrahls in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in beiden Lagen durch je einen Bereich A hindurchtritt. Dann ist es nicht erforderlich, das Steuerelement auf dem Rückweg um den Strahlengang herum zu führen. Vielmehr können beide Wege in einer Ebene verlaufen, so dass das Band nicht in sich verdreht werden muss. Vorteilhaft tritt in dieser Konfiguration der gesamte Teilchenstrahl in beiden Lagen durch je einen Bereich A hindurch.
  • Vorteilhaft ist der Abstand der beiden Lagen in der Strahlrichtung veränderbar. Dies lässt sich beispielsweise erreichen, indem beide Lagen über separate Rollenpaare geführt werden. Indem die Rollen des zweiten Paars, über das die zweite Lage geführt wird, näher zusammen und gleichzeitig in Strahlrichtung von der ersten Lage weg geführt werden, lässt sich bei gleich gebliebener Länge des Steuerelements der Abstand beider Lagen vergrößern. Dies kann genutzt werden, um über die Flugzeit nur Teilchen mit einer Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs passieren zu lassen (Geschwindigkeitsfilter).
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trifft der Teilchenstrahl in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in dem Umfang, in dem er in der ersten Lage durch einen Bereich A hindurchtritt, in der zweiten Lage auf einen Bereich B. Beide Lagen tragen dann dazu bei, dass sich in der Summe nur für die kürzestmögliche Zeit ein durchlässiges Fenster für den Teilchenstrahl bildet. Idealerweise wird in dieser Konfiguration eine Hälfte des Strahlquerschnitts durch einen Bereich B in der ersten Lage blockiert. Die zweite Hälfte des Strahlquerschnitts, die in der ersten Lage durch einen Bereich A hindurchtritt, wird in der zweiten Lage durch einen Bereich B blockiert. Dann lässt sich die Pulsdauer halbieren. Dieser Effekt lässt sich nicht nur mit zwei Lagen ein und desselben geschlossenen Bandes erzielen, sondern auch mit zwei nicht zusammenhängenden Bändern, die lediglich in ihrer Bewegung synchronisiert sind.
  • Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Choppers. Dabei wird die Antriebsquelle in der Konfiguration des Steuerelements, in der mindestens ein Teilbereich des Teilchenstrahls ausschließlich durch Bereiche A des Steuerelements hindurchtritt, mit einer anderen Fördergeschwindigkeit betrieben als in der Konfiguration des Steuerelements, in der der Teilchenstrahl vollständig auf einen Bereich B trifft. Dies hat die Wirkung, dass die Pulsdauer und die Repetitionsrate unabhängig voneinander eingestellt werden können.
    • Spezieller Beschreibungsteil
  • Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
    • Figur 1: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Choppers.
    • Figur 2: Erzeugung eines Neutronenpulses mit dem in Figur 1 gezeigten Chopper.
    • Figur 3: Modulation der Vorschubgeschwindigkeit des Steuerelements.
  • Figur 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Choppers, bei dem die Antriebsquelle und das durch sie in Rotation versetzbare Element der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind, in perspektivischer Schemazeichnung. Das Steuerelement 1 ist ein geschlossenes, 0,1 mm dickes Band aus Kohlefaser, das in den Bereichen B1, B2 mit 10B als neutronenabsorbierendem Material beschichtet ist. In den Bereichen A1, A2 ist es unbeschichtet; diese Bereiche dienen als Neutronenfenster. Das Band verläuft in einer Ebene und wird somit in zwei Lagen durch den Strahlengang 2 des Neutronenstrahls geführt. Dabei bewegen sich die beiden Lagen in unterschiedlichen Richtungen, die durch Pfeile angedeutet sind. Die Bereiche A1, A2 sind dergestalt zueinander angeordnet, dass es eine Position des Bandes gibt, in der in der ersten Lage ein Bereich A1 und gleichzeitig in der zweiten Lage ein Bereich A2 in der Linie des Strahlengangs stehen. In dieser Position ist der Chopper für den Neutronenstrahl 2 durchlässig. Werden dagegen alle Neutronen entweder durch einen Bereich B1 der ersten Lage oder durch einen Bereich B2 der zweiten Lage des Bandes absorbiert, ist der Chopper für den Neutronenstrahl insgesamt undurchlässig (geschlossen). Die Bezeichnung, in welcher Lage sich ein Bereich befindet (A1 bzw. A2 oder B1 bzw. B2), bezieht sich auf den in Figur 1a dargestellten Momentanzustand. Selbstverständlich wandern die Bereiche von einer Lage zur anderen, wenn das Band umläuft.
  • Figur 1b zeigt dieses Ausführungsbeispiel in einer weiteren Schemazeichnung in Aufsicht. Das Steuerelement 1 ist zwischen zwei Rollen 3 und 4 gespannt, an deren Außenumfang es jeweils kraftschlüssig anliegt. Dabei kann die Rolle 3 durch die Antriebsquelle in Rotation versetzt werden, was dazu führt, dass das Band umläuft. Die Antriebsquelle ist ein Gleichstrommotor, der die Rolle 3 in beiden Drehrichtungen antreiben kann. Das Band (Steuerelement) wird durch weitere nicht angetriebene Rollen 5 so geführt, dass die beiden Lagen, in denen es durch den Neutronenstrahl 2 geführt wird, parallel zueinander verlaufen und dicht beieinander liegen. Werden die Neutronen in evakuierten Neutronenleitern geführt, ist somit für den Einbau des Choppers nur ein minimaler Spalt zwischen zwei Neutronenleitern notwendig, den die Neutronen an Luft durchqueren müssen. Zudem ist die Pulsbreite um so schärfer definiert, je näher die beiden Lagen aneinander liegen.
  • In der in Figur 1b gezeigten Momentaufnahme befinden sich in der ersten Lage des Bandes zwei für Neutronen undurchlässige Bereiche B1 und ein für Neutronen durchlässiger Bereich A1. In der zweiten Lage des Bandes befinden sich ebenfalls zwei für Neutronen undurchlässige Bereiche B2 und ein für Neutronen durchlässiger Bereich A2. Die Bereiche A1 und A2 liegen in Richtung des Neutronenstrahls 2 hintereinander, so dass der Neutronenstrahl jeweils durchgelassen wird und den Chopper insgesamt ungeschmälert passieren kann. Somit zeigt Figur 1b den offenen Zustand des Choppers.
  • Figur 1c zeigt eine weitere Momentaufnahme. Im Vergleich zu Figur 1b hat sich die Rolle 3 im Uhrzeigersinn gedreht. Dementsprechend ist der Bereich A1 nach rechts gewandert, während gleichzeitig der Bereich A2 nach links gewandert ist. Gleichzeitig fällt der Neutronenstrahl 2 noch immer mit der gleichen Strahlbreite w an der gleichen Stelle auf das Band 1 ein. Er trifft dort nun bereits in der ersten Lage auf einen undurchlässigen Bereich B1 und wird absorbiert, so dass er die zweite Lage gar nicht mehr erreicht und erst recht den Chopper als Ganzes nicht passieren kann. Somit zeigt Figur 1c den geschlossenen Zustand des Choppers.
  • Figur 2 zeigt schematisch die Erzeugung eines Neutronenpulses mit dem in Figur 1 skizzierten Chopper. Die erste Lage des Bandes hat Bereiche A1, die für den Neutronenstrahl durchlässig sind, und Bereiche B1, die für den Neutronenstrahl undurchlässig sind. Die zweite Lage des Bandes hat Bereiche A2, die für den Neutronenstrahl durchlässig sind, und Bereiche B2, die für den Neutronenstrahl undurchlässig sind. Im überwiegenden Anteil der Zeit trifft der Strahl zur Gänze auf einen undurchlässigen Bereich B1 in der ersten Lage des Bandes und wird somit abgeschattet (Figur 2a). Die beiden Lagen des Bandes bewegen sich gegenläufig zueinander in den Richtungen, die durch Pfeile angedeutet sind.
  • An dem Punkt, an dem der Chopper insgesamt gerade noch undurchlässig ist, wird genau eine Hälfte des Strahls durch den Bereich B1 in der ersten Lage abgeschattet. Die andere Hälfte des Strahls dringt zunächst noch bis zur zweiten Lage vor. Dort wird diese Hälfte durch den Bereich B2 abgeschattet, so dass insgesamt keine Neu-tronen den Chopper passieren (Figur 2b).
  • Jede weitere Bewegung des Bandes in dergleichen Richtung hat nun zur Folge, dass der Strahl nicht mehr vollständig abgeschattet wird, sondern zwischen den Bereichen B1 und B2 ein Spalt entsteht. Der Teil des Neutronenstrahls, der in der ersten Lage durch einen Bereich A1 durchgelassen wurde, wird in der zweiten Lage nicht vollständig durch einen Bereich B2 abgeschattet, sondern trifft auch dort auf einen durchlässigen Bereich A2 (Figur 2c). Der Teil des Neutronenstrahls, der in keiner der beiden Lagen des Bandes abgeschattet wurde, wird vom Chopper insgesamt durchgelassen.
  • Nach einer Zeit w/(2*v), worin w die Strahlbreite und v die lineare Geschwindigkeit des Bandes ist, tritt der Neutronenstrahl vollständig zunächst durch den durchlässigen Bereich A1 in der ersten Lage und anschließend durch den durchlässigen Bereich A2 in der zweiten Lage hindurch. Er wird somit vom Chopper insgesamt ungeschmälert durchgelassen. In diesem Moment erreicht der Neutronenpuls seine maximale Intensität (Figur 2d).
  • Die weitere Bewegung des Bandes führt nun dazu, dass in der ersten Lage des Bandes erneut ein Bereich B1 in die rechte Hälfte des Neutronenstrahls hineintritt, während gleichzeitig in der zweiten Lage des Bandes ein Bereich B2 in die linke Hälfte des Neutronenstrahls hineintritt. Nach einer weiteren Zeit w/(2*v) tritt die linke Hälfte des Neutronenstrahls in der ersten Lage des Bandes durch den Bereich A1 hindurch, trifft jedoch in der zweiten Lage auf den Bereich B2. Die rechte Hälfte des Neutronenstrahls trifft bereits in der ersten Lage auf den Bereich B1 und wird dort absorbiert. Insgesamt lässt der Chopper keine Neutronen mehr durch. Der Neutronenpuls ist zu Ende (Figur 2e).
  • Der Intensitätsverlauf während des Pulses ist in Figur 2f über der Zeit aufgetragen. Wenn als Pulsdauer die Zeit gewertet wird, in der überhaupt Neutronen den Chopper passieren, so ist die Pulsdauer τ=w/v. Wird als Pulsdauer dagegen die Zeit gewertet, während der der Puls mindestens die Hälfte seiner Maximalintensität hat (full width half maximum), so ist die Pulsdauer τFWHM=w/(2*v).
  • Mit diesem Ausführungsbeispiel lässt sich eine Pulsdauer von etwa 3 ms bei einer Repetitionsrate von 14 Hz realisieren. Die Zeitspanne T zwischen zwei Pulsen ergibt sich zu T=I/v, worin I die Länge ist, um die das Band von einem Pulsbeginn gemäß Figur 2b bis zum nächsten derartigen Pulsbeginn weiterzubewegen ist. Diese Länge hängt von der Verteilung der Bereiche A und B auf dem Band ab. T lässt sich im laufenden Betrieb variieren, indem die Antriebsquelle im geschlossenen Zustand des Choppers mit einer anderen Geschwindigkeit betrieben wird als während eines Pulses. Typischerweise sind möglichst kurze Pulse gewünscht, so dass das Band während eines Pulses sehr viel schneller läuft als zwischen den Pulsen. Bei Radchoppern oder auch Fermi-Choppern lassen sich Pulsdauer und Repetitionszeit T nicht in diesem Maße unabhängig voneinander einstellen.
  • Figur 3 zeigt einen möglichen Verlauf der linearen Geschwindigkeit v des Bandes über der Zeit t. Der Vorschub des Bandes wird zwischen zwei verschiedenen Arbeitsgeschwindigkeiten v1 und v2 alterniert. Zwischen zwei Pulsen bewegt sich das Band mit der Geschwindigkeit v1. Das Band wird so rechtzeitig vor Beginn eines Pulses mit der maximal möglichen Rate beschleunigt, dass es für die Dauer τ des Pulses mit der deutlich höheren Geschwindigkeit v2 läuft. Dabei ist τ entweder über die Halbwertsbreite (FWHM) definiert oder über die Zeitspanne, während der überhaupt eine von Null verschiedene Zahl Neutronen den Chopper passiert. Nach Ablauf des Pulses wird das Band mit der maximal möglichen Verzögerung abgebremst, bis es wieder mit der Geschwindigkeit v1 läuft.
  • Das Kohlefaserband kann nicht nur mit 10B oder Gd als Neutronenabsorber beschichtet, sondern auch mit diesen Materialien in Verbindung mit einem Bindemittel getränkt sein. Der Neutronenabsorber (Bereich B) ist dann bei Verbiegungen des Bandes, wie etwa beim Passieren von Rollen, weniger anfällig für Beschädigungen als eine Beschichtung, die auf die Dauer abblättern kann. Sollte das Band reißen oder seine Beschichtung verlieren, so ist es vorteilhaft deutlich einfacher auszutauschen als ein voluminöser und schwerer Radchopper, so dass weniger von der kostbaren Messzeit für die Reparatur in Anspruch genommen wird.

Claims (10)

  1. Chopper für einen Neutronenstrahl, umfassend mindestens ein Steuerelement, das in mindestens zwei Bereiche A und B unterteilt ist, wobei der Bereich B eine geringere Transparenz für den Neutronenstrahl hat als der Bereich A, sowie mindestens eine Antriebsquelle zur derartigen Förderung des Steuerelements durch den Neutronenstrahl, dass dieser zeitlich abwechselnd auf die Bereiche A und B trifft, wobei das Steuerelement
    • entweder aus Kohlefaser oder aus einem Faserverbundmaterial als Grundwerkstoff besteht, das den Bereich A bildet, wobei zur Bildung von Bereichen B ein neutronenabsorbierendes Material entweder als Schicht auf den Grundwerkstoff aufgebracht oder in diesen integriert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Steuerelement als biegsames bandförmiges Element ausgebildet ist und kraftschlüssig am Außenumfang mindestens eines durch die Antriebsquelle in Rotation versetzbaren Elements anliegt und dass es in Förderrichtung dehnbar ist.
  2. Chopper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein Kohlefaserband oder ein Band aus einem Faserverbundmaterial mit einer Dicke zwischen 0,025 mm und 0,5 mm, bevorzugt mit einer Dicke von 0,1 mm oder weniger, ist.
  3. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das neutronenabsorbierende Material 10B oder Gd ist, das mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm auf das Band aufgebracht ist.
  4. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftschluss zwischen der Antriebsquelle und dem Steuerelement ein Dämpfungselement angeordnet ist.
  5. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine mittlere Massenbelegung von weniger als 50 g pro Meter Länge aufweist.
  6. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein geschlossenes Band ist.
  7. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement mindestens in zwei Lagen durch den Strahlengang des Teilchenstrahls geführt ist und jeweils mindestens zwei Bereiche A und zwei Bereiche B aufweist, wobei diese Bereiche zueinander dergestalt angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des Teilchenstrahls in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in beiden Lagen durch je einen Bereich A hindurchtritt.
  8. Chopper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden Lagen in der Strahlrichtung veränderbar ist.
  9. Chopper nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in dem Umfang, in dem er in der ersten Lage durch einen Bereich A hindurchtritt, in der zweiten Lage auf einen Bereich B trifft.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Choppers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsquelle im Zustand des Steuerelements, in dem mindestens ein Teilbereich des Neutronenstrahls ausschließlich durch Bereiche A des Steuerelements hindurchtritt, mit einer anderen Fördergeschwindigkeit betrieben wird als im Zustand des Steuerelements, in dem der Neutronenstrahl vollständig auf einen Bereich B trifft.
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