EP3091540B1

EP3091540B1 - Vorrichtung zur erzeugung von thermischen neutronenstrahlen mit hoher brillanz und herstellungsverfahren

Info

Publication number: EP3091540B1
Application number: EP16166567.4A
Authority: EP
Inventors: Dr. Ulrich RÜCKER; Prof. Dr. Thomas BRÜCKEL; Tobias CRONERT; Jan Philipp DABRUCK; Prof. Dr. Rahim NABBI
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: HUE036291T2; DK3091540T3; DE102015208564A1; EP3091540A1; ES2658093T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von thermischen Neutronen für Neutronenstreuexperimente und weitere Anwendungen von thermischen Neutronenstrahlen, z.B. Bor-Neutroneneinfangtherapie zur Tumorbehandlung und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Zur Untersuchung von Stoffeigenschaften wie zum Beispiel der Struktur eines Materials werden u.a. Neutronenstrahlen, eingesetzt. Wenn Neutronen auf Atome treffen, werden sie von diesen gestreut. Die Richtungsverteilung der gestreuten Neutronen ist die gesuchte Messgröße, anhand der Materialstruktur oder Stoffeigenschaften bestimmt werden können. Die Erzeugung von Neutronenstrahlen für Streuexperimente mit hoher Intensität und definierter Richtung stellt eine Herausforderung dar.
In den meisten heutigen Forschungsneutronenquellen basiert die Neutronenerzeugung auf Kernspaltung in thermischen Kernreaktoren, wie dies auf der Internetseite http://de.wikipedia.org/wiki/Neutron beschrieben wird. Die derart erzeugten Primärneutronen mit Energien im MeV-Bereich müssen im Moderatorbereich des Reaktors auf Energien im Bereich von 1 eV (thermische Neutronen) abgebremst und anschließend in Strahlrohre für die Neutronenstreuexperimente eingespeist werden.
Im thermischen Kernreaktor ist ein ausgedehnter Moderator (meist leichtes oder schweres Wasser) ein integraler Bestandteil des Kernreaktors, da die nukleare Kettenreaktion nur durch thermische Neutronen aufrechterhalten wird. In modernen Forschungsreaktoren, wie z.B. dem FRM II in Garching, werden die Neutronen für die Streuinstrumente durch tangentiale Strahlrohre aus dem Moderatorvolumen extrahiert. Diese Strahlrohre sind Sackrohre aus einem neutronentransparenten Material, die in den Moderator hineinreichen und die biologische Abschirmung des Reaktors durchdringen. Ihre Orientierung ist so, dass durch die Öffnung in der Reaktorabschirmung der Reaktorkern nicht sichtbar ist, so dass hochenergetische Primärneutronen nicht direkt durch das Strahlrohr zu den Experimenten gelangen können.
Die Öffnungen der Strahlrohre und der Winkelbereich, unter dem Neutronen austreten können, sind so groß, dass mehrere Instrumente aus einem Strahlrohr versorgt werden können, indem der Neutronenstrahl im Winkelbereich zwischen den Instrumenten mit einem Neutronenabsorber abgeschirmt wird.
Alternativ werden Primärneutronen durch Kernreaktionen erzeugt, die durch geladene Teilchen (z.B. Elektronen, Protonen oder Deuteronen) ausgelöst werden, welche in einem Beschleuniger auf hohe Energien beschleunigt wurden. In solchen beschleunigergetriebenen Neutronenquellen gibt es ein Target, auch Konverter genannt, welches mit hochenergetischen geladenen Teilchen aus dem Beschleuniger beschossen wird. Dort entstehen hochenergetische Neutronen, welche anschließend in einem nachgeschalteten Moderator moderiert werden. Ein solcher Moderator ist nach heutigem Stand der Technik ein massiver Block aus Wasser oder Polyethylen, der in vielen Fällen von einem Grafit- oder Berylliumreflektor umgeben ist, um die Neutronenverluste am Rand des Moderators zu reduzieren. Die Strahlrohre werden üblicherweise an der Oberfläche des Moderatorblocks angeschlossen. Sie durchdringen den Reflektor durch eine vorgesehene Öffnung und nehmen an der Moderatoroberfläche die gesamte Divergenz auf, die die Neutronen bei ihrem Weg durch das gesamte Moderatorvolumen erfahren. Daraus ergibt sich ein gleichmäßiger Neutronenfluss auf der gesamten Moderatoroberfläche.
Dadurch, dass die Neutronenstrahlen im Fall von beschleunigergetriebenen Neutronenquellen an der Peripherie des Moderators abgenommen werden, befindet sich so viel Moderatorvolumen auf dem Neutronenpfad, dass viele bereits moderierte Neutronen, die sich eigentlich in Richtung des gewünschten Strahls bewegen, wieder aus dieser Richtung herausgestreut werden. Die Neutronen, die die Stelle erreichen, an denen ein Strahl extrahiert werden soll, kommen statistisch zufällig aus allen Richtungen, so dass der abgegriffene Strahl eine starke Isotropie aufweist. Darüber hinaus wird der Neutronenfluss über die gesamte Moderatoroberfläche verteilt. Es gibt daher keine ausgezeichneten Stellen, an denen mehr Neutronen extrahiert werden können, als an anderen und es gibt keine ausgezeichneten Richtungen, in die vorzugsweise viele Neutronen aus dem Moderatorvolumen emittiert werden. Die derart erzeugten Neutronenstrahlen haben daher keine Vorzugsrichtung und damit eine niedrige Intensität (Strahldichte pro Flächeneinheit) und eine niedrige Brillanz (Intensität pro Raumwinkeleinheit).
Um den dem Experiment bereitgestellten thermischen Neutronenfluss zu erhöhen, ist man nach dem Stand der Technik dazu gezwungen, die Leistung des Beschleunigers zu erhöhen. Für kommerzielle Beschleuniger sind verschiedene Technologien im Einsatz. Jede dieser Technologien ist auf einen bestimmten Leistungsbereich limitiert, wobei der Sprung von einem Leistungsbereich in einen höheren mit einem überproportional hohen technischen Aufwand verbunden ist. Mit der Steigerung der Beschleunigerleistung geht ein Zuwachs der durch den Primärionenstrahl im Target deponierten Wärmemenge einher. Eine daher notwendige Erhöhung der Kühlleistung am Target ist mit einem weiteren technischen Aufwand verbunden.
Für die meisten Untersuchungsmethoden muss die Richtung des Neutronenstrahls im Streuinstrument besser als 2° genau definiert sein. Daher werden durch Kollimationssysteme alle Neutronen aus dem Strahl entfernt, die außerhalb des akzeptierten Winkelbereichs liegen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, möglichst viele geeignete und möglichst wenige ungeeignete Neutronen aus einem Moderator in Strahlrohre, auch Neutronenleiter genannt, zu den Neutronenstreuinstrumenten zu extrahieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren die Merkmale des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung umfassend eine beschleuniger- oder lasergetriebene Neutronenquelle und einen Moderator zur Moderierung von Neutronen der Neutronenquelle, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kanäle im Moderator vorhanden sind, der bzw. die von einem mittleren Bereich im Inneren des Moderators zur Oberfläche des Moderators führen.
Ein Kanal im Sinne der vorliegenden Erfindung ist wesentlich transparenter, d. h. durchlässiger, für thermische Neutronen im Vergleich zum angrenzenden Material des Moderators. Ein Kanal im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in das Moderatormaterial gebohrt sein, wenn das Material des Moderators ein Feststoff ist. Handelt es sich beim Material des Moderators um eine Flüssigkeit, so kann ein metallisches Rohr wie zum Beispiel ein Aluminiumrohr als Kanal im Sinne der vorliegenden Erfindung dienen.
Schnelle Neutronen verlieren durch elastische Streuung mit den Atomkernen des Moderators ihre Energie und gelangen so nach einigen Stößen in den thermischen Energiebereich. Thermische Neutronen verlieren im Mittel keine weitere Energie bei elastischen Stößen, sondern werden auf ihrer Flugbahn abgelenkt. Ein als Moderator geeignetes Material fungiert daher auch als Reflektor für thermische Neutronen. Thermische Neutronen, die sich von einem inneren, mittleren Bereich des Moderators zur Oberfläche des Moderators bewegen, verfügen grundsätzlich über eine geeignete Richtung, nachfolgend auch Vorwärtsrichtung genannt, um geeignet aus der Oberfläche des Moderators austreten zu können. Von einem solchen mittleren Bereich aus betrachtet nimmt die Neutronenintensität in Vorwärtsrichtung nach außen hin ab, da die thermischen Neutronen auf ihrem Weg zum Extraktionsort gestreut oder absorbiert werden können. Durch den Einsatz eines Kanals vom mittleren Bereich des Moderators bis zur Moderatoroberfläche bleibt die Neutronenintensität in Vorwärtsrichtung vollständig erhalten. Es gelingt daher eine Steigerung der Intensität von thermischen Neutronen in Vorwärtsrichtung, die über jeweils einen Kanal aus dem Moderator herausgeführt werden. Dadurch wird der den Experimenten zur Verfügung gestellte Neutronenfluss erhöht, was einerseits der aufzuwendenden Messzeit als auch der durch die Neutronenfluss limitierten Messgenauigkeit zugutekommt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der innere Bereich des Moderators benachbart zum Konverter der Neutronenquelle oder allgemein benachbart zur Quelle der Primärneutronen. Diese Quelle von Primärneutronen wird von Moderatormaterial umgeben. Benachbart zu dieser Quelle gibt es grundsätzlich einen hohen Fluss an thermischen Neutronen und zwar insbesondere im Vergleich zu oberflächennahen Bereichen innerhalb des Moderators, so dass eine solche Anordnung weiter verbessert die Ausbeute an thermischen Neutronen steigert. Benachbart meint, dass der Abstand zwischen dem inneren Bereich und der Neutronenquelle geringer ist als der Abstand von dem inneren Bereich zu einer Oberfläche des Moderators. Vorzugsweise ist der Abstand von dem mittleren Bereich zu der Neutronenquelle mindestens halb so gering wie der geringste Abstand zwischen dem mittleren Bereich und einer Oberfläche des Moderators. Erfindungsgemäß ist der innere Bereich ein ermittelter Bereich mit einem Flussmaximum thermischer Neutronen. Das Zentrum wird insbesondere durch Computersimulation ermittelt, wodurch eine weitere Steigerung der Intensität der thermischen Neutronen erreicht werden kann. Computersimulationsprogramme, mit denen die räumliche Verteilung thermischer Neutronen und damit ein Flussmaximum im Inneren eines Moderators ermittelt werden kann, sind kommerziell erhältlich, so dass dies ein einfacher und zuverlässiger Weg ist, um einen solchen Bereich mit einem Flussmaximum, auch Zentrum genannt, zu bestimmen.
Mit zunehmendem Moderatorvolumen nimmt der thermische Fluss im Moderatormaterial bis zu einem bestimmten Sättigungswert zu, da bereits thermalisierte Neutronen (also thermische Neutronen) von den äußeren Schichten des Moderators wieder zurückreflektiert werden können. An der Oberfläche des Moderators, an dem üblicherweise die Neutronen zum Experiment extrahiert werden, nimmt der thermische Fluss allerdings ab einem bestimmten Moderatorvolumen wieder ab. In einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt das Volumen des Moderators daher 50-200 Liter, vorzugsweise 100-150 Liter, um einerseits primäre Neutronen geeignet moderieren zu können und andererseits mit geeigneten Kanallängen auskommen zu können. Der Moderator liegt vorzugsweise in Form eines Blocks vor, der kugelförmig, würfelförmig, quaderförmig, kegelförmig oder ellipsoidförmig sein kann. Besonders bevorzugt ist der Moderator zylinderförmig, da mit dieser Form eine besonders geeignete räumliche Verteilung der thermischen Neutronen erreicht wird und damit besonders gut eine Mehrzahl von thermisch brillanten Neutronenstrahlen erhalten werden. Eine Seitenlänge des Blocks ist grundsätzlich nicht um ein Mehrfaches länger als andere Seitenlängen, so dass also die Form kompakt ist. Ein Durchmesser übersteigt die Höhe im Fall einer Zylinderform grundsätzlich nicht um ein Mehrfaches, um so eine kompakte Form zu erhalten. Der Moderator weist also nicht eine besonders langgestreckte Form auf.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens vier, vorzugsweise wenigstens sechs Kanäle vorhanden, die von einem inneren Bereich des Moderators zur Oberfläche führen und zwar insbesondere sternförmig. Vorzugsweise sind nicht mehr als 10, besonders bevorzugt nicht mehr als 8 Kanäle vorhanden, die von einem inneren Bereich des Moderators zur Oberfläche führen. Es kann so weiter verbessert die Ausbeute an thermischen Neutronen gesteigert werden, in dem z. B. mehrere Neutronenstreuinstrumente von je einem Kanal mit thermischen Neutronen versorgt werden. Zunächst führt eine zunehmende Anzahl an Kanälen zu einer verbesserten Ausbeute an thermischen Neutronen. Sind allerdings zu viele Kanäle vorhanden, so können primäre Neutronen bzw. Primärneutronen nicht mehr hinreichend moderiert werden, sodass sich die Ausbeute nicht durch Steigerung der Zahl der Kanäle immer weiter verbessern lässt, sondern im Gegenteil die Intensität in jedem einzelnen Kanal abnimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen Kanälen auf der Oberfläche des Moderators wenigstens die doppelte freie Weglänge thermischer Neutronen im Moderatormaterial, um die Ausbeute weiter verbessert zu steigern.
Als Neutronenquelle dient insbesondere ein Linearbeschleuniger mit einem Konverter, der mit relativ geringem technischem Aufwand hergestellt werden kann und der keine thermischen Neutronen für eine Kettenreaktion erfordert, sodass ein erheblich geringeres Moderatorvolumen als in einem thermischen Kernreaktor möglich ist.
Als besonders geeignetes Material für den Moderator hat sich insbesondere Beryllium herausgestellt. Das Material des Moderators ist dann ein Feststoff, in den die ein oder mehreren Kanäle hineingebohrt werden.
Vorzugsweise werden Kanäle innen poliert, um eine weiter verbesserte Ausbeute an thermischen Neutronen zu erhalten, indem diese auf dem Weg durch den Kanal vom inneren Bereich des Moderators zur Oberfläche an den Wänden des Kanals reflektiert werden können. Ein mechanisches Polieren genügt insbesondere im Fall von Beryllium, um dadurch weiter verbessert die Ausbeute an thermischen Neutronen zu steigern. Im Fall von Aluminium wird die Innenseite des Kanals vorzugsweise darüber hinaus beschichtet, umso weiter verbessert thermische Neutronen aus dem Moderator in geeigneter Weise heraus leiten zu können. Durch das Polieren werden Oberflächenrauigkeiten reduziert, die durch die Herstellung des Kanals erzeugt wurden. Es wird also in einem ersten Schritt der Kanal hergestellt, so zum Beispiel durch Bohren. Anschließend findet ein zweiter Bearbeitungsschritt statt, durch den die Oberflächenrauigkeiten reduziert werden. In einem dritten Bearbeitungsschritt wird in einer Ausführungsform die polierte Oberfläche beschichtet und zwar insbesondere im Fall von Aluminiumrohren, um weiter verbesserte Ergebnisse zu erhalten. Als Material für die Beschichtung eignet sich insbesondere Nickel, das einen hohen Reflexionskoeffizienten für Neutronen aufweist. Auch Mehrfachschichten (sogenannte Superspiegel) sind als Beschichtung der Innenwände der Kanäle geeignet. Diese Beschichtungen werden z. B. mittels Sputtern oder galvanisch auf die bereits polierten Innenwände der Flusskanäle aufgebracht.
Um eine Ausbeute weiter zu verbessern, ist der Durchmesser eines jeden Kanals kleiner als die mittlere freie Weglänge von thermischen Neutronen im Moderatormaterial. Ein solcher Kanal vermag thermische Neutronen geeignet aus dem Moderator herauszuführen. Auch wird so vermieden, einen Kanal unnötig zu dimensionieren, was nachteilhaft zu Lasten der Effizienz des Moderatormaterials gehen würde.
Der Durchmesser eines jeden Kanals richtet sich nach den Erfordernissen des angeschlossenen Experiments und kann auf das technisch Machbare reduziert sein. Das Verhältnis von Durchmesser zu Länge des Kanals bestimmt Austrittswinkel von thermischen Neutronen aus dem Kanal. Je länger der Kanal im Vergleich zum Durchmesser ist, umso kleiner ist der Austrittswinkel von thermischen Neutronen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können im Inneren eines jeden Kanals Filter vorhanden sein, um primäre Neutronen herauszufiltern bzw. davon abzuhalten, aus dem jeweiligen Kanal auszutreten. Geeignete Filtermaterialien sind zum Beispiel Blei und Saphir-Einkristalle. Hierdurch wird verbessert vermieden, dass Primärneutronen, also Neutronen mit hoher Energie im MeV-Bereich, zu Instrumenten oder Proben gelangen, ohne aber den Anteil an thermischen Neutronen im Strahl zu schwächen.
Vorzugsweise umfasst der Moderator eine äußere reflektierende Hülle zum Beispiel aus Graphit oder Polyethylen. Hierdurch lässt sich die Ausbeute weiter verbessert steigern.
Vor allem für Streuexperimente ist die Intensität der extrahierten thermischen Neutronen in eine bestimmte Vorzugsrichtung, die Richtung des Experimentes, und damit die Brillanz von besonderer Bedeutung. Es handelt sich dabei um die Vorwärtskomponente des thermischen Neutronenflusses auf der Achse der Neutroneninstrumentierung in Richtung des Experimentes.
Im Zentrum des Moderators ist nicht nur der Gesamtfluss thermischer Neutronen maximal sondern auch dessen Vorwärtskomponente (bzw. Radialkomponente nach außen). Vom Zentrum aus betrachtet nimmt sowohl der Gesamtfluss als auch die Vorwärtskomponente des Flusses nach außen hin ab, da die thermischen Neutronen auf ihrem Weg zum Extraktionsort an der Moderatoroberfläche gestreut oder absorbiert werden können. Durch den Einsatz eines Kanals vom Zentrum des Moderators, dem Punkt des maximalen thermischen Flusses, bis zur Moderatoroberfläche bleibt die Vorwärtskomponente des Flusses vollständig erhalten und kann ohne Abschwächung zum Beispiel zum Anfang des Neutronenleiters des angeschlossenen Neutronenstreuinstruments geleitet werden. Da die Vorwärtskomponente an dieser Stelle unabhängig ist von der Größe des Moderators, kann das Volumen des Moderators bzw. des Reflektors so gewählt werden, dass der thermische Fluss im Zentrum und damit auch die Vorwärtskomponente gesteigert werden kann.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die thermische Intensität in Vorwärtsrichtung (θ≤2° bzgl. der Achse des Flusskanals) und damit die Brillanz um bis zu einen Faktor 6 steigern lässt, abhängig von der Position des Flusskanals im Moderator.
Verwendet wurde ein zylinderförmiger Moderator aus Beryllium mit einem Radius von r=31cm einer Länge von l=41cm, was einem Volumen von 125 Litern entspricht. Parameterstudien haben gezeigt, dass dieses Volumen einen guten Kompromiss von maximalem thermischen Fluss und technischem Aufwand darstellt. Der Moderator ist umgeben von einer 20 cm dicken Schicht Grafit als Reflektor, wodurch der thermische Fluss an der Oberfläche des Moderators um eine Größenordnung gesteigert werden kann. Die Achse des Zylinders liegt auf der Strahlachse der Primärionen (z.B. Deuterium-Ionen im Energiebereich von etwa 20 MeV Energie), wobei der Reflektor an der Eintrittsstelle der Ionen unterbrochen ist, sodass die durch einen Linearbeschleuniger beschleunigten Ionen auf die Oberfläche des Beryllium-Moderators treffen und in der ersten Schicht von ca. 0,4 cm in Neutronen umgewandelt werden. Dieser Bereich, in dem die Ionen in Neutronen umgewandelt werden, wird Konverter genannt. Im Prinzip kann der Konverter auch weiter in den Moderator hineinverlegt werden. In diesem Fall ist der Konverter auch auf dessen Rückseite von Moderator- und Reflektormaterial umgeben, sodass rückwärts gestreute Neutronen zugunsten des thermischen Gesamtflusses mit größerer Wahrscheinlichkeit im Moderator zu verbleiben. Diese Variante ist allerdings mit einem höheren Konstruktionsaufwand verbunden, da der Konverter in den meisten Fällen aufwändig gekühlt werden muss.
Durch seinen kompakten Aufbau kann der Moderator mit vielen verschiedenen Quellen schneller Neutronen betrieben werden, woraus sich eine hohe Flexibilität für den Einsatz und die Nutzung ergibt. Im Niedrigpreissegment wären kommerzielle fusionsbasierte Neutronengeneratoren zu nennen, die im Wesentlichen ein isotropes Neutronenfeld aufweisen. Um höhere Neutronenintensitäten zu erzielen, kommen Linearbeschleuniger oder Zyklotrone infrage. Sogar hochintensive Kurzpulslaser sind in der Lage, intensive Primärionenstrahlen zu erzeugen, sodass mit solch einem Laser eine noch kompaktere Bauweise der gesamten Anlage erzielt werden kann.
Der Zuwachs des thermischen Flusses in Vorwärtsrichtung an der Öffnung des Flusskanals hängt von der zugrundeliegenden geometrischen Form und Anordnung des Flusskanals im Moderator ab. Es sind verschiedene Anstellwinkel zwischen Flusskanal und Achse des Primärionenstrahls möglich, je nach Einsatzzweck.
Mit einer Neigung von 40° bezüglich der Richtung des Primärionenstrahls lässt sich die thermische Intensität an der Öffnung des Flusskanals in Vorwärtsrichtung um einen Faktor 6 steigern, verglichen mit einer Anordnung ohne Kanal, wie Untersuchungen gezeigt haben. Wenn ein geringerer Anteil schneller Neutronen gewünscht ist, wird der Kanal in einer Ausgestaltung orthogonal zur Einstrahlrichtung der Primärionen positioniert. Die Intensität thermischer Neutronen ist in diesem Fall um einen Faktor 3 stärker.
Der Neutronenfluss kann durch die Wahl des Moderatormaterials stark beeinflusst werden. Infrage kommen Wasser, Grafit, Schwerwasser oder Beryllium, wobei diese Materialien sowohl in der Moderationsfähigkeit wie auch hinsichtlich des Aufwands der Reihe nach ansteigen. Unter Berücksichtigung des wirtschaftlichen und radiologischen Aspektes, Lebensdauer, Strahlenbelastung und des technischen Aufwandes stellt beispielsweise eine Kombination aus Beryllium als Moderator umgeben von einer Schicht Grafit als Reflektor eine bevorzugte Lösung dar.
Der Kanal kann mit einem Blei- oder Saphirfilter ausgestattet werden, um den Fluss an schnellen Neutronen zu unterdrücken, ohne die Intensität thermischer Neutronen in Vorwärtsrichtung wesentlich zu beeinträchtigen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich mehrere Flusskanäle in einem thermischen Moderator bis zu einer bestimmten Anzahl nicht gegenseitig beeinträchtigen müssen. Aus diesem Grund ist es möglich, mehrere Flusskanäle für thermische Neutronen an einem einzelnen Moderatorsystem zu betreiben. Die Kanäle können dabei beispielsweise sternförmig angeordnet sein, sodass die Kanäle in verschiedene Richtungen zwei- oder dreidimensional vom mittleren Bereich im Moderator wegführen können und die verschiedenen Experimente sich in ihrem Platzbedarf nicht einschränken müssen.
Die Figur 1 zeigt einen Moderator 1 mit einem Linearbeschleuniger 2. Am Ende 3 des Strahlrohrs für die Primärionen aus dem Linearbeschleuniger 2 entstehen in einem Konverter Primärneutronen. Das durch den Konverter gebildete Ende 3 des Linearbeschleunigers 2 reicht in den Moderator 1 hinein. In Beschleunigungsrichtung des Linearbeschleunigers befindet sich benachbart zum Ende 3 ein Flussmaximum 4 an thermischen Neutronen. Das Flussmaximum wurde durch Computersimulationen ermittelt. Von diesem Flussmaximum 4 ausgehend erstrecken sich vier als Neutronenleiter ausgestaltete Kanäle 5 in etwa sternförmig bis zur Oberfläche 6 des Moderators 1.
Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform mit sechs Kanälen 5 und mit einer äußeren Hülle 6 zum Beispiel aus Graphit oder Polyethylen.
In diesem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 besteht die Vorrichtung aus einem Linearbeschleuniger, der Deuteronen auf 25 MeV beschleunigt und durch das Rohr 2 auf den Konverter 3 führt, der hier aus einer 0,7 mm dicken Schicht Beryllium besteht. Der Moderator 1 ist ein Zylinder aus Beryllium mit 62 cm Durchmesser und 41 cm Länge. Das Ende von Rohr 2 und der dort befindliche Konverter 3 ist 5 cm tief entlang der Zylinderachse in den Moderator eingelassen. Der Moderator ist von einer 10 cm dicken Reflektorschicht 6 aus Grafit umgeben. Der thermische Neutronenfluss hat bei diesem Aufbau sein Maximum 4 in 15 cm Abstand vom Konverter entlang der Zylinderachse. An dieser Stelle beginnen die sechs Flusskanäle 5, bei denen es sich jeweils um zylindrische Bohrungen mit einem Durchmesser von 2 cm handelt.
In dieser Ausführung haben die Neutronenstrahlen aus den beiden rückwärts gerichteten (zurück in Richtung des lonenstrahls gerichteten) Kanälen eine um den Faktor 1,5 höhere Brillanz als die Neutronen an der Oberfläche des Moderators, die Neutronenstrahlen aus den beiden Kanälen orthogonal zur Zylinderachse eine um den Faktor 3,5 höhere Brillanz als die Neutronen an der Oberfläche des Moderators und die Neutronenstrahlen aus den beiden vorwärts gerichteten Kanälen eine um den Faktor 6 höhere Brillanz als die Neutronen an der Oberfläche eines Moderators gleicher Abmessungen ohne Flusskanäle.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von thermischen Neutronen für Neutronenstreuexperimente umfassend eine beschleuniger- oder lasergetriebene Neutronenquelle (3) und einen Moderator (1) zur Moderation von Neutronen der Neutronenquelle (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kanäle (5) im Moderator (1) vorhanden sind, der bzw. die von einem inneren Bereich (4) im Moderator (1) zur Oberfläche (6) des Moderators (1) führen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der innere Bereich (4) beim oder im Flussmaximum thermischer Neutronen befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Moderator (1) aus einem Feststoff besteht und die Kanäle (5) in den Feststoff hinein gebohrt sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff aus Beryllium besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (4) benachbart zur Neutronenquelle (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutronenquelle ein Konverter (3) am Ende eines Linearbeschleunigers (2) ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich der innere Bereich (4) in Beschleunigungsrichtung des Linearbeschleunigers (2) gesehen hinter dem Linearbeschleuniger befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Neutronenquelle (3) im Moderator (1) befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Moderator ein Volumen von 100-150 Liter aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4-10 Kanäle (5) im Moderator (1) vorhanden sind, die von einem inneren Bereich (4) zur Oberfläche (6) des Moderators (1) führen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser eines jeden Kanals (5) kleiner als das Doppelte der mittleren freien Weglänge der thermischen Neutronen im Moderator ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Moderator (1) mit einer äußeren Hülle aus Graphit oder Polyethylen umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flussmaximum an thermischen Neutronen im Moderator ermittelt wird und Enden der Kanäle (5) im Bereich des ermittelten Flussmaximums angeordnet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Kanäle innen poliert bzw. mit einer polierten Beschichtung ausgekleidet werden.
Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren eines oder mehrerer Kanäle ein Filter aus Blei oder Saphir-Einkristall vorhanden ist, um primäre schnelle Neutronen herauszufiltern.