EP3136401A1 - Device for correcting the longitudinal error of chromatic aberration of radiation of weighted particles - Google Patents

Device for correcting the longitudinal error of chromatic aberration of radiation of weighted particles Download PDF

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EP3136401A1
EP3136401A1 EP16001552.5A EP16001552A EP3136401A1 EP 3136401 A1 EP3136401 A1 EP 3136401A1 EP 16001552 A EP16001552 A EP 16001552A EP 3136401 A1 EP3136401 A1 EP 3136401A1
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EP
European Patent Office
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aperture
neutron
detector
radiation
neutrons
Prior art date
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Application number
EP16001552.5A
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German (de)
French (fr)
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EP3136401B1 (en
Inventor
Sebastian Jaksch
Henrich Frielinghaus
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
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    • G21K1/02Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diaphragms, collimators
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    • G21K1/065Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators using refraction, e.g. Tomie lenses
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    • G21K2201/00Arrangements for handling radiation or particles
    • G21K2201/06Arrangements for handling radiation or particles using diffractive, refractive or reflecting elements
    • G21K2201/068Arrangements for handling radiation or particles using diffractive, refractive or reflecting elements specially adapted for particle beams

Definitions

  • the invention relates to a device for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of radiation of massed particles.
  • the invention further relates to a method for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration.
  • Lenses typically focus only precisely one wavelength in an input aperture, lens and detector system on the detector.
  • the wavelength dependence of the refractive index shifts the focus and thus the location of the ideal image for all other wavelengths in the observed spectrum.
  • the correction of chromatic aberration often requires a complex, aspherical geometry of the lens in imaging systems.
  • the prior art is the correction of chromatic aberration by lens systems with multiple, spherical and aspherical lenses, which should achieve a wavelength-independent focal length of the entire lens system.
  • Lens systems of several, partly aspherical, lenses are expensive and complex to manufacture. Besides, they are sensitive.
  • the neutron small angle scattering is also suitable for investigating the internal structure of samples by irradiation of mass-afflicted particles.
  • a neutron beam is directed from a source onto a sample.
  • One possible arrangement for carrying out the neutron scattering is in Jaksch et al. (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 762 (2014) 22-30 ). From the sample, the neutrons are scattered at a scattering angle on the surface of a detector.
  • a collimator between the neutron source and the sample can be used.
  • the sample is located in the beam direction directly behind the collimator.
  • the collimation of the rays in the collimator is usually not ideal, that is, the diameter of the neutron beam grows along the beam axis in the direction of propagation.
  • the deviation from the ideal collimation, ie the expansion of the neutron beam perpendicular to the beam axis, is indicated by the opening angle of the collimation or short collimation angle.
  • the image is the better, the smaller the ratio of this opening angle to the scattering angle, ie ⁇ / ⁇ .
  • neutron lenses inter alia, lithium fluorine compounds, magnesium fluorine compounds or other magnesium salt compounds, for example between the collimator and the sample.
  • the lens is usually located in the beam direction immediately behind the collimator and immediately in front of the sample.
  • the lens also typically has the same extension as the sample. It may have, among other things, a circular or square or rectangular shape.
  • the dependence of the focal length of the lenses on the wavelength of the neutron radiation in neutron scattering experiments is over Hammouda et al. (J. Appl. Cryst. (2013) .46, 1661-1371 ) known.
  • the effect of chromatic aberration also leads to a worsening of the resolution in the area of neutron scattering.
  • the pixel size of detectors available today necessitates elimination of the longitudinal aberration of the chromatic aberration.
  • US 8735844 For example, there is known a device for correcting chromatic aberration of neutron radiation from an arrangement of Wolter telescope type mirror surfaces. This arrangement consists of several axially symmetric superimposed mirror layers. The neutrons emanating from the neutron source are reflected at the mirror layers and thereby directed to the sample.
  • the device for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of mass-exposed particles comprises at least one lens, at least one detector and at least one aperture with an aperture which is variable in size.
  • a shutter is used whose aperture is changeable while radiation of massed particles passes.
  • the device may comprise at least one collimator for the parallel alignment of the mass of massed particles. This can be arranged along the beam axis behind the diaphragm.
  • the aperture during the passage of the radiation can be chosen so small that radiation which leads to the undesirable longitudinal aberration of the chromatic aberration, is absorbed at the edge of the aperture and can not pass through them in the direction of the sample and the detector.
  • the aperture, the lens and the detector can thus be arranged one after the other within the device starting from the source.
  • a collimator for parallel alignment of the mass of massed particles may be disposed between the source and the lens, source and sample are not part of the device according to the invention.
  • the device according to the invention may comprise at least one aperture disc, so that the aperture is changeable.
  • a variable aperture can, for example, also be effected by components arranged in a right angle at right angles, each having a rectangular cross section, wherein the components can be moved towards one another.
  • components which have a surface with a sawtooth profile and, for example, can be guided along components with a smooth surface are also suitable for this purpose.
  • the aperture has a border, which is formed by four discs.
  • the disks are arranged along the beam axis at a same first distance.
  • the centers of the discs are arranged at a same second distance from the beam axis.
  • the beam axis is in this case the axis of symmetry of the device along which the radiation propagates.
  • the connecting lines between the beam axis and the center points are perpendicular to each other. For each slice, the distance to the center takes on different values along the edge of the slice.
  • the border of the aperture is here to denote the entirety of the edges of the surfaces through which the radiation passes, in the planes perpendicular to the beam direction, in which the aperture disks are arranged.
  • the diaphragm comprises the opening of an iris diaphragm.
  • a further advantageous device is characterized in that the discs each comprise an edge which has the shape of a spiral along a turn, wherein a straight edge between the edge point of the maximum and minimum distance from the center of the respective disc extends.
  • this can be adapted to the velocity distribution of a neutron pulse which passes through the aperture, so that the longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected.
  • the edge of the maximum aperture is formed by the rectilinear edges of four panes in the form of a square.
  • the shape of the aperture corresponds to the cross-section of these neutron guides.
  • a high mechanical stability is advantageously effected inter alia by the fact that the aperture can be changed by a simple rotation of the at least one disc. Furthermore, even in advantageous embodiments of the device, a small number of discs is sufficient in comparison with other forms of diaphragms, such as, for example, the iris diaphragm. In addition, the discs do not touch each other in the beam direction, so that, for example, wear effects due to friction do not occur or to a lesser extent.
  • a high mechanical stability is for example advantageous if the aperture is opened periodically and closed again. This is the case with neutron scattering experiments where the neutron pulses are typically generated at a given frequency. This frequency is typically in the double-digit heart area.
  • the mechanical stability of arrays of rotating disks is well established and reliable Chopper known. The stability must be at least so good that the aperture can be opened and closed in time with the neutron source.
  • the diaphragm advantageously consists of a material which absorbs the neutrons, for example of materials containing boron carbide or lithium or gadolinium.
  • the method for correcting the chromatic aberration in a neutron scattering experiment is carried out with a device which comprises at least one lens, at least one detector and at least one aperture.
  • the size of the aperture is chosen so that the longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected.
  • the device may comprise at least one collimator for the parallel alignment of the mass of massed particles. This can be arranged along the beam axis behind the diaphragm.
  • the focal length of the lenses used is dependent on the wavelength of the massed particles, shown here on the example of neutrons.
  • the surface of the sample typically has a size of up to 5 cm x 5 cm.
  • the distribution of the velocities also determines the distribution of the wavelengths of the neutrons. The smaller the wavelength, the faster the neutrons. Therefore, the smaller their wavelength, the faster they traverse a given distance, for example, between an optional collimator and the sample and between the sample and the detector. After the scattering on the sample, the neutrons with the smallest wavelength reach the detector first. Then follow the slower neutrons in the sequence of increasing wavelengths.
  • the amount of the scattering vector is determined by the wavelength in the radiation and on the other hand by the scattering angles. Especially for small amounts of the scattering vector q, this means that radiation with larger scattering angles is scattered, the smaller the wavelength is. Smaller wavelengths thus correspond with larger scattering angles. For small angle neutron scattering, such small amounts of scattering vector q to typically 2 ⁇ -1 are relevant. For the correction of the chromatic aberration of the neutron scattering in particular small amounts of the scattering vector q up to 0.01 ⁇ -1 are relevant.
  • L 2 denotes the distance between the lens and the detector
  • L 1 denotes the distance between the beam source and the lens
  • r 1 denotes the radius of the source
  • r 2 denotes the radius of the sample, which typically coincides with the radius of the lens
  • denotes the used neutron wavelength
  • ⁇ 0 denotes the wavelength of neutrons for which the rays converge on the surface of the detector in one point
  • denotes the error of the neutron wavelengths, which typically occurs in neutron scattering experiments
  • ⁇ x 3 denotes the width of the detector cell in the x direction.
  • ⁇ x 2 geo L 2 L 1 2 r 1 2 4 + L 1 + L 2 L 1 2 ⁇ S ⁇ ⁇ 0 r 2 2 4 + ⁇ x 3 2 12
  • s ⁇ ⁇ 0 1 - ⁇ ⁇ 0 2 + ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ 0 2 ⁇ ⁇ 0 2 - 1 3 + 1 15 ⁇ ⁇ 0 4 ⁇ ⁇ 4
  • the corresponding equation results by replacing the y-coordinate with the x-coordinate.
  • the width of the variance depends on the radius of the source or on the aperture through which the neutron beam passes before it enters the collimator.
  • the radius r 1 of the aperture can be calculated from equation (4) on the condition that the size of the image of an area which is the size of a pixel of the Detector has, on the detector surface is equal to this pixel size of the detector.
  • the value of the variance [ ⁇ x ] geo must be set equal to the value of the pixel width of the detector.
  • the radius of the aperture as a function of the wavelength, ie r 1 ( ⁇ ), is then determined from equation (4). In this case, approximately [ ⁇ x ] geo ⁇ [ ⁇ y ] geo can advantageously be assumed, ie the variances in the x and y directions are equal.
  • the iris discs are fully or partially rotated as a neutron pulse passes.
  • the neutrons with the smallest wavelength first pass through the aperture. Then follow the neutrons with increasing wavelength.
  • Each rotational adjustment of the discs during the rotation which can be measured for example by a rotation angle, corresponds to a Wavelength of the neutrons.
  • the diaphragm is correspondingly stable in order to meet the requirement according to the invention during the process.
  • the edge point is considered in each case of a disc which lies on the edge of this disc on the connecting line between the center of the disc and the center of the diaphragm aperture.
  • D denotes the distance between the center of a disc and the center of the aperture.
  • d ( ⁇ ) D -r 1 ( ⁇ ).
  • the area of the aperture perpendicular to the beam direction can be assumed to be approximately circular.
  • the dependence of this distance d ( ⁇ ) can be approximated as linear. It then suffices to determine the values of r 1 ( ⁇ ) for the largest and smallest wavelengths used. All other values of r 1 ( ⁇ ) then result from the linear interpolation between these extreme values.
  • the rotation of the discs can be done, for example, by a conventional gear on rotation axes, which are arranged through openings around the centers of the diaphragm discs.
  • Synchronous rotation of the discs may be effected, inter alia, using toothed belt drives or gears, or synchronization of multiple motors by electrical circuitry, for example, with TTL pulses.
  • the size of the aperture must be adjusted so that the size of the image of an area having the size of a pixel of the detector on the detector surface is at most equal to that pixel size of the detector. Then the aberration is due to the chromatic aberration no longer measurable the detector. This is also the case with modern detectors where the height and width of the detector pixels are in the range of millimeters.
  • the maximum possible intensity of the neutron radiation that is to say the maximum possible number of neutrons per time per area, then advantageously passes through the lens while the longitudinal error is suppressed by chromatic aberration.
  • the height and width of the detector pixels can range from 50 ⁇ m to a few centimeters for neutron scattering experiments. Typical widths or heights in the range of 3 mm - 8 mm .
  • the maximum diameter of the aperture typically assumes values of 20 mm - 30 mm .
  • the diaphragm effects correction of the longitudinal aberration of the chromatic aberration, especially at high wavelengths, typically in the range of 10 ⁇ -15 ⁇ .
  • the area of the aperture for this case in this wavelength range is typically a few square centimeters.
  • the reciprocal of the frequency at which neutron pulses are generated may typically be 72 milliseconds. This is the time interval in which the aperture is changed by turning the aperture disks from the maximum aperture to the minimum aperture.
  • the aperture is reduced continuously or stepwise starting from the largest opening.
  • the aperture is advantageously initially selected to be maximally large for small wavelengths and then reduced continuously or stepwise.
  • the intensity of the radiation is greatest at the smallest wavelengths used. Therefore, the intensity distribution of the spectrum is optimally utilized and aberrations due to chromatic aberration at high wavelengths of neutrons, typically in the range of 10 ⁇ , 11 ⁇ , 12 ⁇ , 13 ⁇ , 14 ⁇ , 15 ⁇ , are avoided.
  • the intensity is greatest at small wavelengths, typically in the range of 2 ⁇ - 5 ⁇ , and decreases for longer wavelengths.
  • the neutron lenses usually interact with neutrons of longer wavelengths, so that no aberrations caused by the chromatic aberration for neutrons of small wavelengths.
  • the small wavelength neutrons are scattered into large scattering angles. This can be seen inter alia from equation (1), in particular for small amounts of the scattering vector q with q ⁇ 1 ⁇ -1 . Therefore, the aberration given by the ratio of the opening angle of the collimation to the scattering angle ⁇ / ⁇ is negligible for the small-wavelength neutron. Only the radiation of neutrons of large wavelengths must be further focused by a lens.
  • the refractive index is also much closer to 1 than to longer wavelengths, ie n ⁇ 1 for ⁇ ⁇ 0. This can be seen for example from equation (3). This means, inter alia, that the smaller the wavelength of the respective neutrons, the smaller the effect of the lens becomes.
  • the aperture is advantageously no longer reduced in this wavelength range. It will be for a still usable Particle flow maintain a minimum aperture.
  • This minimum aperture is typically an area of a few square millimeters, typically 2 mm x 2 mm .
  • the region of longer wavelengths is usually above 7.5 ⁇ , in particular in the range of 10 ⁇ -15 ⁇ . Since the intensity of the radiation decreases approximately with the wavelength ⁇ according to ⁇ -4 , measurements of radiation with wavelengths beyond 15 ⁇ are typically only possible with high intensity loss.
  • the signals of the first 10 milliseconds can be erased. Since the fast neutrons are scattered into the outer elements of the detector, the signals of the first 10 milliseconds come only from a noise signal, such as particles that hit the detector surface, but not from the incident on the detector surface neutron pulse.
  • the range of wavelengths of the radiation is limited before passing through the aperture and the lens.
  • This limitation ensures that radiation hits the aperture in the desired range of wavelengths.
  • this also removes particles from earlier or later neutron pulses, for example particularly slow particles from an earlier neutron pulse or particularly fast particles from a later neutron pulse.
  • the individual neutron pulses have, inter alia, a comparable number of neutrons.
  • At least one chopper in particular a T0 chopper, can be used.
  • This consists for example of a rotor with rotor blades, which block the neutron beam.
  • the rotor blades have openings or gaps through which the neutron beam can pass.
  • the rotor can advantageously rotate at the same frequency with which the neutron pulses are generated.
  • a plurality of along the beam axis at a distance arranged choppers are used, which rotate synchronously.
  • the openings or gaps of the rotor blades of the various choppers can be arranged rotated against each other, as known from the prior art.
  • the time interval in which the aperture is changed by rotating the aperture discs from the maximum aperture to the minimum aperture and back to the maximum aperture is determined by the reciprocal of the frequency at which the neutron pulses are emitted from the neutron source.
  • the maximum aperture is then advantageously set at the same frequency at which the neutron pulses are generated in the neutron source.
  • the time interval in which the aperture is changed by rotating the aperture disks from the maximum aperture to the minimum aperture is advantageously determined by the reciprocal of the rotational frequency of the T0 chopper.
  • the maximum aperture is bordered by the four straight edges of the aperture disks.
  • the synchronous rotation of the discs the aperture is minimized starting from the maximum aperture.
  • the full angle ie a rotation through 360 °, there is a sudden transition from the minimum to the maximum aperture.
  • the respective closing of the diaphragm opening after the generation of a neutron pulse is only delayed after the lapse of a time interval.
  • This time interval advantageously results as the quotient of the distance between the neutron source and the diaphragm on the one hand and, on the other hand, the speed of the fastest neutron in the respective neutron pulse which is to pass through the diaphragm aperture.
  • the shutter is started only after the fastest neutrons of a pulse have passed through the diaphragm opening in the direction of the sample.
  • the shutter mechanism of the diaphragm advantageously operates isochronously with the neutron source and the time of flight of the fastest neutrons in the respective neutron pulse correspondingly out of phase with the neutron source.
  • the neutron source emits neutron pulses at a frequency of 14 Hz.
  • the duration of the emission of a single neutron pulse may be 2.4 milliseconds.
  • neutrons of different wavelengths or velocities are emitted from the neutron source, the statistical distribution of the velocities in the neutron pulse following the Maxwell distribution.
  • the neutrons move in the neutron pulse along the beam axis in the direction of the diaphragm or lens.
  • known neutron guides can be used for the alignment of the neutron pulse.
  • the four diaphragm discs rotate with a spiral edge synchronously with a same such sense of rotation that the aperture is reduced, for example, levorotatory.
  • the synchronous rotation of the diaphragm discs can be done via a conventional gear, for example via a toothed belt transmission or gears.
  • the disks are rotated by 360 ° in a first time interval which corresponds to the reciprocal of the frequency with which the neutron source emits neutron pulses. This value is 71.4 milliseconds in this example.
  • the aperture disks have rotated 360 °.
  • the rotation The slices are isochronous with the time intervals between the start times of the emissions of the neutron pulses from the neutron source.
  • the closing of the diaphragm opening is started only after a second time interval, when the fastest neutrons of the neutron pulse have reached the diaphragm opening.
  • the closing of the aperture thus occurs out of phase with the emission of neutron pulses from the neutron source.
  • the second time interval which describes this time delay, advantageously results as a quotient of the distance between the neutron source and the diaphragm on the one hand and, on the other hand, the speed of the fastest neutron in the respective neutron pulse.
  • the aperture disks are rotated synchronously continuously, wherein a rotation of 360 ° in the first time interval and from the maximum aperture to the emission of the neutron pulses by the second time interval is offset in time.
  • the fastest neutrons from the neutron pulse pass through the aperture when this is maximum.
  • the slower neutrons pass through the sequence of increasing wavelengths, while the aperture is continuously reduced by rotating the aperture disks to a minimum aperture.
  • the neutrons of a pulse have passed through the aperture.
  • the maximum aperture for the fastest neutron of the next neutron pulse is set again. This advantageously causes the neutrons with such wavelengths that a longitudinal aberration of the chromatic aberration is caused to be absorbed at the edge of the aperture.
  • the massed particles, in particular neutrons After the massed particles, in particular neutrons, have passed through the aperture, they are focused by at least one lens whose longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected by the use of the aperture, and then strike the surface of at least one detector.
  • the diaphragm is thus arranged in front of the lens and these in turn are arranged in front of the detector.
  • these samples are typically located along the beam axis behind the lens.
  • the neutrons are then scattered by the lens on the sample after focusing, and then strike the detector surface.
  • a collimator between the neutron source and the sample can be used.
  • the sample is located along the beam axis immediately behind the collimator.
  • the range of wavelengths of radiation may be limited prior to passing through the aperture and the lens by using known choppers.
  • the choppers can rotate 360 ° in the first time interval.
  • the rotation is isochronous with the emission of neutron pulses from the neutron source.
  • the rotation of the chopper can take place offset in time to the emission of the neutron pulses from the neutron source.
  • the sample is arranged as close as possible behind the lens. This advantageously has the effect that part of the radiation is scattered by the sample and that the information about properties of the sample in the scattering image is clearest.
  • the aperture used is in FIG. 1 shown.
  • an iris diaphragm is possible.
  • the aperture 5 has a border, which is formed by four discs 1, 2, 3, 4, which are arranged along the beam axis at a same first distance, wherein the discs each have a center.
  • the center of a disk is here indicated as 7 representative of the centers of all disks.
  • the discs may advantageously have an opening in their middle.
  • the connecting lines between the beam axis and the center points are perpendicular to each other. For each slice, due to the spiral shape of the slice, the distance to the center along the edge takes on different values.
  • the disks each comprise an edge which is in the form of a spiral along a winding, with a rectilinear edge extending between the edge point of the maximum and minimum distance from the center 7 of the respective disk.
  • the straight edge of a disc is representative of the rectilinear Edges of all discs labeled 6.
  • the edge of a disk is here called 8 representative of the edge of all disks.
  • the discs are rotated synchronously in a rotational direction such that the aperture is reduced starting from the maximum aperture. In the FIG. 1 this is done by a rotation with left orientation. This is shown in the figure by an arrow over disc 2. For reasons of clarity, the direction of rotation is shown only for disc 2, but all other discs are rotated synchronously with disc 2 with the same direction of rotation.
  • the aperture B is introduced in a neutron scattering in the beam path such that by rotation of the discs 1, 2, 3, 4, the aperture, through which the neutrons fly, is adapted in size.
  • the preferred position here is the longest possible collimation distance of the structure, in neutron instruments about 20 m.
  • the lens L is mounted directly in front of the sample P.
  • the disks 1, 2, 3, 4 must be constructed of a material which absorbs the bulked particles to function as an effective diaphragm, for example boron carbide for neutrons, metals / conductive materials for electrons.
  • the curvature of the curve of the edge is to be chosen in a way that the opening profile for each wavelength optimum imaging properties are achieved.
  • the imaging properties are optimal in the experiment when the image of a point in the size of a detector pixel when imaged on the detector does not exceed the size of that pixel. Thus, a maximum intensity can be achieved at the same time with the best possible resolution.
  • the height and width of the detector pixels was in the range of a few centimeters for detectors previously used in neutron scattering experiments. Meanwhile, detectors are typically used in which the height and width of the detector pixels in the range of a few millimeters. This leads to a higher requirement for the resolution of the imaging methods.
  • the necessary prerequisite for the sensible use of the diaphragm system or lens system is either a pulsed source or a T0 chopper, so that a particle packet is optimally cut for each cycle of the diaphragm.
  • the same considerations as for neutrons can be applied to scattering using all mass-bearing particles, for example electrons. This particularly concerns systems in which pulses of particles are generated and used for imaging processes.
  • FIG. 2 a device according to the invention for correcting chromatic aberration is shown for neutron scattering experiments, in which the use of the diaphragm system brings an advantage.
  • the diaphragm B is arranged 20 m in front of the sample P and the lens L directly in front of the sample P.
  • the lens diameter L corresponds approximately to the sample diameter P.
  • the detector D can be optimally positioned depending on the resolution. The optimum position of the detector is determined by the desired angle coverage by the scattering angle.
  • a thin and a wide collimator with choppers C at 11.5, 14.5 and 21.5 m, the position of the sample P and the detector tube D can be seen.
  • a thin collimator K “ 1" with a length of 8 m is positioned in front of the first chopper C, while the wide collimator K “ 2" follows with a length of 12 m behind it.
  • the total distance between detector D and sample P is 20 m.
  • the diaphragm system B can be arranged 20 m in front of the sample, the lens L is then located directly in front of the sample P and the detector D in the detector tank on the right.
  • the frequency with which the neutron pulses are generated in the neutron source is 14 Hz in this exemplary embodiment.
  • the time duration with which the individual pulses are generated in the neutron source is 2.8 milliseconds.
  • the length of time that the neutron pulses pass through the aperture is about the inverse of the frequency of 14 Hz at about 72 milliseconds.
  • the diaphragm B is reduced from the largest aperture opening to the minimum aperture and then increased again to the maximum aperture.
  • the height and width of the pixels in this version are each 3 mm.
  • the size of the sample is 1 cm ⁇ 1 cm .
  • the choppers limit the wavelengths of the neutron radiation that reaches the sample, typically to a range of 2 ⁇ to 15 ⁇ .
  • the time interval between the generation of the neutron pulse and the closing of the aperture is typically 2-3 milliseconds here. This time interval is determined by the time it takes for the fastest neutrons to pass from the neutron source to the aperture.
  • FIG. 3 A simulation showing the improvement through the aperture is in FIG. 3 to see.
  • the improvement of the resolution by the aperture system is shown by a simulation of three delta peaks per logarithmic decade at SKADI.
  • the aperture With a reasonable choice of the aperture as a function of the time of flight of the neutrons, the resolution can be significantly improved (data curve 32 against data curve 31).
  • the simulation was performed for the same number of neutrons for all instrument settings.
  • the normalized intensity of the scattered radiation of neutrons is shown as a function of the magnitude of the scattering vector q, which is plotted logarithmically.
  • Each delta peak or environment of a maximum of one of the illustrated data curves would be infinitely sharp or narrow at ideal resolution. The widening of the peaks reveals the resolution, the narrower the peak, the better better is the resolution. Shown here are three delta peaks per logarithmic decade.
  • the aperture is maximally open for small wavelengths with ⁇ 7.5 ⁇ or large amounts of the scattering vector q and is then closed further with increasing values of the wavelengths or smaller amounts of the scattering vector q.
  • the number of neutrons in the simulation calculations was 10 9 / ( s cm 2 ).
  • the data curve 31 shows the case that no lens and a small aperture of 2 mm ⁇ 2 mm are used.
  • the data curve 32 simulates the case of using a lens with a changed aperture depending on the wavelength.
  • the narrowness or “sharpness" of the peaks, and thus the resolution, is significantly more pronounced than in the data curve 31, in particular at values q ⁇ 0.01 ⁇ -1 .

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration von Strahlung massebehafteter Teilchen umfassend mindestens eine Linse (L), mindestens einen Detektor (D) und mindestens eine Blende (B) mit einer Blendenöffnung (5), welche in der Größe veränderbar ist. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Korrektur der chromatischen Aberration.The invention relates to a device for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of radiation of massed particles comprising at least one lens (L), at least one detector (D) and at least one diaphragm (B) with an aperture (5) which is variable in size , The invention further relates to methods for correcting the chromatic aberration.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration von Strahlung massebehafteter Teilchen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration.The invention relates to a device for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of radiation of massed particles. The invention further relates to a method for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration.

Stand der TechnikState of the art

Es ist bekannt, dass Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge durch Linsen in der Regel an unterschiedlichen Brennpunkten fokussiert wird. Hierbei handelt es sich um den Längsfehler der chromatischen Aberration. Vor und nach dem jeweiligen Brennpunkt divergieren die Strahlen für jede Wellenlänge in kegelförmiger Weise. Daher werden Punkte nur für eine Wellenlänge durch eine Linse mit chromatischer Aberration als Punkte abgebildet. Für alle anderen Wellenlängen entsteht eine Unschärfe der Abbildung. Punkte werden als Scheibchen abgebildet.It is known that radiation of different wavelengths is usually focused by lenses at different focal points. This is the longitudinal error of the chromatic aberration. Before and after the respective focal point, the rays diverge for each wavelength in a conical manner. Therefore, dots are imaged as dots only for one wavelength by a lens with chromatic aberration. For all other wavelengths blurring of the image arises. Points are displayed as slices.

Linsen bilden typischerweise nur genau eine Wellenlänge in einem System aus Eingangsblende, Linse und Detektor scharf auf dem Detektor ab. Die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex verschiebt den Brennpunkt und damit den Ort der idealen Abbildung für alle anderen Wellenlängen im beobachteten Spektrum.Lenses typically focus only precisely one wavelength in an input aperture, lens and detector system on the detector. The wavelength dependence of the refractive index shifts the focus and thus the location of the ideal image for all other wavelengths in the observed spectrum.

Verfahren zur Korrektur der chromatischen Aberration sind bekannt, zum Beispiel die Verwendung von Systemen aus Linsen mit verschiedenen Brechzahlen in sogenannten Achromaten oder Apochromaten.Methods for correcting the chromatic aberration are known, for example the use of systems of lenses with different refractive indices in so-called achromats or apochromats.

Die Korrektur chromatischer Aberration macht bei abbildenden Systemen häufig eine komplexe, asphärische Geometrie der Linse notwendig. Stand der Technik ist die Korrektur chromatischer Aberration durch Linsensysteme mit mehreren, sphärischen und asphärischen Linsen, die eine möglichst wellenlängenunabhängige Brennweite des gesamten Linsensystems erreichen sollen. Linsensysteme aus mehreren, teils asphärischen, Linsen sind teuer und komplex in der Herstellung. Außerdem sind sie empfindlich.The correction of chromatic aberration often requires a complex, aspherical geometry of the lens in imaging systems. The prior art is the correction of chromatic aberration by lens systems with multiple, spherical and aspherical lenses, which should achieve a wavelength-independent focal length of the entire lens system. Lens systems of several, partly aspherical, lenses are expensive and complex to manufacture. Besides, they are sensitive.

Auch für Neutronenstrahlung tritt der Effekt der chromatischen Aberration auf. Eine optimale Auflösung bei abbildenden Verfahren mit einer solchen Strahlung liegt vor, wenn bei Proben mit einer kristallinen Struktur diese Struktur in der Abbildung als Gitter aus punktförmigen Interferenzmaxima sichtbar wird. Die Auflösung ist umso besser, je näher zwei Interferenzmaxima beieinander liegen können, die nach der Abbildung durch das abbildende Verfahren voneinander unterscheidbar sind. Die chromatische Aberration, insbesondere der Längsfehler, führt zu einer scheibchenförmigen Vergrößerung dieser Interferenzmaxima während des abbildenden Verfahrens.Also for neutron radiation, the effect of chromatic aberration occurs. An optimal resolution in imaging processes with such a radiation is when, in the case of samples having a crystalline structure, this structure is visible in the image as a lattice of punctiform interference maxima. The closer the two interference maxima can be to each other, which are distinguishable from each other after imaging by the imaging method, the better the resolution. The chromatic aberration, in particular the longitudinal error, leads to a disk-shaped enlargement of these interference maxima during the imaging process.

Zur Untersuchung der inneren Struktur von Proben durch Strahlung massebehafteter Teilchen eignet sich insbesondere auch die Neutronenkleinwinkelstreuung. Bei Experimenten zur Neutronenstreuung wird ein Neutronenstrahl aus einer Quelle auf eine Probe gelenkt. Eine mögliche Anordnung zur Durchführung der Neutronenstreuung ist in Jaksch et al. (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 762 (2014) 22-30 ) angegeben. Von der Probe werden die Neutronen unter einem Streuwinkel auf die Oberfläche eines Detektors gestreut.In particular, the neutron small angle scattering is also suitable for investigating the internal structure of samples by irradiation of mass-afflicted particles. In neutron scattering experiments, a neutron beam is directed from a source onto a sample. One possible arrangement for carrying out the neutron scattering is in Jaksch et al. (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 762 (2014) 22-30 ). From the sample, the neutrons are scattered at a scattering angle on the surface of a detector.

Zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs der Neutronenstrahlen kann ein Kollimator zwischen der Neutronenquelle und der Probe verwendet werden. Die Probe befindet sich dabei in Strahlrichtung unmittelbar hinter dem Kollimator. Die Kollimation der Strahlen im Kollimator gelingt in der Regel nicht ideal, das heißt der Durchmesser des Neutronenstrahls wächst entlang der Strahlachse in Richtung der Propagation an. Die Abweichung von der idealen Kollimation, also die Aufweitung des Neutronenstrahls senkrecht zur Strahlachse, wird durch den Öffnungswinkel der Kollimation oder kurz Kollimationswinkel angegeben. Die Abbildung ist umso besser, je kleiner das Verhältnis dieses Öffnungswinkels zu dem Streuwinkel, also α/ϑ ist.To generate a parallel beam path of the neutron beams, a collimator between the neutron source and the sample can be used. The sample is located in the beam direction directly behind the collimator. The collimation of the rays in the collimator is usually not ideal, that is, the diameter of the neutron beam grows along the beam axis in the direction of propagation. The deviation from the ideal collimation, ie the expansion of the neutron beam perpendicular to the beam axis, is indicated by the opening angle of the collimation or short collimation angle. The image is the better, the smaller the ratio of this opening angle to the scattering angle, ie α / θ.

Es ist bekannt, bei Neutronenstreuexperimenten zur Untersuchung der Proben mit einer Frequenz Neutronenpulse mit Neutronen verschiedener Wellenlängen zu erzeugen. Die statistische Verteilung der Geschwindigkeiten der Neutronen in einem solchen Puls folgt dabei der Maxwellverteilung. Nach der Streuung an der Probe erreichen die Neutronen den Detektor.It is known to generate neutron pulses with neutrons of different wavelengths in neutron scattering experiments for examining the samples at one frequency. The statistical distribution of the velocities of neutrons in one such pulse follows the Maxwell distribution. After scattering on the sample, the neutrons reach the detector.

Zu einer besseren Fokussierung des Strahles ist es bekannt, Neutronenlinsen, unter anderem aus Lithium-Fluor-Verbindungen, Magnesium-Fluor-Verbindungen oder anderen Magnesium-Salz-Verbindungen zu verwenden, zum Beispiel zwischen dem Kollimator und der Probe. Die Linse befindet sich dabei in der Regel in Strahlrichtung unmittelbar hinter dem Kollimator und unmittelbar vor der Probe. Die Linse hat ferner in der Regel die gleiche Ausdehnung wie die Probe. Sie kann unter anderem eine kreisförmige oder quadratische oder rechteckige Form haben. Die Abhängigkeit der Brennweite der Linsen von der Wellenlänge der Neutronenstrahlung in Neutronenstreuexperimenten ist aus Hammouda et al. (J. Appl. Cryst. (2013).46,1361-1371 ) bekannt. Der Effekt der chromatischen Aberration führt auch im Bereich der Neutronenstreuung zu einer Verschlechterung der Auflösung. Die Pixelgröße von heutzutage zur Verfügung stehenden Detektoren machen eine Beseitigung des Längsfehlers der chromatischen Aberration notwendig.For a better focusing of the beam, it is known to use neutron lenses, inter alia, lithium fluorine compounds, magnesium fluorine compounds or other magnesium salt compounds, for example between the collimator and the sample. The lens is usually located in the beam direction immediately behind the collimator and immediately in front of the sample. The lens also typically has the same extension as the sample. It may have, among other things, a circular or square or rectangular shape. The dependence of the focal length of the lenses on the wavelength of the neutron radiation in neutron scattering experiments is over Hammouda et al. (J. Appl. Cryst. (2013) .46, 1661-1371 ) known. The effect of chromatic aberration also leads to a worsening of the resolution in the area of neutron scattering. The pixel size of detectors available today necessitates elimination of the longitudinal aberration of the chromatic aberration.

Aus US 8735844 ist eine Vorrichtung zur Korrektur von chromatischer Aberration von Neutronenstrahlung aus einer Anordnung von Spiegelflächen nach der Art von Wolter-Teleskopen bekannt. Diese Anordnung besteht aus mehreren axialsymmetrisch übereinander gelagerten Spiegelschichten. Die aus der Neutronenquelle austretenden Neutronen werden an den Spiegelschichten reflektiert und dabei auf die Probe gelenkt.Out US 8735844 For example, there is known a device for correcting chromatic aberration of neutron radiation from an arrangement of Wolter telescope type mirror surfaces. This arrangement consists of several axially symmetric superimposed mirror layers. The neutrons emanating from the neutron source are reflected at the mirror layers and thereby directed to the sample.

In US 6765197 wird zur Korrektur der chromatischen Aberration eine Kombination von Fresnellinsen offenbart, welche entlang der Propagationsachse des Strahls angeordnet sind. Durch die Verwendung einer solchen Kombination von Fresnellinsen kann die chromatische Aberration reduziert werden.In US 6765197 For example, in order to correct the chromatic aberration, a combination of Fresnel lenses arranged along the propagation axis of the beam is disclosed. By using such a combination of Fresnel lenses, the chromatic aberration can be reduced.

In ähnlicher Weise wurden in Oku et al. (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 600 (2009) 100-102 ) Kombinationen von synchron fokussierenden und defokussierenden Linsen vorgeschlagen, um den Effekt der chromatischen Aberration zu verringern.Similarly, in Oku et al. (Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 600 (2009) 100-102 ) Combinations of synchronously focusing and defocusing lenses proposed to reduce the effect of chromatic aberration.

Die Nachteile dieser Vorschläge sind in dem hohen Aufwand und der Anzahl der Verfahrensschritte zur Herstellung der jeweiligen Systeme zu sehen, sowie in der Fehleranfälligkeit durch die Kombination einer Mehrzahl von fein aufeinander abgestimmten Bauelementen innerhalb der Systeme.The disadvantages of these proposals can be seen in the high cost and the number of process steps for the preparation of the respective systems, as well as in the Error-prone due to the combination of a plurality of finely tuned components within the systems.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer einfacher aufgebauten Vorrichtung zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration von Strahlung massebehafteter Teilchen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Korrektur dieses Längsfehlers.The object of the invention is to provide a device of simple construction for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of mass-laden particles of radiation. Another object of the invention is to provide a method for correcting this longitudinal error.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Aufgabe wird gelöst mit der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und dem Verfahren gemäß dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich aus den jeweils hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.The object is achieved with the device according to claim 1 and the method according to the independent claim. Advantageous embodiments for this purpose will become apparent from the respective claims related thereto.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Vorrichtung zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration von Strahlung massebehafteter Teilchen umfasst mindestens eine Linse, mindestens einen Detektor und mindestens eine Blende mit einer Blendenöffnung, welche in der Größe veränderbar ist. Hiermit ist gemeint, dass eine Blende verwendet wird, deren Blendenöffnung veränderbar ist, während Strahlung massebehafteter Teilchen hindurchtritt. Optional kann die Vorrichtung mindestens einen Kollimator zur parallelen Ausrichtung der Strahlung massebehafteter Teilchen umfassen. Dieser kann entlang der Strahlachse hinter der Blende angeordnet sein.The device for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of mass-exposed particles comprises at least one lens, at least one detector and at least one aperture with an aperture which is variable in size. By this is meant that a shutter is used whose aperture is changeable while radiation of massed particles passes. Optionally, the device may comprise at least one collimator for the parallel alignment of the mass of massed particles. This can be arranged along the beam axis behind the diaphragm.

Vorteilhaft kann die Blendenöffnung während des Durchtritts der Strahlung so klein gewählt werden, dass Strahlung, die zu dem unerwünschten Längsfehler der chromatischen Aberration führt, am Rand der Blendenöffnung absorbiert wird und nicht durch diese in Richtung der Probe und des Detektors hindurchtreten kann. Hierdurch wird vorteilhaft bewirkt, dass der Längsfehler korrigiert wird, welcher durch die verschiedenen Wellenlängen der Strahlung verursacht wird.Advantageously, the aperture during the passage of the radiation can be chosen so small that radiation which leads to the undesirable longitudinal aberration of the chromatic aberration, is absorbed at the edge of the aperture and can not pass through them in the direction of the sample and the detector. This advantageously causes the longitudinal error, which is caused by the different wavelengths of the radiation, to be corrected.

Entlang der Strahlachse können somit innerhalb der Vorrichtung von der Quelle ausgehend nacheinander die Blende, die Linse und der Detektor angeordnet sein. Ein Kollimator zur parallelen Ausrichtung der Strahlung massebehafteter Teilchen kann zwischen der Quelle und der Linse angeordnet sein, Quelle und Probe sind kein Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Along the beam axis, the aperture, the lens and the detector can thus be arranged one after the other within the device starting from the source. A collimator for parallel alignment of the mass of massed particles may be disposed between the source and the lens, source and sample are not part of the device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mindestens eine Blendenscheibe umfassen, damit die Blendenöffnung veränderbar ist. Es sind aber auch viele weitere Ausgestaltungsformen möglich. Eine veränderbare Blendenöffnung kann zum Beispiel auch durch paarweise im rechten Winkel angeordnete Bauelemente mit jeweils rechteckigem Querschnitt bewirkt werden, wobei die Bauelemente aufeinander zu bewegt werden können. Zu diesem Zweck verwendbar sind auch Bauelemente, welche eine Oberfläche mit einem Sägezahnprofil haben und zum Beispiel an Bauelementen mit glatter Oberfläche entlanggeführt werden können.The device according to the invention may comprise at least one aperture disc, so that the aperture is changeable. But there are also many other embodiments possible. A variable aperture can, for example, also be effected by components arranged in a right angle at right angles, each having a rectangular cross section, wherein the components can be moved towards one another. Also suitable for this purpose are components which have a surface with a sawtooth profile and, for example, can be guided along components with a smooth surface.

Eine vorteilhafte Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung eine Umrandung aufweist, welche durch vier Scheiben gebildet wird. Die Scheiben sind entlang der Strahlachse in einem gleichen ersten Abstand angeordnet. Die Mittelpunkte der Scheiben sind in einem gleichen zweiten Abstand von der Strahlachse angeordnet. Die Strahlachse ist hierbei die Symmetrieachse der Vorrichtung, entlang derer sich die Strahlung ausbreitet. Die Verbindungslinien zwischen der Strahlachse und den Mittelpunkten stehen senkrecht aufeinander. Bei jeder Scheibe nimmt entlang des Randes der Scheibe der Abstand zum Mittelpunkt verschiedene Werte an. Die Umrandung der Blendenöffnung soll hierbei die Gesamtheit der Ränder der Flächen, durch die die Strahlung hindurchtritt, in den Ebenen senkrecht zur Strahlrichtung bezeichnen, in denen die Blendenscheiben angeordnet sind.An advantageous device is characterized in that the aperture has a border, which is formed by four discs. The disks are arranged along the beam axis at a same first distance. The centers of the discs are arranged at a same second distance from the beam axis. The beam axis is in this case the axis of symmetry of the device along which the radiation propagates. The connecting lines between the beam axis and the center points are perpendicular to each other. For each slice, the distance to the center takes on different values along the edge of the slice. The border of the aperture is here to denote the entirety of the edges of the surfaces through which the radiation passes, in the planes perpendicular to the beam direction, in which the aperture disks are arranged.

In einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Blende die Öffnung einer Irisblende.In an alternative embodiment of the device, the diaphragm comprises the opening of an iris diaphragm.

Durch die unterschiedlichen Werte des Abstandes zwischen Rand und Mittelpunkt kann vorteilhaft auf einfache Weise eine Veränderung der Blendenöffnung durch Drehen der vier Scheiben erreicht werden.Due to the different values of the distance between the edge and the center, it is advantageously possible to easily achieve a change in the diaphragm opening by rotating the four disks.

Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben jeweils einen Rand umfassen, welcher die Form einer Spirale entlang einer Windung aufweist, wobei eine geradlinige Kante zwischen dem Randpunkt des maximalen und minimalen Abstandes vom Mittelpunkt der jeweiligen Scheibe verläuft.A further advantageous device is characterized in that the discs each comprise an edge which has the shape of a spiral along a turn, wherein a straight edge between the edge point of the maximum and minimum distance from the center of the respective disc extends.

Durch die unterschiedlichen Abstände zwischen Rand und Mittelpunkt kann vorteilhaft auf einfache Weise eine Veränderung der Blendenöffnung durch Drehen der Scheiben erreicht werden.Due to the different distances between the edge and the center can be achieved in a simple manner, a change in the aperture by rotating the discs.

Diese kann bei dieser Ausführung an die Geschwindigkeitsverteilung eines Neutronenpulses, welcher durch die Blendenöffnung hindurchtritt, so angepasst werden, dass der Längsfehler der chromatischen Aberration korrigiert wird.In this embodiment, this can be adapted to the velocity distribution of a neutron pulse which passes through the aperture, so that the longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected.

In einer vorteilhaften Vorrichtung wird der Rand der maximalen Blendenöffnung durch die geradlinigen Kanten von vier Scheiben in Form eines Quadrates gebildet. Wenn zum Beispiel Neutronenleiter, welche unter anderem zur Ausrichtung der Neutronenstrahlung aus der Neutronenquelle verwendet werden, einen quadratischen Querschnitt haben, entspricht die Form der Blendenöffnung dem Querschnitt dieser Neutronenleiter.In an advantageous device, the edge of the maximum aperture is formed by the rectilinear edges of four panes in the form of a square. For example, if neutron guides used inter alia to direct neutron radiation from the neutron source have a square cross-section, the shape of the aperture corresponds to the cross-section of these neutron guides.

Eine hohe mechanische Stabilität wird vorteilhaft unter anderem dadurch bewirkt, dass die Blendenöffnung durch eine einfache Drehung der mindestens einen Scheibe verändert werden kann. Ferner genügt auch in vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung eine geringe Zahl von Scheiben im Vergleich zu anderen Formen von Blenden, wie zum Beispiel der Irisblende. Außerdem berühren sich die Scheiben in Strahlrichtung nicht, so dass zum Beispiel Abnutzungseffekte durch Reibung nicht oder in geringerem Maße auftreten.A high mechanical stability is advantageously effected inter alia by the fact that the aperture can be changed by a simple rotation of the at least one disc. Furthermore, even in advantageous embodiments of the device, a small number of discs is sufficient in comparison with other forms of diaphragms, such as, for example, the iris diaphragm. In addition, the discs do not touch each other in the beam direction, so that, for example, wear effects due to friction do not occur or to a lesser extent.

Eine hohe mechanische Stabilität ist zum Beispiel von Vorteil, wenn die Blendenöffnung periodisch geöffnet und wieder geschlossen wird. Dies ist bei Neutronenstreuexperimenten der Fall, in denen die Neutronenpulse typischerweise mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt werden. Diese Frequenz liegt typischerweise im zweistelligen Herzbereich. Die mechanische Stabilität von Anordnungen,rotierender Scheiben ist unter anderem aus gut etablierten und zuverlässig funktionierenden Choppersystemen bekannt. Die Stabilität muss mindestens so gut sein, dass die Blende im Takt der Neutronenquelle geöffnet und geschlossen werden kann.A high mechanical stability is for example advantageous if the aperture is opened periodically and closed again. This is the case with neutron scattering experiments where the neutron pulses are typically generated at a given frequency. This frequency is typically in the double-digit heart area. Among other things, the mechanical stability of arrays of rotating disks is well established and reliable Chopper known. The stability must be at least so good that the aperture can be opened and closed in time with the neutron source.

Die Blende besteht vorteilhaft aus einem Material, welches die Neutronen absorbiert, zum Beispiel aus borkarbid- oder lithium- oder gadolinium-haltigen Materialien.The diaphragm advantageously consists of a material which absorbs the neutrons, for example of materials containing boron carbide or lithium or gadolinium.

Das Verfahren zur Korrektur der chromatischen Aberration in einem Neutronenstreuexperiment erfolgt mit einer Vorrichtung, welche mindestens eine Linse, mindestens einen Detektor und mindestens eine Blende umfasst. Für den jeweiligen Bereich der Wellenlängen der verwendeten Strahlung wird die Größe der Blendenöffnung so gewählt, dass der Längsfehler der chromatischen Aberration korrigiert wird. Optional kann die Vorrichtung mindestens einen Kollimator zur parallelen Ausrichtung der Strahlung massebehafteter Teilchen umfassen. Dieser kann entlang der Strahlachse hinter der Blende angeordnet sein.The method for correcting the chromatic aberration in a neutron scattering experiment is carried out with a device which comprises at least one lens, at least one detector and at least one aperture. For the respective range of wavelengths of the radiation used, the size of the aperture is chosen so that the longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected. Optionally, the device may comprise at least one collimator for the parallel alignment of the mass of massed particles. This can be arranged along the beam axis behind the diaphragm.

Dies bedeutet, dass während des Experiments die Blendenöffnung aktiv an die Wellenlängen der Neutronen angepasst wird. Vorteilhaft wird hierdurch die chromatische Aberration der unerwünschten Wellenlängen verringert.This means that during the experiment the aperture is actively matched to the wavelengths of the neutrons. Advantageously, this reduces the chromatic aberration of the unwanted wavelengths.

Hierzu sind die nachfolgenden Betrachtungen erfindungswesentlich: Die Brennweite der eingesetzten Linsen ist von der Wellenlänge der massebehafteten Teilchen, hier dargestellt am Beispiel der Neutronen abhängig. Die Oberfläche der Probe hat typischerweise eine Größe bis zu 5 cm x 5 cm. Durch die Verteilung der Geschwindigkeiten ist auch die Verteilung der Wellenlängen der Neutronen bestimmt. Dabei sind die Neutronen umso schneller, je kleiner ihre Wellenlänge ist. Je kleiner ihre Wellenlänge ist, desto schneller durchqueren sie daher eine vorgegebene Distanz, zum Beispiel die zwischen einem optionalen Kollimator und der Probe sowie zwischen der Probe und dem Detektor. Nach der Streuung an der Probe erreichen die Neutronen mit der kleinsten Wellenlänge den Detektor zuerst. Dann folgen die langsameren Neutronen in der Abfolge anwachsender Wellenlängen.For this purpose, the following considerations are essential to the invention: The focal length of the lenses used is dependent on the wavelength of the massed particles, shown here on the example of neutrons. The surface of the sample typically has a size of up to 5 cm x 5 cm. The distribution of the velocities also determines the distribution of the wavelengths of the neutrons. The smaller the wavelength, the faster the neutrons. Therefore, the smaller their wavelength, the faster they traverse a given distance, for example, between an optional collimator and the sample and between the sample and the detector. After the scattering on the sample, the neutrons with the smallest wavelength reach the detector first. Then follow the slower neutrons in the sequence of increasing wavelengths.

Der Streuprozess während der Neutronenstreuung lässt sich durch den Streuvektor q beschreiben. Dieser ist definiert als die Differenz zwischen dem Wellenvektor k i einer auf die Probe einlaufenden Welle und dem Wellenvektor k f einer nach dem Streuvorgang auslaufenden Welle: q = kf - ki . Insbesondere lässt sich für elastische Streuvorgänge, wie unter anderem der Neutronenkleinwinkelstreuung, der Betrag des Streuvektors bei einem Streuwinkel 2θ schreiben als: q = 4 π sinθ λ

Figure imgb0001
The scattering process during neutron scattering can be described by the scattering vector q. This is defined as the difference between the wave vector k i of a wave entering the sample and the wave vector k f one after the Scattering expiring wave: q = k f - k i . In particular, for elastic scattering processes, such as, inter alia, the neutron small angle scattering, the amount of the scattering vector can be written at a scattering angle 2θ as: q = 4 π sinθ λ
Figure imgb0001

Der Betrag des Streuvektors bestimmt sich durch die Wellenlänge in der Strahlung und andererseits durch die Streuwinkel. Insbesondere für kleine Beträge des Streuvektors q bedeutet dies, dass Strahlung mit größeren Streuwinkeln gestreut wird, je kleiner die Wellenlänge ist. Kleinere Wellenlängen korrespondieren also mit größeren Streuwinkeln. Für die Neutronenkleinwinkelstreuung sind solche kleinen Beträge des Streuvektors q bis typischerweise 2Å-1 relevant. Für die Korrektur der chromatischen Aberration der Neutronenstreuung sind insbesondere kleine Beträge des Streuvektors q bis zu 0.01Å-1 relevant.The amount of the scattering vector is determined by the wavelength in the radiation and on the other hand by the scattering angles. Especially for small amounts of the scattering vector q, this means that radiation with larger scattering angles is scattered, the smaller the wavelength is. Smaller wavelengths thus correspond with larger scattering angles. For small angle neutron scattering, such small amounts of scattering vector q to typically 2 Å -1 are relevant. For the correction of the chromatic aberration of the neutron scattering in particular small amounts of the scattering vector q up to 0.01 Å -1 are relevant.

Die Brennweite einer Neutronenlinse mit Krümmungsradius R und Brechungsindex n ist gegeben durch: f = R 2 1 n

Figure imgb0002
The focal length of a neutron lens with radius of curvature R and refractive index n is given by: f = R 2 1 - n
Figure imgb0002

Der Brechungsindex ist bei einer atomaren Dichte p, einer Neutronenstreulänge b und einer Neutronenwellenlänge λ gegeben durch: n = 1 ρb 2 π λ 2

Figure imgb0003
The refractive index is given at an atomic density p, a neutron scattering length b and a neutron wavelength λ given by: n = 1 - ρb 2 π λ 2
Figure imgb0003

Zur Beschreibung des Abbildungsfehlers in verschiedene Richtungen wird ein Koordinatensystem eingeführt, dessen x- und y-Achsen in Richtung der Höhe und Breite des Detektors oder eines Detektorpixels verlaufen, der Strahl verläuft in positiver z-Richtung. Außerdem werden folgende Bezeichnungen eingeführt: L 2 bezeichnet den Abstand zwischen Linse und Detektor, L 1 bezeichnet den Abstand zwischen Strahlquelle und Linse, r 1 bezeichnet den Radius der Quelle und r 2 bezeichnet den Radius der Probe, welcher typischerweise mit dem Radius der Linse übereinstimmt, λ bezeichnet die verwendete Neutronenwellenlänge, λ0 bezeichnet die Wellenlänge von Neutronen, für welche die Strahlen auf der Oberfläche des Detektors in einem Punkt zusammenlaufen, Δλ bezeichnet den Fehler der Neutronenwellenlängen, welche typischerweise in Neutronenstreuexperimenten auftritt, Δx 3 bezeichnet die Breite der Detektorzelle in x-Richtung.For describing the aberration in different directions, a coordinate system is introduced whose x and y axes extend in the direction of the height and width of the detector or a detector pixel, the beam is in the positive z-direction. In addition, the following notations are introduced: L 2 denotes the distance between the lens and the detector, L 1 denotes the distance between the beam source and the lens, r 1 denotes the radius of the source and r 2 denotes the radius of the sample, which typically coincides with the radius of the lens , λ denotes the used neutron wavelength, λ 0 denotes the wavelength of neutrons for which the rays converge on the surface of the detector in one point, Δλ denotes the error of the neutron wavelengths, which typically occurs in neutron scattering experiments, Δ x 3 denotes the width of the detector cell in the x direction.

Der geometrische Teil der Varianz der räumlichen Auflösung, welche ein Maß für die Vergrößerung der Abbildung durch den Längsfehler der chromatischen Aberration darstellt, ist in x-Richtung gegeben durch: σ x 2 geo = L 2 L 1 2 r 1 2 4 + L 1 + L 2 L 1 2 S λ λ 0 r 2 2 4 + Δ x 3 2 12

Figure imgb0004
mit s λ λ 0 = 1 λ λ 0 2 + Δλ λ 2 λ λ 0 2 λ λ 0 2 1 3 + 1 15 λ λ 0 4 Δλ λ 4
Figure imgb0005
The geometric part of the variance of the spatial resolution, which is a measure of the magnification of the image by the longitudinal aberration of the chromatic aberration, is given in the x-direction by: σ x 2 geo = L 2 L 1 2 r 1 2 4 + L 1 + L 2 L 1 2 S λ λ 0 r 2 2 4 + Δ x 3 2 12
Figure imgb0004
With s λ λ 0 = 1 - λ λ 0 2 + Δλ λ 2 λ λ 0 2 λ λ 0 2 - 1 3 + 1 15 λ λ 0 4 Δλ λ 4
Figure imgb0005

Für die y-Richtung ergibt sich die entsprechende Gleichung durch Austausch von y-Koordinate gegen die x-Koordinate. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Breite der Varianz vom Radius der Quelle bzw. von der Blendenöffnung abhängt, durch welche der Neutronenstrahl hindurchtritt, bevor er in den Kollimator eintritt.For the y-direction, the corresponding equation results by replacing the y-coordinate with the x-coordinate. Within the scope of the invention, it has been recognized that the width of the variance depends on the radius of the source or on the aperture through which the neutron beam passes before it enters the collimator.

Es wurde ferner erkannt, dass nach Festlegung der Parameter, mit denen die Neutronenstreuung durchgeführt wird, sich aus Gleichung (4) der Radius r 1 der Blendenöffnung berechnen lässt unter der Bedingung, dass die Größe der Abbildung einer Fläche, welche die Größe eines Pixels des Detektors hat, auf der Detektoroberfläche gleich dieser Pixelgröße des Detektors ist. Dies bedeutet, dass in Gleichung (4) der Wert der Varianz [σx] geo gleich dem Wert der Pixelbreite des Detektors gesetzt werden muss. Der Radius der Blendenöffnung in Abhängigkeit von der Wellenlänge, also r 1(λ), ist dann aus Gleichung (4) festgelegt. Hierbei kann vorteilhaft näherungsweise [σ x ] geoy] geo angenommen werden, also dass die Varianzen in x- und y-Richtung gleich sind.It has further been recognized that after determining the parameters with which the neutron scattering is performed, the radius r 1 of the aperture can be calculated from equation (4) on the condition that the size of the image of an area which is the size of a pixel of the Detector has, on the detector surface is equal to this pixel size of the detector. This means that in equation (4) the value of the variance [σ x ] geo must be set equal to the value of the pixel width of the detector. The radius of the aperture as a function of the wavelength, ie r 1 (λ), is then determined from equation (4). In this case, approximately [σ x ] geoy ] geo can advantageously be assumed, ie the variances in the x and y directions are equal.

Die Blendenscheiben werden vollständig oder teilweise gedreht, während ein Neutronenpuls hindurchtritt. Die Neutronen mit kleinster Wellenlänge treten dabei zuerst durch die Blendenöffnung hindurch. Dann folgen die Neutronen mit ansteigender Wellenlänge. Jede Dreheinstellung der Scheiben während der Drehung, welche zum Beispiel durch einen Drehwinkel gemessen werden kann, korrespondiert mit einer Wellenlänge der Neutronen. Die Blende ist entsprechend stabil, um der erfindungsgemäßen Anforderung während des Verfahrens zu genügen.The iris discs are fully or partially rotated as a neutron pulse passes. The neutrons with the smallest wavelength first pass through the aperture. Then follow the neutrons with increasing wavelength. Each rotational adjustment of the discs during the rotation, which can be measured for example by a rotation angle, corresponds to a Wavelength of the neutrons. The diaphragm is correspondingly stable in order to meet the requirement according to the invention during the process.

Für den folgenden erfindungswesentlichen Gedanken wird der Randpunkt jeweils einer Scheibe betrachtet, welcher am Rand dieser Scheibe auf der Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt der Scheibe und dem Mittelpunkt der Blendenöffnung liegt. In diesem Zusammenhang bezeichnet D den Abstand zwischen dem Mittelpunkt einer Scheibe und dem Mittelpunkt der Blendenöffnung. Zu jeder Wellenlänge ergibt sich während der Drehung der Abstand zwischen diesem Randpunkt jeweils einer Scheibe zu dem Mittelpunkt dieser Scheibe als: d(λ) = D - r 1(λ). Dies bestimmt die Form des Bereichs des Randes der Blendenscheibe, welcher für die Änderung der Blendenöffnung beim Durchgang der Neutronen verwendet wird. Wenn die Scheiben während des Durchgangs der Neutronen vollständig gedreht werden, ist der gesamte Verlauf des Randes der Scheibe bestimmt. Vorteilhaft kann hierbei die Fläche der Blendenöffnung senkrecht zur Strahlrichtung näherungsweise als kreisförmig angenommen werden.For the following concept essential to the invention, the edge point is considered in each case of a disc which lies on the edge of this disc on the connecting line between the center of the disc and the center of the diaphragm aperture. In this context, D denotes the distance between the center of a disc and the center of the aperture. At each wavelength, during rotation, the distance between this edge point of each slice is given to the center of that slice as: d (λ) = D -r 1 (λ). This determines the shape of the area of the edge of the aperture disc which is used to change the aperture upon passage of the neutrons. If the disks are completely rotated during the passage of the neutrons, the entire course of the edge of the disk is determined. Advantageously, the area of the aperture perpendicular to the beam direction can be assumed to be approximately circular.

Vorteilhaft kann die Abhängigkeit dieses Abstandes d(λ) als linear approximiert werden. Es genügt dann, die Werte von r 1(λ) für die größte und kleinste verwendete Wellenlänge zu bestimmen. Alle anderen Werte von r 1(λ) ergeben sich dann aus der linearen Interpolation zwischen diesen Extremwerten.Advantageously, the dependence of this distance d (λ) can be approximated as linear. It then suffices to determine the values of r 1 (λ) for the largest and smallest wavelengths used. All other values of r 1 (λ) then result from the linear interpolation between these extreme values.

Die Drehung der Scheiben kann zum Beispiel durch ein übliches Getriebe über Rotationsachsen erfolgen, welche durch Öffnungen um die Mittelpunkte der Blendenscheiben angeordnet sind. Eine synchrone Drehung der Scheiben kann unter anderem unter Verwendung von Zahnriemengetrieben oder Zahnrädern oder eine Synchronisation mehrerer Motoren durch elektrische Schaltungen, zum Beispiel mit TTL-Pulsen, bewirkt werden.The rotation of the discs can be done, for example, by a conventional gear on rotation axes, which are arranged through openings around the centers of the diaphragm discs. Synchronous rotation of the discs may be effected, inter alia, using toothed belt drives or gears, or synchronization of multiple motors by electrical circuitry, for example, with TTL pulses.

Es wurde erkannt, dass die Größe der Blendenöffnung so angepasst werden muss, dass die Größe der Abbildung einer Fläche, welche die Größe eines Pixels des Detektors hat, auf der Detektoroberfläche höchstens gleich dieser Pixelgröße des Detektors ist. Dann ist der Abbildungsfehler durch die chromatische Aberration durch den Detektor nicht mehr messbar. Dies ist auch bei modernen Detektoren der Fall, bei denen die Höhe und Breite der Detektorpixel im Bereich von Millimetern liegt.It has been recognized that the size of the aperture must be adjusted so that the size of the image of an area having the size of a pixel of the detector on the detector surface is at most equal to that pixel size of the detector. Then the aberration is due to the chromatic aberration no longer measurable the detector. This is also the case with modern detectors where the height and width of the detector pixels are in the range of millimeters.

Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass dann vorteilhaft immer noch die maximal mögliche Intensität der Neutronenstrahlung, also die maximal mögliche Anzahl von Neutronen pro Zeit pro Fläche, bei gleichzeitiger Unterdrückung des Längsfehlers durch chromatische Aberration durch die Linse hindurchtritt.It has been recognized within the scope of the invention that the maximum possible intensity of the neutron radiation, that is to say the maximum possible number of neutrons per time per area, then advantageously passes through the lens while the longitudinal error is suppressed by chromatic aberration.

Dies ist zum Beispiel vorteilhaft gegenüber der Möglichkeit, die Abbildungsfehler durch die unterschiedliche Wellenlänge der Neutronen durch eine sehr kleine, fest gewählte Öffnung (unendlich klein für eine vollständige Beseitigung der Abbildungsfehler) zu korrigieren. Je kleiner die Blendenöffnung gewählt wird, desto mehr Intensität der Strahlung geht für die Abbildung verloren. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft bewirkt, dass noch die maximal mögliche Intensität der Neutronenstrahlung, also die maximal mögliche Anzahl von Neutronen pro Zeit pro Fläche, bei gleichzeitiger Unterdrückung des Längsfehlers durch chromatische Aberration durch die Linse hindurchtritt.This is advantageous, for example, over the possibility of correcting the aberrations due to the different wavelength of the neutrons through a very small, fixed aperture (infinitely small for a complete elimination of aberrations). The smaller the aperture is selected, the more intensity of radiation is lost for imaging. By means of the method according to the invention, it is advantageously effected that the maximum possible intensity of the neutron radiation, that is to say the maximum possible number of neutrons per time per area, passes through the lens with simultaneous suppression of the longitudinal error due to chromatic aberration.

Die Höhe und Breite der Detektorpixel kann dabei für Neutronenstreuexperimente von 50 µm bis zu einigen Zentimetern reichen. Typisch sind Breiten bzw. Höhen im Bereich von 3mm - 8 mm. Der maximale Durchmesser der Blendenöffnung nimmt dabei typischerweise Werte von 20 mm - 30 mm an. Die Blende bewirkt insbesondere bei großen Wellenlängen, typischerweise im Bereich von 10 Å - 15 Å, eine Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration. Die Fläche der Blendenöffnung liegt für diesen Fall in diesem Wellenlängenbereich typischerweise bei einigen Quadratzentimetern.The height and width of the detector pixels can range from 50 μm to a few centimeters for neutron scattering experiments. Typical widths or heights in the range of 3 mm - 8 mm . The maximum diameter of the aperture typically assumes values of 20 mm - 30 mm . The diaphragm effects correction of the longitudinal aberration of the chromatic aberration, especially at high wavelengths, typically in the range of 10 Å-15 Å. The area of the aperture for this case in this wavelength range is typically a few square centimeters.

Der Kehrwert der Frequenz, mit der Neutronenpulse erzeugt werden, kann typischerweise bei 72 Millisekunden liegen. Dies ist das Zeitintervall, in dem die Blendenöffnung durch Drehen der Blendenscheiben von der maximalen Öffnung zur minimalen Öffnung verändert wird.The reciprocal of the frequency at which neutron pulses are generated may typically be 72 milliseconds. This is the time interval in which the aperture is changed by turning the aperture disks from the maximum aperture to the minimum aperture.

In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird die Blendenöffnung kontinuierlich oder schrittweise von der größten Öffnung ausgehend verkleinert. Vorteilhaft wird somit jedes Mal während ein Puls von Neutronen hindurchtritt die Blende geschlossen, so dass die Strahlung, welche den Längsfehler der chromatischen Aberration verursacht, am Rand der Blendenöffnung absorbiert wird.In an advantageous embodiment of the method, the aperture is reduced continuously or stepwise starting from the largest opening. Advantageous Thus, each time a pulse of neutrons passes through the shutter is closed so that the radiation causing the longitudinal aberration of the chromatic aberration is absorbed at the edge of the shutter.

Da in einem Neutronenpuls die Neutronen mit kleinen Wellenlängen zuerst durch die Blendenöffnung treten und dann die Neutronen mit zunehmender Wellenlänge, wird die Blendenöffnung vorteilhaft für kleine Wellenlängen zunächst maximal groß gewählt und dann kontinuierlich oder schrittweise verkleinert.Since in a neutron pulse the neutrons with small wavelengths first pass through the aperture and then the neutrons with increasing wavelength, the aperture is advantageously initially selected to be maximally large for small wavelengths and then reduced continuously or stepwise.

Die Intensität der Strahlung ist bei den kleinsten verwendeten Wellenlängen am größten. Daher wird die Intensitätsverteilung des Spektrums optimal ausgenutzt und Abbildungsfehler durch chromatische Aberration bei großen Wellenlängen der Neutronen, typischerweise im Bereich von 10 Å, 11 Å, 12 Å, 13 Å, 14 Å,15 Å, vermieden.The intensity of the radiation is greatest at the smallest wavelengths used. Therefore, the intensity distribution of the spectrum is optimally utilized and aberrations due to chromatic aberration at high wavelengths of neutrons, typically in the range of 10 Å, 11 Å, 12 Å, 13 Å, 14 Å, 15 Å, are avoided.

Im Falle von Neutronenstreuexperimenten ist die Intensität bei kleinen Wellenlängen, typischerweise im Bereich von 2Å - 5 Å, am größten und nimmt für größere Wellenlängen ab. Die Neutronenlinsen wechselwirken auch in der Regel erst mit Neutronen größerer Wellenlängen, so dass für Neutronen kleiner Wellenlängen kein Abbildungsfehler durch die chromatische Aberration entsteht. Ferner werden die Neutronen mit kleiner Wellenlänge in große Streuwinkel gestreut. Dies ist unter anderem an Gleichung (1) zu sehen, insbesondere für kleine Beträge des Streuvektors q mit q < 1 Å-1. Daher ist der Abbildungsfehler, welcher durch das Verhältnis von Öffnungswinkel der Kollimation zu Streuwinkel α/ϑ gegeben ist, für Neutronen kleiner Wellenlängen vernachlässigbar. Erst die Strahlung von Neutronen großer Wellenlängen muss durch eine Linse weiter fokussiert werden. Außerdem liegt durch die quadratische Abhängigkeit für kleinere Wellenlängen auch der Brechungsindex viel näher bei 1 als für größere Wellenlängen, das heißt n → 1 für λ → 0. Dies ist zum Beispiel an Gleichung (3) zu sehen. Dies bedeutet unter anderem, dass die Wirkung der Linse kleiner wird, je kleiner die Wellenlänge der jeweiligen Neutronen ist.In the case of neutron scattering experiments, the intensity is greatest at small wavelengths, typically in the range of 2Å - 5Å, and decreases for longer wavelengths. The neutron lenses usually interact with neutrons of longer wavelengths, so that no aberrations caused by the chromatic aberration for neutrons of small wavelengths. Furthermore, the small wavelength neutrons are scattered into large scattering angles. This can be seen inter alia from equation (1), in particular for small amounts of the scattering vector q with q <1 Å -1 . Therefore, the aberration given by the ratio of the opening angle of the collimation to the scattering angle α / θ is negligible for the small-wavelength neutron. Only the radiation of neutrons of large wavelengths must be further focused by a lens. In addition, due to the quadratic dependence for smaller wavelengths, the refractive index is also much closer to 1 than to longer wavelengths, ie n → 1 for λ → 0. This can be seen for example from equation (3). This means, inter alia, that the smaller the wavelength of the respective neutrons, the smaller the effect of the lens becomes.

Da die Zahl der Teilchen zu größeren Wellenlängen, typischerweise grösser als 15 Å, insbesondere grösser als 17 Å hin stark abnimmt, wird in diesem Wellenlängenbereich die Blendenöffnung vorteilhaft nicht mehr verkleinert. Es wird für einen noch verwertbaren Teilchenfluss eine minimale Blendenöffnung beibehalten. Diese minimale Blendenöffnung liegt in der Regel bei einer Fläche von einigen Quadratmillimetern, typischerweise bei 2 mm × 2 mm. Der Bereich größerer Wellenlängen liegt in der Regel oberhalb von 7,5 Å, insbesondere in einem Bereich von 10 Å - 15 Å. Da die Intensität der Strahlung näherungsweise mit der Wellenlänge λ gemäß λ-4 abfällt, sind Messungen von Strahlung mit Wellenlängen jenseits von 15 Å typischerweise nur unter hohem Intensitätsverlust möglich.Since the number of particles decreases sharply to larger wavelengths, typically greater than 15 Å, in particular greater than 17 Å, the aperture is advantageously no longer reduced in this wavelength range. It will be for a still usable Particle flow maintain a minimum aperture. This minimum aperture is typically an area of a few square millimeters, typically 2 mm x 2 mm . The region of longer wavelengths is usually above 7.5 Å, in particular in the range of 10 Å-15 Å. Since the intensity of the radiation decreases approximately with the wavelength λ according to λ -4 , measurements of radiation with wavelengths beyond 15 Å are typically only possible with high intensity loss.

Zusätzlich können in den Detektorelementen, welche im zentralen Bereich der Detektoroberfläche liegen, die Signale der ersten 10 Millisekunden gelöscht werden. Da die schnellen Neutronen in die äußeren Elemente des Detektors gestreut werden, stammen die Signale der ersten 10 Millisekunden nur aus einem Rauschsignal, etwa von Teilchen, die auf die Detektoroberfläche treffen, aber nicht aus dem auf der Detektoroberfläche auftreffenden Neutronenpuls.In addition, in the detector elements located in the central area of the detector surface, the signals of the first 10 milliseconds can be erased. Since the fast neutrons are scattered into the outer elements of the detector, the signals of the first 10 milliseconds come only from a noise signal, such as particles that hit the detector surface, but not from the incident on the detector surface neutron pulse.

In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird der Bereich der Wellenlängen der Strahlung vor dem Hindurchtreten durch die Blendenöffnung und die Linse begrenzt.In an advantageous embodiment of the method, the range of wavelengths of the radiation is limited before passing through the aperture and the lens.

Durch diese Begrenzung wird sichergestellt, dass Strahlung im gewünschten Bereich von Wellenlängen auf die Blendenöffnung trifft. In dem Fall der Neutronenstreuung werden hierdurch auch Teilchen aus früheren oder späteren Neutronenpulsen entfernt, zum Beispiel besonders langsame Teilchen aus einem früheren Neutronenpuls oder besonders schnelle Teilchen aus einem späteren Neutronenpuls. Dadurch weisen die einzelnen Neutronenpulse unter anderem eine vergleichbare Zahl von Neutronen auf.This limitation ensures that radiation hits the aperture in the desired range of wavelengths. In the case of neutron scattering, this also removes particles from earlier or later neutron pulses, for example particularly slow particles from an earlier neutron pulse or particularly fast particles from a later neutron pulse. As a result, the individual neutron pulses have, inter alia, a comparable number of neutrons.

Hierfür kann vorteilhaft mindestens ein Chopper, insbesondere ein T0-Chopper, verwendet werden. Dieser besteht zum Beispiel aus einem Rotor mit Rotorblättern, welche den Neutronenstrahl blockieren. Die Rotorblätter weisen Öffnungen oder Spalte auf, durch welche der Neutronenstrahl hindurchtreten kann. Der Rotor kann dabei vorteilhaft mit der gleichen Frequenz rotieren, mit der die Neutronenpulse erzeugt werden. Vorteilhaft können mehrere entlang der Strahlachse in einem Abstand angeordnete Chopper verwendet werden, welche synchron rotieren. Die Öffnungen oder Spalte der Rotorblätter der verschiedenen Chopper können dabei gegeneinander verdreht angeordnet sein, wie aus dem Stand der Technik bekannt.For this purpose, advantageously at least one chopper, in particular a T0 chopper, can be used. This consists for example of a rotor with rotor blades, which block the neutron beam. The rotor blades have openings or gaps through which the neutron beam can pass. The rotor can advantageously rotate at the same frequency with which the neutron pulses are generated. Advantageously, a plurality of along the beam axis at a distance arranged choppers are used, which rotate synchronously. The openings or gaps of the rotor blades of the various choppers can be arranged rotated against each other, as known from the prior art.

Vorteilhaft ist das Zeitintervall, in dem die Blendenöffnung durch Drehen der Blendenscheiben von der maximalen Öffnung zur minimalen Öffnung und wieder zurück zur maximalen Blendenöffnung verändert wird, durch den Kehrwert der Frequenz bestimmt, mit dem die Neutronenpulse aus der Neutronenquelle emittiert werden. Die maximale Blendenöffnung wird dann vorteilhaft mit der gleichen Frequenz eingestellt, mit der die Neutronenpulse in der Neutronenquelle erzeugt werden.Advantageously, the time interval in which the aperture is changed by rotating the aperture discs from the maximum aperture to the minimum aperture and back to the maximum aperture, is determined by the reciprocal of the frequency at which the neutron pulses are emitted from the neutron source. The maximum aperture is then advantageously set at the same frequency at which the neutron pulses are generated in the neutron source.

Bei einer kontinuierlichen Neutronenquelle ist das Zeitintervall, in dem die Blendenöffnung durch Drehen der Blendenscheiben von der maximalen Öffnung zur minimalen Öffnung verändert wird, vorteilhaft durch den Kehrwert der Drehfrequenz des T0 Choppers bestimmt.In a continuous neutron source, the time interval in which the aperture is changed by rotating the aperture disks from the maximum aperture to the minimum aperture is advantageously determined by the reciprocal of the rotational frequency of the T0 chopper.

In der vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung mit vier senkrecht zueinander angeordneten Blendenscheiben mit spiralförmigem Rand wird die maximale Blendenöffnung durch die vier geraden Kanten der Blendenscheiben umrandet. Durch die synchrone Drehung der Scheiben wird die Blendenöffnung von der maximalen Blendenöffnung ausgehend minimiert. Beim Erreichen des Vollwinkels, also einer Drehung um 360°, erfolgt ein sprunghafter Übergang von der minimalen zur maximalen Blendenöffnung.In the advantageous embodiment of the device with four mutually perpendicular aperture discs with a spiral edge, the maximum aperture is bordered by the four straight edges of the aperture disks. The synchronous rotation of the discs, the aperture is minimized starting from the maximum aperture. When reaching the full angle, ie a rotation through 360 °, there is a sudden transition from the minimum to the maximum aperture.

Vorteilhaft wird mit dem jeweiligen Schließen der Blendenöffnung nach der Erzeugung eines Neutronenpulses erst nach dem Verstreichen eines Zeitintervalls verzögert begonnen. Dieses Zeitintervall ergibt sich vorteilhaft als Quotient der Strecke zwischen der Neutronenquelle und der Blende einerseits und andererseits der Geschwindigkeit der schnellsten Neutronen in dem jeweiligen Neutronenpuls, welches durch die Blendenöffnung hindurchtreten soll. Danach wird erst mit dem Schließen der Blende begonnen, nachdem die schnellsten Neutronen eines Pulses die Blendenöffnung in Richtung Probe durchtreten haben. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Blendenöffnung so verändert wird, dass die Neutronen mit solchen Wellenlängen, dass ein Längsfehler der chromatischen Aberration verursacht wird, am Rand der Blendenöffnung absorbiert werden.Advantageously, the respective closing of the diaphragm opening after the generation of a neutron pulse is only delayed after the lapse of a time interval. This time interval advantageously results as the quotient of the distance between the neutron source and the diaphragm on the one hand and, on the other hand, the speed of the fastest neutron in the respective neutron pulse which is to pass through the diaphragm aperture. Thereafter, the shutter is started only after the fastest neutrons of a pulse have passed through the diaphragm opening in the direction of the sample. This advantageously has the effect that the aperture is changed so that the neutrons with such wavelengths, that a longitudinal aberration of the chromatic aberration is caused to be absorbed at the edge of the aperture.

Vorteilhaft rotieren in der Vorrichtung der oder die Chopper mit der gleichen Frequenz, mit der die Blende maximal geöffnet wird, und mit der die Neutronenquelle die Neutronen emittiert.Advantageously rotate in the device of the chopper or with the same frequency with which the aperture is opened at maximum, and with which the neutron source emits the neutrons.

Der Schließmechanismus der Blende arbeitet vorteilhaft isochron mit der Neutronenquelle und der Flugzeit der schnellsten Neutronen in dem jeweiligen Neutronenpuls entsprechend phasenverschoben zur Neutronenquelle.The shutter mechanism of the diaphragm advantageously operates isochronously with the neutron source and the time of flight of the fastest neutrons in the respective neutron pulse correspondingly out of phase with the neutron source.

Vorteilhaft rotieren in der Vorrichtung der oder die Chopper mit der gleichen Frequenz, mit der die Blende maximal geöffnet wird, und mit der die Neutronenquelle die Neutronen emittiert.Advantageously rotate in the device of the chopper or with the same frequency with which the aperture is opened at maximum, and with which the neutron source emits the neutrons.

Angenommen, die Neutronenquelle emittiert Neutronenpulse mit einer Frequenz von 14 Hz. Die Dauer der Emission eines einzelnen Neutronenpulses kann bei 2,4 Millisekunden liegen. In diesem Zeitintervall werden aus der Neutronenquelle Neutronen verschiedener Wellenlängen beziehungsweise Geschwindigkeiten emittiert, wobei die statistische Verteilung der Geschwindigkeiten in dem Neutronenpuls der Maxwellverteilung folgt. Nach der Emission aus der Neutronenquelle bewegen sich die Neutronen in dem Neutronenpuls entlang der Strahlenachse in Richtung der Blende beziehungsweise Linse. Zur Ausrichtung des Neutronenpulses können bekannte Neutronenleiter verwendet werden.Suppose the neutron source emits neutron pulses at a frequency of 14 Hz. The duration of the emission of a single neutron pulse may be 2.4 milliseconds. In this time interval, neutrons of different wavelengths or velocities are emitted from the neutron source, the statistical distribution of the velocities in the neutron pulse following the Maxwell distribution. After emission from the neutron source, the neutrons move in the neutron pulse along the beam axis in the direction of the diaphragm or lens. For the alignment of the neutron pulse, known neutron guides can be used.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung drehen sich die vier Blendenscheiben mit spiralförmigem Rand synchron mit einem gleichen solchen Drehsinn, dass die Blendenöffnung verkleinert wird, z.B. linksdrehend. Die synchrone Drehung der Blendenscheiben kann über ein übliches Getriebe, zum Beispiel über ein Zahnriemengetriebe oder über Zahnräder erfolgen. Dabei erfolgt eine Drehung der Scheiben um 360° in einem ersten Zeitintervall, welches dem Kehrwert der Frequenz entspricht, mit dem die Neutronenquelle Neutronenpulse emittiert. Dieser Wert liegt in diesem Beispiel bei 71,4 Millisekunden. Zu jedem Zeitpunkt, an dem die Neutronenquelle einen Neutronenpuls emittiert, haben die Blendenscheiben sich um 360° gedreht. Die Drehung der Scheiben erfolgt isochron mit den Zeitintervallen zwischen den Anfangszeitpunkten der Emissionen der Neutronenpulse aus der Neutronenquelle.In an advantageous embodiment, the four diaphragm discs rotate with a spiral edge synchronously with a same such sense of rotation that the aperture is reduced, for example, levorotatory. The synchronous rotation of the diaphragm discs can be done via a conventional gear, for example via a toothed belt transmission or gears. In this case, the disks are rotated by 360 ° in a first time interval which corresponds to the reciprocal of the frequency with which the neutron source emits neutron pulses. This value is 71.4 milliseconds in this example. Each time the neutron source emits a neutron pulse, the aperture disks have rotated 360 °. The rotation The slices are isochronous with the time intervals between the start times of the emissions of the neutron pulses from the neutron source.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mit dem Schließen der Blendenöffnung, ausgehend von der maximalen Blendenöffnung, erst nach einem zweiten Zeitintervall begonnen, wenn die schnellsten Neutronen des Neutronenpulses die Blendenöffnung erreicht haben. Das Schließen der Blendenöffnung erfolgt also phasenverschoben zu der Emission der Neutronenpulse aus der Neutronenquelle. Das zweite Zeitintervall, welches diese zeitliche Verzögerung beschreibt, ergibt sich vorteilhaft als Quotient der Strecke zwischen der Neutronenquelle und der Blende einerseits und andererseits der Geschwindigkeit des schnellsten Neutrons in dem jeweiligen Neutronenpuls.In an advantageous embodiment, the closing of the diaphragm opening, starting from the maximum diaphragm opening, is started only after a second time interval, when the fastest neutrons of the neutron pulse have reached the diaphragm opening. The closing of the aperture thus occurs out of phase with the emission of neutron pulses from the neutron source. The second time interval, which describes this time delay, advantageously results as a quotient of the distance between the neutron source and the diaphragm on the one hand and, on the other hand, the speed of the fastest neutron in the respective neutron pulse.

Die Blendenscheiben werden synchron kontinuierlich gedreht, wobei eine Drehung um 360° in dem ersten Zeitintervall und ausgehend von der maximalen Blendenöffnung zu der Emission der Neutronenpulse um das zweite Zeitintervall zeitlich versetzt erfolgt. Die schnellsten Neutronen aus dem Neutronenpuls treten durch die Blendenöffnung hindurch, wenn diese maximal ist. Dann treten die langsameren Neutronen in der Abfolge ansteigender Wellenlängen hindurch, während die Blendenöffnung durch Drehen der Blendenscheiben kontinuierlich zu einer minimalen Blendenöffnung hin verkleinert wird. Wenn die minimale Blendenöffnung erreicht ist, sind die Neutronen eines Pulses durch die Blendenöffnung hindurchgetreten. Nun wird durch das Weiterdrehen der Blendenscheiben bewirkt, dass zum Ende des ersten Zeitintervalls wieder die maximale Blendenöffnung für die schnellsten Neutronen des nächsten Neutronenpulses eingestellt ist. Hierdurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Neutronen mit solchen Wellenlängen, dass ein Längsfehler der chromatischen Aberration verursacht wird, am Rand der Blendenöffnung absorbiert werden.The aperture disks are rotated synchronously continuously, wherein a rotation of 360 ° in the first time interval and from the maximum aperture to the emission of the neutron pulses by the second time interval is offset in time. The fastest neutrons from the neutron pulse pass through the aperture when this is maximum. Then, the slower neutrons pass through the sequence of increasing wavelengths, while the aperture is continuously reduced by rotating the aperture disks to a minimum aperture. When the minimum aperture is reached, the neutrons of a pulse have passed through the aperture. Now causes the further rotation of the aperture disks, that at the end of the first time interval, the maximum aperture for the fastest neutron of the next neutron pulse is set again. This advantageously causes the neutrons with such wavelengths that a longitudinal aberration of the chromatic aberration is caused to be absorbed at the edge of the aperture.

Nachdem die massebehafteten Teilchen, insbesondere Neutronen, durch die Blendenöffnung hindurchgetreten sind, werden sie durch mindestens eine Linse fokussiert, deren Längsfehler der chromatischen Aberration durch die Verwendung der Blende korrigiert wird, und treffen dann auf die Oberfläche mindestens eines Detektors.After the massed particles, in particular neutrons, have passed through the aperture, they are focused by at least one lens whose longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected by the use of the aperture, and then strike the surface of at least one detector.

Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit die Blende vor der Linse und diese wiederum vor dem Detektor angeordnet.Preferably, in the device according to the invention, the diaphragm is thus arranged in front of the lens and these in turn are arranged in front of the detector.

Wenn mit Hilfe dieses Verfahrens Strukturen von Proben untersucht werden, sind diese Proben typischerweise entlang der Strahlenachse hinter der Linse angeordnet. Die Neutronen werden dann nach der Fokussierung durch die Linse an der Probe gestreut und treffen dann auf die Detektoroberfläche.When structures of samples are examined using this method, these samples are typically located along the beam axis behind the lens. The neutrons are then scattered by the lens on the sample after focusing, and then strike the detector surface.

Zur Erzeugung eines parallelen Strahlenverlaufs der Neutronenstrahlen kann ein Kollimator zwischen der Neutronenquelle und der Probe verwendet werden. Die Probe befindet sich dabei entlang der Strahlachse unmittelbar hinter dem Kollimator.To generate a parallel beam path of the neutron beams, a collimator between the neutron source and the sample can be used. The sample is located along the beam axis immediately behind the collimator.

Der Bereich der Wellenlängen der Strahlung kann vor dem Hindurchtreten durch die Blendenöffnung und die Linse durch Verwendung von bekannten Choppern begrenzt werden. Vorteilhaft können sich die Chopper in dem ersten Zeitintervall um 360° drehen. Die Drehung erfolgt isochron mit der Emission der Neutronenpulse aus der Neutronenquelle. Vorteilhaft kann die Drehung der Chopper zeitlich versetzt zu der Emission der Neutronenpulse aus der Neutronenquelle erfolgen.The range of wavelengths of radiation may be limited prior to passing through the aperture and the lens by using known choppers. Advantageously, the choppers can rotate 360 ° in the first time interval. The rotation is isochronous with the emission of neutron pulses from the neutron source. Advantageously, the rotation of the chopper can take place offset in time to the emission of the neutron pulses from the neutron source.

Vorteilhaft wird die Probe möglichst nahe hinter der Linse angeordnet. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass ein Teil der Strahlung durch die Probe gestreut wird und die Information über Eigenschaften der Probe im Streubild am deutlichsten sind. Hier kann bei kleiner Wellenlänge mit der maximalen Blendenöffnung gearbeitet werden.Advantageously, the sample is arranged as close as possible behind the lens. This advantageously has the effect that part of the radiation is scattered by the sample and that the information about properties of the sample in the scattering image is clearest. Here you can work at a small wavelength with the maximum aperture.

Ausführunsgbeispiel:Ausführunsgbeispiel:

Nachstehend wird ein konkretes Ausführungsbeispiel mit Neutronen als massebehaftete Teilchen zu der Erfindung ausgeführt. Dieses Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung und ist nicht einschränkend zu verstehen.

  • Figur 1: Stellung der Blendenscheiben bei maximaler Blendenöffnung (a) und bei geschlossenem Zustand der Blende (b).
  • Figur 2: Aufbau zur Durchführung eines Neutronenstreuexperiments, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.
  • Figur 3: Intensität der gestreuten Strahlung von Neutronen als Funktion des Betrags des Streuvektors q für verschiedene Einstellungen der Blendenöffnung.
Hereinafter, a concrete embodiment with neutrons as the bulked particles is carried out to the invention. This example is illustrative of the invention and is not intended to be limiting.
  • FIG. 1 : Position of the aperture discs at maximum aperture (a) and when the aperture (b) is closed.
  • FIG. 2 : Construction for carrying out a neutron scattering experiment, in which the device according to the invention is used.
  • FIG. 3 : Intensity of the scattered radiation of neutrons as a function of the amount of the scattering vector q for different settings of the aperture.

Der folgende Text beschreibt die Ausführung für Blenden zur Korrektur chromatischer Aberration bei massebehafteten Teilchen, hier Neutronen.The following text describes the design for apertures to correct chromatic aberration in mass-afflicted particles, here neutrons.

Die verwendete Blende ist in Figur 1 dargestellt. Alternativ ist auch eine Irisblende möglich. Die Blendenöffnung 5 weist eine Umrandung auf, welche durch vier Scheiben 1, 2, 3, 4 gebildet wird, welche entlang der Strahlachse in einem gleichen ersten Abstand angeordnet sind, wobei die Scheiben je einen Mittelpunkt aufweisen. Der Mittelpunkt einer Scheibe ist hier stellvertretend für die Mittelpunkte aller Scheiben mit 7 gekennzeichnet. Die Scheiben können vorteilhaft in ihrer Mitte eine Öffnung aufweisen.The aperture used is in FIG. 1 shown. Alternatively, an iris diaphragm is possible. The aperture 5 has a border, which is formed by four discs 1, 2, 3, 4, which are arranged along the beam axis at a same first distance, wherein the discs each have a center. The center of a disk is here indicated as 7 representative of the centers of all disks. The discs may advantageously have an opening in their middle.

Die Verbindungslinien zwischen der Strahlachse und den Mittelpunkten stehen senkrecht aufeinander. Bei jeder Scheibe nimmt aufgrund der Spiralform der Scheibe der Abstand zum Mittelpunkt entlang des Randes verschiedene Werte an.The connecting lines between the beam axis and the center points are perpendicular to each other. For each slice, due to the spiral shape of the slice, the distance to the center along the edge takes on different values.

Die Scheiben umfassen jeweils einen Rand, welcher die Form einer Spirale entlang einer Windung aufweist, wobei eine geradlinige Kante zwischen dem Randpunkt des maximalen und minimalen Abstandes vom Mittelpunkt 7 der jeweiligen Scheibe verläuft. Die geradlinige Kante einer Scheibe wird hier stellvertretend für die geradlinigen Kanten aller Scheiben mit 6 bezeichnet. Der Rand einer Scheibe wird hier stellvertretend für den Rand aller Scheiben mit 8 bezeichnet.The disks each comprise an edge which is in the form of a spiral along a winding, with a rectilinear edge extending between the edge point of the maximum and minimum distance from the center 7 of the respective disk. The straight edge of a disc is representative of the rectilinear Edges of all discs labeled 6. The edge of a disk is here called 8 representative of the edge of all disks.

Die Scheiben werden synchron in eine Drehrichtung gedreht derart, dass die Blendenöffnung ausgehend von der maximalen Blendenöffnung verkleinert wird. In der Figur 1 erfolgt dies durch eine Drehung mit Linksorientierung. Diese wird in der Figur durch einen Pfeil über Scheibe 2 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird die Drehrichtung nur für Scheibe 2 gezeigt, alle anderen Scheiben werden aber synchron mit Scheibe 2 mit dem gleichen Drehsinn gedreht.The discs are rotated synchronously in a rotational direction such that the aperture is reduced starting from the maximum aperture. In the FIG. 1 this is done by a rotation with left orientation. This is shown in the figure by an arrow over disc 2. For reasons of clarity, the direction of rotation is shown only for disc 2, but all other discs are rotated synchronously with disc 2 with the same direction of rotation.

Die Blende B wird bei einer Neutronenstreuung derart in den Strahlengang eingebracht, dass durch Drehung der Scheiben 1, 2, 3, 4 die Apertur, durch welche die Neutronen fliegen, in ihrer Größe angepasst wird.The aperture B is introduced in a neutron scattering in the beam path such that by rotation of the discs 1, 2, 3, 4, the aperture, through which the neutrons fly, is adapted in size.

Die vorzugsweise Position ist hierbei die längstmögliche Kollimationsstrecke des Aufbaus, in Neutroneninstrumenten ca. 20 m. Die Linse L ist dabei direkt vor der Probe P angebracht.The preferred position here is the longest possible collimation distance of the structure, in neutron instruments about 20 m. The lens L is mounted directly in front of the sample P.

Die Scheiben 1, 2, 3, 4 müssen aus einem Material konstruiert sein, das die massebehafteten Teilchen absorbiert, um als effektive Blende zu funktionieren, zum Beispiel Borkarbid für Neutronen, Metalle/leitende Materialien für Elektronen. Die Krümmung der Kurve des Randes ist in einer Art zu wählen, dass das Öffnungsprofil für jede Wellenlänge optimale Abbildungseigenschaften erreicht werden. Die Abbildungseigenschaften sind im Experiment dann optimal, wenn die Abbildung eines Punktes in Größe eines Detektorpixels bei der Abbildung auf dem Detektor die Größe dieses Pixels nicht überschreitet. So kann gleichzeitig eine maximale Intensität bei bestmöglicher Auflösung erreicht werden. Die Höhe und Breite der Detektorpixel lag bei früher in Neutronenstreuexperimenten verwendeten Detektoren im Bereich einiger Zentimeter. Mittlerweile werden typischerweise Detektoren verwendet, bei denen Höhe und Breite der Detektorpixel im Bereich einiger Millimeter liegt. Dies führt zu einer höheren Anforderung an die Auflösung der abbildenden Verfahren.The disks 1, 2, 3, 4 must be constructed of a material which absorbs the bulked particles to function as an effective diaphragm, for example boron carbide for neutrons, metals / conductive materials for electrons. The curvature of the curve of the edge is to be chosen in a way that the opening profile for each wavelength optimum imaging properties are achieved. The imaging properties are optimal in the experiment when the image of a point in the size of a detector pixel when imaged on the detector does not exceed the size of that pixel. Thus, a maximum intensity can be achieved at the same time with the best possible resolution. The height and width of the detector pixels was in the range of a few centimeters for detectors previously used in neutron scattering experiments. Meanwhile, detectors are typically used in which the height and width of the detector pixels in the range of a few millimeters. This leads to a higher requirement for the resolution of the imaging methods.

In Neutronenstreuexperimenten mit der Untersuchung von Interferenzmustern kommt eine zusätzliche Überlegung hinzu: Kleine Wellenlängen (schnelle Teilchen) werden zu großen Winkeln abgebildet und umgekehrt. Da Linsen hauptsächlich zu einer Verbesserung der Auflösung bei kleinen Winkeln verwendet werden, kann hier die Blende bei schnellen Teilchen vollständig geöffnet sein und wird dann zugefahren. Da die meisten Neutronenquellen eine Maxwellverteilung mit einem Maximum des Neutronenflusses bei 2-5 Å Wellenlänge haben, kann so der hohe Fluss bei diesen Wellenlängen ausgenutzt werden. Bei den größeren Wellenlängen, die auf kleinere Winkel abgebildet werden, wird die Blende dann zugefahren, um die für kleine Winkel optimalen Abbildungseigenschaften zu erreichen. Ab Erreichen einer gewissen Wellenlänge wird zum einen der Fluss so niedrig und die Auflösung wird nur unwesentlich verbessert, dass eine minimale Öffnung vorteilhaft ist.In neutron scattering experiments with the investigation of interference patterns, an additional consideration is added: small wavelengths (fast particles) become imaged at large angles and vice versa. Since lenses are mainly used to improve the resolution at small angles, the aperture for fast particles can be fully opened here and then closed. Since most neutron sources have a Maxwell distribution with a maximum of neutron flux at 2-5 Å wavelength, the high flux at these wavelengths can be exploited. At the larger wavelengths, which are mapped to smaller angles, the shutter is then closed to achieve the optimum low-angle imaging characteristics. On reaching a certain wavelength, the flow becomes so low and the resolution is only insignificantly improved, so that a minimal opening is advantageous.

Notwendige Voraussetzung zum sinnvollen Einsatz des Blendensystems bzw. Linsensystems ist entweder eine gepulste Quelle oder ein T0-Chopper, so dass für jeden Zyklus der Blende ein Teilchenpaket optimal zugeschnitten wird. Die gleichen Überlegungen wie für Neutronen können bei Streuung unter der Verwendung aller massenbehafteten Teilchen, zum Beispiel Elektronen, angewandt werden. Dies betrifft insbesondere Systeme, in denen Pulse von Teilchen erzeugt und für abbildende Verfahren verwendet werden.The necessary prerequisite for the sensible use of the diaphragm system or lens system is either a pulsed source or a T0 chopper, so that a particle packet is optimally cut for each cycle of the diaphragm. The same considerations as for neutrons can be applied to scattering using all mass-bearing particles, for example electrons. This particularly concerns systems in which pulses of particles are generated and used for imaging processes.

In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Korrektur der chromatischen Aberration für Neutronenstreuexperimente dargestellt, bei dem der Einsatz des Blendensystems einen Vorteil bringt. Dabei wird die Blende B 20 m vor der Probe P angeordnet und die Linse L direkt vor der Probe P. Der Linsendurchmesser L entspricht etwa dem Probendurchmesser P. Der Detektor D kann je nach Auflösung optimal positioniert werden. Die optimale Position des Detektors wird dabei von der gewünschten Winkelabdeckung durch die Streuwinkel bestimmt.In FIG. 2 a device according to the invention for correcting chromatic aberration is shown for neutron scattering experiments, in which the use of the diaphragm system brings an advantage. In this case, the diaphragm B is arranged 20 m in front of the sample P and the lens L directly in front of the sample P. The lens diameter L corresponds approximately to the sample diameter P. The detector D can be optimally positioned depending on the resolution. The optimum position of the detector is determined by the desired angle coverage by the scattering angle.

Von links nach rechts sind entlang der Strahlachse ein dünner und ein breiter Kollimator mit Choppern C bei 11,5, 14,5 und 21,5 m, die Position der Probe P und die Detektorröhre D zu sehen. Ein dünner Kollimator K 1 mit einer Länge von 8 m ist vor dem ersten Chopper C positioniert, während der breite Kollimator K 2 mit einer Länge von 12 m dahinter folgt.From left to right along the beam axis, a thin and a wide collimator with choppers C at 11.5, 14.5 and 21.5 m, the position of the sample P and the detector tube D can be seen. A thin collimator K " 1" with a length of 8 m is positioned in front of the first chopper C, while the wide collimator K " 2" follows with a length of 12 m behind it.

Der gesamte Abstand zwischen Detektor D und Probe P beträgt 20 m. Um die Auflösung zu verbessern kann das Blendensystem B 20 m vor der Probe angeordnet werden, die Linse L befindet sich dann direkt vor der Probe P und der Detektor D im Detektortank rechts.The total distance between detector D and sample P is 20 m. In order to improve the resolution, the diaphragm system B can be arranged 20 m in front of the sample, the lens L is then located directly in front of the sample P and the detector D in the detector tank on the right.

Die Frequenz, mit der die Neutronenpulse in der Neutronenquelle erzeugt werden, liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei 14 Hz. Die Zeitdauer, mit der die einzelnen Pulse in der Neutronenquelle erzeugt werden, liegt hier bei 2,8 Millisekunden. Die Zeitdauer, mit der die Neutronenpulse durch die Blendenöffnung treten, liegt bei etwa dem Kehrwert der Frequenz von 14 Hz bei etwa 72 Millisekunden. In diesem Zeitintervall wird die Blende B von der größten Blendenöffnung ausgehend auf die minimalen Blendenöffnung verkleinert und anschließend wieder auf die maximale Blendenöffnung vergrößert. Die Höhe und Breite der Pixel liegt in dieser Ausführung bei jeweils 3 mm. Die Größe der Probe liegt hier bei 1 cm × 1 cm. Die Chopper begrenzen die Wellenlängen der Neutronenstrahlung, welcher zu der Probe gelangt, typischerweise auf einen Bereich von 2Å bis 15Å. Das Zeitintervall zwischen der Erzeugung des Neutronenpulses und dem Schließen der Blendenöffnung liegt hier typischerweise bei 2 - 3 Millisekunden. Dieses Zeitintervall wird festgelegt durch die Zeit, die die schnellsten Neutronen brauchen, um von der Neutronenquelle zur Blende zu gelangen.The frequency with which the neutron pulses are generated in the neutron source is 14 Hz in this exemplary embodiment. The time duration with which the individual pulses are generated in the neutron source is 2.8 milliseconds. The length of time that the neutron pulses pass through the aperture is about the inverse of the frequency of 14 Hz at about 72 milliseconds. In this time interval, the diaphragm B is reduced from the largest aperture opening to the minimum aperture and then increased again to the maximum aperture. The height and width of the pixels in this version are each 3 mm. The size of the sample is 1 cm × 1 cm . The choppers limit the wavelengths of the neutron radiation that reaches the sample, typically to a range of 2Å to 15Å. The time interval between the generation of the neutron pulse and the closing of the aperture is typically 2-3 milliseconds here. This time interval is determined by the time it takes for the fastest neutrons to pass from the neutron source to the aperture.

Eine Simulation, die die Verbesserung durch die Blende zeigt, ist in Figur 3 zu sehen. Dabei wird die Verbesserung der Auflösung durch das Blendensystem durch eine Simulation von drei Delta Peaks je logarithmischer Dekade bei SKADI gezeigt. Bei einer sinnvollen Wahl der Öffnung als Funktion der Flugzeit der Neutronen lässt sich die Auflösung deutlich verbessern (Datenkurve 32 gegen Datenkurve 31). Die Simulation wurde für die gleiche Anzahl von Neutronen für alle Instrumenteneinstellungen durchgeführt.A simulation showing the improvement through the aperture is in FIG. 3 to see. The improvement of the resolution by the aperture system is shown by a simulation of three delta peaks per logarithmic decade at SKADI. With a reasonable choice of the aperture as a function of the time of flight of the neutrons, the resolution can be significantly improved (data curve 32 against data curve 31). The simulation was performed for the same number of neutrons for all instrument settings.

Es wird die normierte Intensität der gestreuten Strahlung von Neutronen als Funktion des Betrags des Streuvektors q gezeigt, welcher logarithmisch aufgetragen ist. Jeder Delta Peak bzw. jede Umgebung eines Maximums einer der dargestellten Datenkurven wäre bei idealer Auflösung unendlich scharf bzw. schmal. An der Verbreiterung der Peaks lässt sich die Auflösung erkennen, je schmaler der Peak ist, desto besser ist die Auflösung. Gezeigt sind hier drei Delta Peaks pro logarithmischer Dekade.The normalized intensity of the scattered radiation of neutrons is shown as a function of the magnitude of the scattering vector q, which is plotted logarithmically. Each delta peak or environment of a maximum of one of the illustrated data curves would be infinitely sharp or narrow at ideal resolution. The widening of the peaks reveals the resolution, the narrower the peak, the better better is the resolution. Shown here are three delta peaks per logarithmic decade.

Die Blende ist maximal offen für kleine Wellenlängen mit λ 7,5 Å bzw. große Beträge des Streuvektors q und wird dann mit wachsenden Werten der Wellenlängen bzw. kleineren Beträgen des Streuvektors q weiter geschlossen.The aperture is maximally open for small wavelengths with λ 7.5 Å or large amounts of the scattering vector q and is then closed further with increasing values of the wavelengths or smaller amounts of the scattering vector q.

Die Zahl der Neutronen betrug in den Simulationsrechnungen 109/(s cm 2).The number of neutrons in the simulation calculations was 10 9 / ( s cm 2 ).

Die Datenkurve 31 zeigt den Fall, dass keine Linse und eine kleine Blendenöffnung von 2 mm × 2 mm verwendet wird. Die Datenkurve 32 simuliert den Fall, dass eine Linse mit in Abhängigkeit von der Wellenlänge veränderter Blendenöffnung verwendet wird. Die Schmalheit bzw. "Schärfe" der Peaks, und damit die Auflösung, ist deutlich stärker ausgeprägt als bei der Datenkurve 31, insbesondere bei Werten q < 0,01 Å-1.The data curve 31 shows the case that no lens and a small aperture of 2 mm × 2 mm are used. The data curve 32 simulates the case of using a lens with a changed aperture depending on the wavelength. The narrowness or "sharpness" of the peaks, and thus the resolution, is significantly more pronounced than in the data curve 31, in particular at values q < 0.01 Å -1 .

Claims (11)

Vorrichtung zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration von Strahlung massebehafteter Teilchen, umfassend mindestens eine Linse (L), mindestens einen Detektor (D) und mindestens eine Blende (B) mit einer Blendenöffnung (5), welche in der Größe in Abhängigkeit von der Wellenlänge der durch diese Blendenöffnung hindurchtretenden Strahlung veränderbar ist.Apparatus for correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of massaged-mass radiation, comprising at least one lens (L), at least one detector (D) and at least one diaphragm (B) with an aperture (5) which varies in size as a function of the wavelength the radiation passing through this aperture is changeable. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (B) durch 1, 2, 3 oder mehr, vorzugsweise 4, Scheiben oder durch eine Irisblende gebildet wird.Device according to claim 1, characterized in that the diaphragm (B) is formed by 1, 2, 3 or more, preferably 4, discs or by an iris diaphragm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (1, 2, 3, 4) jeweils einen Rand (8) umfassen, welcher die Form einer Spirale entlang einer Windung aufweist, wobei eine geradlinige Kante (6) zwischen dem Randpunkt des maximalen und minimalen Abstandes vom Mittelpunkt (7) der jeweiligen Scheibe verläuft.Device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the discs (1, 2, 3, 4) each comprise a rim (8) which has the shape of a spiral along a turn, with a rectilinear edge (6) between the edge point of the maximum and minimum distance from the center (7) of the respective disc extends. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Scheiben (1, 2, 3, 4) ein neutronenabsorbierendes Material, insbesondere Borkarbid, umfassen.Device according to one of Claims 1 to 3, in which the discs (1, 2, 3, 4) comprise a neutron-absorbing material, in particular boron carbide. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Kollimator umfasst.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the device comprises at least one collimator. Verfahren zur Korrektur des Längsfehlers der chromatischen Aberration von Strahlung massebehafteter Teilchen mit einer Vorrichtung, umfassend mindestens eine Linse (L), mindestens einen Detektor (D) und mindestens eine Blende (B), wobei die Blendenöffnung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der massebehafteten Teilchen verändert wird.A method of correcting the longitudinal aberration of the chromatic aberration of massaged-mass radiation with a device comprising at least one lens (L), at least one detector (D) and at least one aperture (B), the aperture varying as a function of the wavelength of the massed particles becomes. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen Bereich der Wellenlängen der verwendeten Strahlung die Größe der Blendenöffnung so gewählt wird, dass der Längsfehler der chromatischen Aberration korrigiert wird.A method according to claim 6, characterized in that for the respective range of the wavelengths of the radiation used, the size of the aperture is chosen so that the longitudinal aberration of the chromatic aberration is corrected. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Blendenöffnung so gewählt wird, dass die Größe der Abbildung einer Fläche, welche die Größe eines Pixels des Detektors hat, auf der Detektoroberfläche höchstens gleich dieser Pixelgröße des Detektors ist.Method according to one of claims 6 to 7, characterized in that the size of the aperture is chosen so that the size of the image of a surface having the size of a pixel of the detector on the detector surface is at most equal to this pixel size of the detector. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung kontinuierlich oder schrittweise von der größten Öffnung ausgehend verkleinert wird, jedes Mal während ein Puls von Neutronen hindurchtritt.Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that the aperture is reduced continuously or stepwise starting from the largest aperture, each time a pulse of neutrons passes. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Wellenlängen der Strahlung vor dem Hindurchtreten durch die Blendenöffnung und die Linse begrenzt wird, insbesondere durch mindestens einen Chopper und besonders bevorzugt durch mindestens einen T0-Chopper.Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that the range of wavelengths of the radiation is limited before passing through the aperture and the lens, in particular by at least one chopper and more preferably by at least one T0 chopper. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch die Wahl von Neutronen als massebehaftete Teilchen.Method according to one of claims 6 to 10, characterized by the choice of neutrons as mass-afflicted particles.
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