DE1803806A1 - Mikroneutronenleiter - Google Patents

Description

GESELLSCHAFT FÜR . Karlsruhe, den 13.9.1968

KERNFORSCHUNG MBH PTA 68/27 Br/jd

Anmelder: Institut Max von Laue - Paul Langevin, 38 Grenoble, Rue de Martyrs.

Mikroneutronenleiter

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Führen und Lenken, insbesondere zum Umlenken eines subthermischen Neutronenstrahls mit mindestens in einer Ebene so gekrümmten Begrenzungsflächen, daß daran die Neutronen total reflektiert werden (Neutronenleiter)

Solche Neutronenleiter werden als Experimentierhilfsmittel bei Bestrahlungsversuchen außerhalb des Bestrahlungskanals des .Reaktors verwendet. Sie dienen folgenden Zwecken:

a) Abtrennung der störenden Untergrundstrahlung

b) Abtrennung der subthermischen von den thermischen Neutronenstrahlen mit der Möglichkeit einer Strahlfokussierung.

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c) IntensitätsverStärkung des Neutronenstrahls, wenn der effektive Raumwinkel im die Neutronen totalreflektierenden Neutronenleiter größer ist als der geometrische Raumwinkel des Neutronenleiters.

Durch Neutronenleiter großer Länge ist es möglich, Neutronen aus dem Reaktor-Core zu möglicherweise außerhalb des Reaktorgebäudes aufgebauten Experiment!erständen und -Einrichtungen zu leiten.

Das bringt folgende Vorteile: Diese außerhalb des Reaktorgebäudes gelegenen Laboratorien und Experiment!erstände werden nur noch von einer extrem niedrigen Untergrundstörung erreicht, insbesondere, wenn der Neutronenleiter leicht gekrümmt ist, so daß die im Geradeausflug aus dem Reaktor-Core ankommenden Neutronen ausgeschaltet werden, und wenn besondere AbschirmSchilde vorgesehen sind, welche die Laboratorien und Experimentiereinrichtungen vor der diffusen Störstrahlung aus dem Reaktorgebäude schützen. Weiterhin kann die mögliche Anzahl von Bestrahlungsexperimenten vergrößert werden, weil die Neutronenleiter-Röhren strahlenförmig vom Reaktor-Core ausgehen und mit größer werdendem Abstand vom Reaktor immer größere Aufstellflächen für die Experimentiereinrichtungen gewonnen werden können. Außerdem können gekrümmte Neutronenleiter-Röhren mit ihrem einen Ende in Core-Zonen mit dem höchsten üeutronenfluß gebracht werden, da schnelle Neutronen von ihnen nicht weitergeleitet werden.

Für folgende Niederenergie-Versuche sind Neutronenleiter aus den obengenannten Gründen interessant: (a) Kleinwinkelstreuexperimente an gewöhnlichen oder magnetischen Materialien? (b) Einfang- γ-Strahlen Untersuchungen, insbesondere Koinzidenzexperimente,, Bei einem Hochflußreaktor erfordern letztere eine besondere Beachtung des Störstrahlungsuntergrundes ; (c) Flugzeit-Spektroskopie mit langsamen Neutronen und einem Zerhacker? (d) Transmisüxonsexperinaente bei sehr niedrigen Energien.

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Es ist ein Neutronenleiter bekannt, der aus einem geraden, innen hochglanzpolierten kupferplattierten Rohr zylindrischen Querschnitts besteht, dessen Durchmesser in der Größenordnung von Zentimetern und dessen Länge in der Größenordnung von 20 bis 30 Metern liegt, und das evakuiert ist. Solch ein gerader, röhrenförmiger Neutronenleiter bringt eine Intensitätsausbeute bei langsamen Neutronen von G - 4 γ ² /Ο. , wobei y der kritische Winkel für die Totalreflexion an der inneren Neutronenleiter-Rohrwand (beispielsweise 1,5 X 1O~ für kalte Meutronen mit einer Wellenlänge von IO Ä) und Λ der wirksame Raumvinkel mit X2 = ttj /L ist. ($> = Innenradius des Keutrononleiters; L = Länge des geraden Neutronenleiters).

Weiter ist ein gekrümmter Neutronenleiter mit ungefähr den gleichen Abmessungen bekannt, wobei der Krümmungsradius ca. 300 bis 5OO m beträgt. Bei größeren Längen des Neutronenleiters kann dieser Krüm-

zu

mungsradius beispielsweise auch 2000 m betragen. Um eine/große Erwärmung und Aktivierung des reflektierenden Belags zu verhindern, endet dieser bereits außerhalb des Hochflußbereichs des Reaktor-Gores. Als Materialien für den Neutronenleiter sind Kupferüberzüge auf dem Trägerwerkstoff Aluminium und Niekelüberzüge auf Eisenwerkstoffen bekannt (Reactor Science and Technology, Journal of Nuclear Energy, Part A/B, Vol. 17, 1963, Seite 217 bis 225; Nukleonik, Band 4, 1962, Seite 23 bis 25).

Bekannt ist außerdem ein Mehrkanal-Kollimator für Neutronen, der aus magnetisieren und polierten Eisenfolien hergestellt ist. Kit ihm kann eine sehr gute Neutronenpolarisation erzielt werden (Journal of Nuclear Energy Part A und B, Reactor Science Technology, Vol. 17, 1963, Seite 22"¹ bis 231) . Es ist nur eine kleine Abänderung notwendig, um diese Kollimatoren als Neutronenfilter zu verwenden. Dazu muß der Kollimator aus zwei Teilen bestehen und Wände aus Materialien mit Neutronen gut reflektierenden Eigenschaften aufweisen, beispielsweise nickelplattierte Stahlbleche.

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Wenn das innere Teil schwenkbar angelenkt wird, so daß der Winkel zwischen den zwei Teilen wahlweise eingestellt werden kann, kann der Kollimator auch als Neutronenfilter eingesetzt werden. Jedes Blechpaket-Teil weist dabei eine Länge von ca. 100 cm auf und besteht etwa aus 5 bis 6 Lagen mit dazwischen liegenden Luftspalten. Es wird jedoch in dieser Literaturstelle bezweifelt, ob dieses Reflektionskollimator-System eine genau so hohe Kalte-Neutronen-Intensität erbringt, wie ein Quarzkristallfilter oder ein gekrümmter, rohrförmiger Neutronenleiter mit reflektierenden Wänden.

Die bekannten Neutronenleiter haben den Nachteil, daß die mit ihnen erreichbare. Neutronen-Beleuchtungsstärke an der Mündung des Neutronenleiters relativ gering ist. Für das experimentelle Arbeiten wäre es jedenfalls wünschenswerter, neben dem Vorteil des Ausschaltens der Untergrundstörstrahlung und des Gewinns der räumlichen, Frei zügigkeit auch noch hohe Neutronenbeleuchtungsstärken zur Verfugung zu haben. Außerdem ist das Sinjustieren und Aufrechterhalten des Krümmungsradius langwierig bzw. schwierig.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Neutronenleiter zu finden, desses Krümmungsradius gegenüber den bekannten Einrichtungen klein ist und stets konstant bleibt. Weiterhin besteht die Aufgabe, rait solch einer Neutronenleiteranordnung möglichst hohe Beleuchtungsstärken zu erzielen.

"rfindungsgemäß wird ein kleiner und stets konstanter Krümmungsradius dadurch erreicht, daß zwischen den äußeren Begrenzungsflächen mehrere parallel dazu angeordnete, jeweils gleichmäßig Jicke, sich abwechselnde Schichten Λ und B vorgesehen sind, die den gleichen Krümmungsmittelpunkt wie die äußeren Begrenzungsflächen und einen Krümmungsradius in der Größenordnung von einigen Zehntel lietern bis einigen Metern haben, wobei die in der Größenordnung von einigen Kikrometern dicke Schicht A aus einem für

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kalte Neutronen durchlässigen Material mit einem vom Wert 1 wenig verschiedenen Brechungsindex und die in der Größenordnung von einigen Zehntel Mikrometern dicke Schicht B aus einem die kalten Neutronen reflektierenden Material besteht (Mikroneutronenleiter). Der Brechungsindex für die Neutronen in den verschiedenen Materialien bestimmt sich nach D.J. Hughes zu

n-1-A²-Wa_coh/2-ir (1)

wobei N = die Atomdichte des Ilaterials, a , = die kohärente Streu-

coh

amplitude,Λ - die Neutrorienwellenlänge bedeuten. Da der Berechnungsindex η in den meisten Substanzen kleiner 1 ist, tritt eine Total-Reflexion bei einem kritischen Winkel

(2) ein. Jf₀=VS(T^ -K)"³ W^Z

Da der Brechungsindex von der Neutronenwellenlänge abhängig ist, ist auch der kritische Winkel nach Formel (2) davon abhängig. Der erfindungsgemäße Mikroneutronenleiter ist vorzugsweise geeignet für kalte Neutronen mit einer Wellenlänge von 6 bis 20 Angström.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroneutronenlexters bestehen die für kalte Neutronen durchlässigen Schichten (Schicht A) aus Aluminium und die Neutronenreflektierenden Schichten (Schicht B) aus N'ekel. Die Schicht A weist dabei eine Stärke von ca.lyU auf, während die Schicht B eine Stärke von ca. 0,1 Ai aufweist.

Die Mikroneutronenleiter der erfindungsgemäßen Art haben einen Basisdurchmesser d von 1 bis 20 Zentimetern, während der Krümmungsradius etwa 1 bis 0,2 Meter beträgt.

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Außerdem läßt sich der Mikroneutronenleiter nach der Erfindung sehr einfach und trotzdem genau herstellen. Als solche Herstellungverfahren haben sich besonders bewährt:

a) das Vakuumaufdampfen auf eine Positiv- oder Negativform

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bei einem Vakuum von 10 Torr unter Verwendung von nuklearreinen Aufdampfmaterialien,

b) das elektrolytische Auftragen der einzelnen Schichten auf eine Positiv- oder Negativform in einem galvanischen Bad,

c) Kathodenzerstäubung des jeweiligen Schichtmaterials in einer Gasentladung bei niedrigem Druck auf eine Positivoder Negativform.

Die Forderung nach hohen Neutronen-Beleuchtungsstärken wird erfindungsgemäß mit einer Fokussierungseinrichtung aus Mikroneutronenleitern der oben beschriebenen Art dadurch erreicht, daB mehrere solcher Mikroneutronenleiter mit einer Krümmung in nur einer Ebene zu einem Hohlkörper zusammengesetzt werden, der die Form eines polygonalen Kegelstumpfes mit konvex gekrümmten Seitenwinden aufweist. Eine solche Fokussierungseinrichtung kann jedoch auch die Form einer Kugelhalbschale mit abgeschnittener Kugelkappe aufweisen.

Die Fokussierungseinrichtung besteht bei Verwendung an einem Strahlenkanal mit kreisrundem Querschnitt aus einer Kugelhalbschale mit abgeschnittener Kugelkappe (Krümmung der Begrenzungsflächen in zwei Ebenen). Dabei soll unter Strahlenkanal sowohl ein in der Reaktorwand des Forschungsreaktors vorgesehener Bestrahlungskanal als auch ein in der Einleitung beschriebener bekannter Neutronenleiter von großer Länge verstanden werden. In Verbindung mit einem Strahlervkanal rechteckigen Querschnitts weist die erfindungsgemäße Fokussierungs einrichtung die Form eines Kegelstumpfes mit konvex gekrümmten Seitenwänden auf. Die Neutronen reflektierenden Begrenzungeflachen weisen in letzterem Fall eine Krümmung nur in einer Ebene auf.

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Der Basisdurchmesser d einer Fokussierungseinrichtung nach der in der Erfindung beschriebenen Art beträgt 1 cm bis 20 cm, während der Krümmungsradius f der Schichten A und B ungefähr 0,2 bis 1 Meter beträgt.

Zweckmäßigerweise wird bei der Herstellung der Fokussierungseinrichtung die als Trägerwerkstoff dienende Positivform aus einem Salz hergestellt, weil diese dann nach dem Auftragen der einzelnen Schichten sehr leicht wieder herauslösbar ist. Das gleiche gilt für ein Herstellungsverfahren der Fokussierungseinrichtung über eine Negativform. Die Herstellung über eine Negativform hat sogar den Vorteil, daß diese nicht-unbedingt wieder entfernt werden muß.

Im folgenden soll anV~.i .·: ■ . . schematise hen Darstellung der Aufbau und die Wirkungsweise- des erfindungsgemäßen Mikroneutronenleiters am Beispiel der F kus ierungseinrichtung näher erläutert werden: ·

Die Figur zeigt einen Längsschn t durch eine Fokussierungseinrichtung kreisrunden Querschnitts.

Für die im Strahlenkanal 1 mit dem Durchmesser d ~ 2 cm ankommenden kälten Neutronen gibt es folgende zwei Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Fokussierungseinriehtung 2 zu passieren und zum Target 4a zu gelangen:

a) Die Neutronen im achsnahen Bereich durchfliegen den zentralen Hohlraum 3 der Fokussierungseinrichtung 2 ohne jede Reflexion und treffen fast lotrecht auf die Fokussierungsstelle 4b des Targets 4a auf.

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b) Die Neutronen im wandnahen Bereich 5 erfahren an den gekrümmten Neutronen-reflektierenden Schichten B der Fokussierungseinrichtung 2 mindestens eine Reflexion und werden dadurch zur Fokussierungsstelle 4b hin abgelenkt.

Die Zahl der Reflexionen soll dabei nicht mehr als 5 oder 6 betragen, weil mit der Anzahl der Reflexionen und den damit zwangsläufig einhergehenden langen Flugwegen in der Neutronen-leitenden Schicht A die Energie und damit die Wellenlänge der Neutronenstrahlung verändert wird. Der Krümmungsradius £> der gekrümmten Schicht A und B der Fokussierungseinrichtung 2 bestimmt sich nach dem Basisdurchmesser d, welcher gleich dem Strahlenkanaldurchmesser sein soll, nach der Anzahl der Reflexionen, nach dem kritischen Winkel Y für eine Totalreflexion, welcher abhängig ist von der Wellenlänge der Neutronenstrahlung, und nach der Größe der Fokussierungsstelle 4b auf dem Target 4a.

Für die im Ausführungsbeispiel beschriebene Fokussierungseinrichtung betrug die Dicke der Neutronen-leitenden Schicht Λ aus .Aluminium l,u, die Dicke der Neutronen-ref lektierenden Schicht B aus Nickel 0,1 ja, der Krümmungsradius f dieser Schichten A und B 10 cm, die Bogenlänge 1 der äußersten Schicht der Fokussierungseinrichtung 2 cm, der kritische Winkel / - 0,2° /Ä Neutronenwellenlänge.

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Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf Fokussierungseinrichtungen mit längs der Flugrichtung der Neutronen gekrümraten Begrenzungsflächen. Es kann vielmehr auch mit einer Mikroneutronenleiter-Anordnung mit ebenen Neutronen-reflektierenden Schichten - bei einem Strahlenkanal mit rechteckigem Querschnitt also mit einem ilikroneutronenleiter von der Form eines Pyramidenstumpfes mit ebenen Seitenflächen; bei einem Strahlen-

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kanal kreisrunden Querschnitts mit einem Mikroneutronenleiter von der Form eines Kegelstumpfes mit nur in einer Ebene gekrümmten Seitenflächen - nach der Art eines mehrschichtigen Spiegels eine Ablenkung der in den wandnahen Randzonen fliegenden Neutronen zum Fokussierungspunkt hin erzielt werden.

Mit den in der Erfindung beschriebenen fokussierenden Mikroneutronenleitern lassen sich neben den die Neutronenleiter allgemein auszeichnenden Eigenschaften insbesondere noch außerordent-

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lieh hohe Neutronenflußdichten von etwa 10 n/cm see. und darüber erzielen. Außerdem ist es mit einem Mikroneutronenleiter der erfindungsgemäßen Art ohne weiteres möglich, auch auf engstem Raum eine 90 -Umlenkung des Neutronenstfoms zu erreichen, was bei den bisher bekannten Neutronenleiterη bei deren Krümmungsradius von 300 bis zu 2000 m einfach unmöglich war.

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Claims (1)

1. ί ι nicht _- ndari vnrj^/,'

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   Karlsruhe, den 13.September 1968 PTA 68/27 Br/jd

   jtentanspräche;

   Einrichtung zum Führen und Lenken, insbesondere zum Umlenken, eines subthermischen Neutronenstrahls mit mindestens in einer Ebene so gekrümmten Begrenzungsflächen, daß daran die Neutronen total reflektiert werden (Neutronenleiter), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den äußeren Begrenzungsflächen mehrere parallel dazu angeordnete, jeweils gleichmäßig dicke, sich abwechselnde Schichten A und B vorgesehen sind, die den gleichen Krümmungsmittelpunkt wie die äußeren Begrenzungsflächen und einen Krümmungsradius in der Größenordnung von einigen Zehntel Metern bis einigen Metern haben, wobei die in der Größenordnung von einigen Ilikrometern dicke Schicht A aus einem für kalte Neutronen durchlässigen Material mit einem vom Wert 1 wenig verschiedenen Brechungsindex und die in der Größenordnung von einigen Zehntel Ilikrometern dicke Schicht B aus einem die kalten Neutronen reflektierenden Material besteht (Mikroneutronenleiter).

   Mikroneutronenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für kalte Neutronen durchlässigen Schichten (Schicht A) aus Aluminium und die Neutronen-reflektierenden Schichten (Schicht B) aus Nickel bestehen.

   Mikroneutronenleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die/kalte Neutronen durchlässigen Schichten (Schicht A) eine Stärke von ca. 1 .u und die Neutronen-reflektierenden Schichten (Schicht B) eine Stärke von ca. 0,1 At aufweisen.

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   4. Mikroneutronenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten durch Vakuumaufdampfen hergestellt sind.

   5. Ilikroneutronenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten durch elektrolytisches Auftragen hergestellt sind.

   6. kikroneutronenleiter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten durch Kathodenzerstäubung des jeweiligen Schichtmaterials hergestellt sind.

   7. Fokussierungseinrichtung aus Mikroneutronenleitern nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher I'ikroneutronenlei,.r mit einer Krümmung in nur einer Ebene zu einem Hohlkörper zusammengesetzt sind, der die Form eines polygonalen Kegelstumpfes mit konvex gekrümmten SeitenwSnden_% aufweist.

   8. Fokussierungseinrichtung aus Hikroneutronenleitern nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese .-;u einem Hohlkörper geformt sind, der die Form einer Kugelhalbschale mit abgeschnittener Kugelkappe aufweist.

   9. Fokussierungseinrichtung nach den Ansprüchen Γι und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basi sdurchinesser d des Hohlkörpers etwa 1 cm bis 20 cm und der Krümmungsradius P der HohlkörperwSnde etwa 1 bis 0,2 ileter beträgt.

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