DE1773979C - Neutronenmonochromator - Google Patents

Description

zugeführten Neutronenstrahl ausgesetzt ist sowie det werden.

einem Reflexionselement, durch welches der an Der erfindungsgemäße Neutronenmonochromator dem Monochromatorelement reflektierte Neu- ₁₀ hat den Vorteil, daß auf Grund der starren A-.sbiltronenstrahl über einen Austrittskanal einer Meß- dung des Abschinnblockes der Anteil an diffus ausprobe zuführbar ist, dadurch gekenn- tretenden Neutronenstrahlen gering ist Ferner sind zeichnet, daß das Monochromatorelement die Herstellungskosten eines derartigen Neutronen-(30) und das Reflexionselement (38) innerhalb monochromators gering, weil die großvolumigen, der Kammer (20) eines stationären Abschirm- 15 schweren Teile nicht genau bearbeitet werden müs-Wockes (18) angeordnet sind und daß das Re- sen. Da femer die Neutronenstrahlen — unabhängig flexionselt-ment (38) sowohl verschwenkbar als von der Wellenlänge — immer an derselben Stelle auch in Richtung des Austrittskanal:; (26) ver- austreten, können die verwendeten Experimentationsschiebbar gelagert ist. anordnungen stark vereinfacht werden. Schließlich

2. Neutronenmonochromator nach Anspruch 1, 20 ergibt sich notgedrungenermaßen eine Verringerung dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kam- der für die Durchführung der Experimente notwenmer (20) das Reflexionselement (38) in an sich digen Bodenfläche, welche naturgemäß in der Nähe bekannter Weise auf einer Führungsschiene (40) des Reaktors beschränkt und damit teuer ist.
gelagert ist. Vorzugsweise ist innerhalb der Kammer des Abas schirmblockes eine in Richtung der Ausgangsöffnung

sich erstreckende Führungsschiene vorgesehen, auf

welcher das Reflexionselement in Richtung der Austrittsöffnung bzw. entgegengesetzt dazu verschoben werden kann.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer 30 Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im fol Abschirmung versehenen Neutr menmonochromator, genden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher bestehend aus einem auf einem Drehtisch angeord- erläutert und beschrieben werden, wobei auf die neten Monochromatorelement, welches einem über Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt
einen Eintrittskanal zugeführten Neutronenstrahl Fig. 1 eine horizontale Schnittansicht eines gemäß

ausgesetzt ist, sowie einem Reflexionselement, durch 35 dem bisherigen Stand der Technik gebauten Neuweiches der an dem Monochromatorelement reflek- tronenmonochromators,

tierte Neutronenstrahl über einen Austrittskanal einer Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht entlang der

Meßprobe zuführbar ist. Linie II-II von F i g. 1,

Bei konventionellen Arten von Neutronenmono- F i g. 3 eine F i g. 1 ähnliche Ansicht einer anderen

chromatoren (s. beispielsweise »Kerntechnik«, 40 Form eines konventionellen Neutronenmonochroma-8. Jahrgang, 1966, Heft 12, S. 561 bis 564) ist die tors,

Strahlenaustrittsöffnung in Abhängigkeit von der F i g. 4 eine seitliche Schnittansicht entlang der

Neutronenwellenlänge des zu extrahierenden Neu- Linie IV-IV von F i g. 3 und

tronenstrahls gegenüber einer Strahleneintrittsöffnung F i g. 5 eine seitliche Schnittansicht eines gemäß

winkelmäßig veränderlich angeordnet. Dies ist jedoch 45 den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebauten nachteilig, weil ein Teil der Neutronen im Bereich Neutronenmonochromators.

der Austrittsöffnung nach außen dringen kann. In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche

Ferner ist der Mechanismus zum Rotieren der Aus- Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende trittsöffnung in bezug auf die Eintrittsöffnung so Teile.

kompliziert, daß derartige Neutronenmonochroma- 50 Im folgenden soll auf die Figuren, insbesondere toren technisch schwierig zu bauen sind. F i g. 1 und 2, Bezug genommen werden, in welchen

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es eine Form eines konventionellen Neutronenmono-Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Neu- chromators gezeigt ist. Die dargestellte Anordnung tronenmonochromator einfacher Bauweise zu schaf- besteht aus einem nuklearen Reaktor mit einem fen, dessen Strahlenaustrittsöffnung gegenüber der 55 Reaktorkern 10 und einer Reaktorwand 12, wobei Strahleneintrittsöffnung winkelmäßig fest angeord- für Experimentierzwecke ein fest abgedichteter net ist. Pfropfen 14 in einer durch die Reaktorwand 12 sich

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß erstreckenden Bohrung eingesetzt ist. Ein Eintrittsdas Monochromatorelement und das Reflexions- kanal 16 erstreckt sich in Längsrichtung durch den element innerhalb der Kammer eines stationären 60 Pfropfen 14, so daß ein Neutronenstrahl aus dem Abschirmblockes angeordnet sind und daß das Re- Reaktor herausgeleitet werden kann. Um zu verhinflexionselement sowohl verschwenkbar als auch in dem, daß der Neutronenstrahl außerhalb der ReRichtung des Ausirittskanals verschiebbar gelagert aktorwand 12 wegstrahlen kann, ist ein stationärer ist. Abschirmblock 18 an der Reaktorwand 12 befestigt,

In diesem Zusammenhang ist ein Neutronenmono- 65 wobei in dem Bereich der Bohrung innerhalb der chromator bereits bekannt (siehe S. 277, Fig. 15.1 Reaktorwand ein enger Eintrittskanal 16a vordes Buches von L. F. Curtiss »Introduction to gesehen ist, der mit dem Eintrittskanal 16 fluchtet Neutron Physics«, Verlag D. von Nostrand Com- und eine Verlängerung desselben darstellt. Der sta-

tionäre Abschirmblock 18 weist ferner in seinem Mittelstück eine zylindrische Kammer 20 auf, die mit dem Eintrittskanal 16 a in Verbindung steht und die auf der der Reaktorwand 12 gegenüberliegenden Seite eine Sektoröffnung 22 aufweist. Die Sektoröffnung 22 erstreckt sich divergent in horizontaler Richtung nach außen und führt bis in den freien Raum hinein. Innerhalb der Sektoröffnung 22 ist eine Mehrzahl von beweglichen Abschirmelementen 24 a, 246, 24 c und IAd lösbar angeordnet, wobei innere Stoßflächen dieser Abschinnelemente einen Teil der Begrenzung der zentralen Kammer 20 bilden. Ein bestimmtes Abschinnelement — d. h. in dem vorliegenden Fall das Abschirmelement 24 d — ist von dem danebenliegenden Abschinnelement — d. h. dem Abschinnelement 24 c — getrennt, wodurch sich in derselben Höhe wie der Eintrittskanai 16 a ein enger, radial sich erstreckender Austrittskanal 26 ergibt.

Innerhalb der zentralen Kamn.er 20 des stationären Abschirmblockes 18 ist ein Drehtisch 28 angeordnet, auf welchem ein Monochromatorkristall 30 befestigt ist, der von dem durch die Kanäle 16 und 16 a dringenden Neutronenstrahl bestrahlt wird. Der Monochromatorkristal! 30 reflektiert den Elektronenstrahl in bekannter Weise. Der Drehtisch 28 kann um die in F i g. 2 gezeigte Drehachse 32 gedreht werden, wodurch der zwischen der vorderen Fläche des Monochromatorkristalls 30 und dem Neutronenstrahl gebildete Winkel verändert werden kann. Wenn der Monochromatorkristall 30 mit seiner vorderen reflektierenden Fläche unter einem geeigneten Winkel gegenüber der Mittelachse der Eintrittskanäle 16 und 16 a angeordnet ist, reflektiert er den Neutronenstrahl in Richtung des Austrittskanals 26. Der Neutronenstrahl kann somit durch diesen Au: 'rittskanal 26 extrahiert werden.

Die durch den Eintrittskanal 16 a fliegenden, durch den Monochromatorkristail 30 einer Zerstreuung ersten Grades ausgesetzten Neutronen weisen eine Neutronenwellenlänge λ auf, die dem Braggschen Gesetz folgt. Untei der Voraussetzung, daß d_hkl dem Abstand zwischen entsprechenden Gitterebenen entspricht, die parallel zur kristallographischen Ebene hkl des betreffenden Kristalls liegen und daß θ der zwischen der kristailographischen Ebene und der Richtung des einfallenden Neutronenstrahls liegende Wink"! ist, kann die obenerwähnte Neutronenwellenlänge λ durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: λ = 2d_hUün6.

Um kontinuierlich die Wellenlänge ;ines monochromatischen Neutronenstrahls zu ändern — wobei eine einzige kristallographische Ebene desselben Kristalls verwendet wird — ist es notwendig, kontinuierlich den Winkel θ auf der rechten Seite der obigen Gleichung zu verändern. Dies bedingt jedoch notwendigermaßen eine kontinuierliche Veränderung des zwischen dem auf den Monochromatorkristall einfalisnden Neutronenstrahl und dem von demselben monochromatisch abgestrahlten Strahl gebildeten Winkels, wobei dieser Winkel dem zwischen dem Eintrittskanal 16 a und dem Austrittskanal 26 a auftretenden Winkel entspricht.

Obwohl der Winkel zwischen den Eingangs- und Ausgangskanälen 16a und 26 veränderlich sein soll, ist es vom Standpunkt der Strahlungsabschirmung unerwünscht, die öffnung 26 — abgesehen von ienem Teil, durch welchen der Neutronenstrahl herausgeführt ist — zu vergrößern. Aus diesem Grunde ist eine Mehrzahl von beweglichen Abschirmelementen 24 a, 246, 24 c und 24 a* innerhalb der Öffnung 22 angeordnet, so daß die öffnung 22 — mit Ausnahme von einem kleinen Kanal, durch welchen die monochromatischen Neutronenstrahlen unter einem Winkel von η — 2 θ gegenüber der Eintnttsöffnung 16 a heraustreten — abgedichtet ist.
Die oben beschriebene konventionelle Art von

ίο Neutronenmonochromatoren war nachteilig, da die beweglichen Abschinnelemente in einzelne Teile — in dem vorliegenden Beispiel in vier Teile 24 a, 246, 24 c und 24 d — unterteilt sind, wobei eine Anzahl von Neutronen dur^h die zwischen diesen Abschirmelementen gebildeten Fugen heraustreten kann. Beim Andern derWinkelposition des Austrittskanals 26 gegenüber dem Eintrittskanal 16 a müssen ferner die beweglichen Abschirmelemente 24a, 246, 24c und 24d neu angeordnet bzw. ersetzt werden.

*o Dies ist jedoch nicht nur mit Schwierigkeiten verbunden, sondern auch nachteilig, da der innerhalb des Austrittskanals 26 angeordnete, die Divergenz des monochromatischen Neutronenstrahls bestimmende Kollimator durch die Umsetzung ύζτ beweg-

»5 liehen Abschinnelemente aus dem Kanal 26 entfernt und nach dem Umbau in einen neu geformten Austrittskanal wieder eingesetzt werden muß. Da ferner die Versetzung der Abdichtungselemente 24 a, 246, 24 c und 24 a* von Hand durchgeführt werden muß,

war die in den F i g. 1 und 2 dargestellte bekannte Ausführungsform insoweit auch noch nachteilig, daß unbewachte kontinuierliche Messungen mit einem Neutronenstrahl veränderlicher Wellenlänge über lange Zeiträume hinweg nicht durchgeführt werden konnten.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, einen in F i g. 3 und 4 dargestellten Neutronenmonochromator zu verwenden, der im folgenden beschrieben sein soll.

Die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Anordnung ist im wesentlichen der in F i g. 1 und 2 dargestellten Anordnung — mit Ausnahme der Konstruktion der Abschirmungselemente — ähnlich. Die Abschirmungselemente bestehen aus einem mit einer flachen

Stirnfläche versehenen, stationären Abschirmblock 18, welcher an der Reaktorwand 12 befestigt ist. An der gegenüberliegenden Seite weist dieser stationäre Abschirmblock 18 eine Endfläche in der Form eines konkaven zylindrischen Segmentes aut. In engem

Kontakt mit der konkaven Endfläche des stationären Abschirmblockes 18 ist ein drehbarer Abschirmblock 24 angeordnet. Ähnlich "de bei der zuvor beschriebenen bekannten Ausführungsform weist der stationäre Abschirmblock 18 einen Eintrittskanal 16 auf, der nut dem durch den Pfropfen 14 sich erstreckenden Eintrittskanal 16 a fluchtet. Der drehbare Abschirmblock 24 ist mit einer zentralen Kammer 20 versehen, wobei ein radial sich erstreckender, mit der zentralen Kammer 20 und dem Außenraum in Verbindung stehender Austrittskanal 26 und eine mit der zentralen Kammer 20 und einer horizontal in Richtung des stationären Abschirmblockes 18 sich erstreckende Sektoröffnung 34 vorgesehen ist. Die Sektoröffnung 34 ist dauernd durch die konkave zy-

⁶S lindrische Oberfläche des stationären Abschirmblockes 18 abgedeckt.

Der drehbare Abschirmblock 24 kann um seine in Fig. 4 dargestellte Drehachse 32 geschwenkt

5 -* 6

werden, wodurch der zwischen dem Neutronenstrahl Neutronen durch denselben gelangen, wobei ungc-

und der Rcflcxionsfläche des auf einem Drehtisch wünschte Streuncutronen eliminiert werden. Der von

28 gelagerten monochromatischen Kristalls 30 gebil- dem Kollimator 36 ausgehende monochromatische

dcte Winkel verändert werden kann, wodurch der Neutronenstrahl wird daraufhin von einem drch-

monochromatische Neutronenstrahl durch den Aus- 5 baren Rcfiektorkristall 38 in Richtung des Austritts-

triltskanal 26 herausgeführt werden kann. Dem- kanals 26 reflektiert und aus diesem hcrausgclcitct.

zufolge bewirkt eine Drehung des drehbaren Ab- So wie dies bereits beschrieben worden ist, kann

schirmblockcs 24 eine Justierung des zwischen dem der der gemeinsamen Längsachse der Einlaßkanälc

Eintrittskanal 16 und dem Austrittskanal 26 gebil- 16 und 16a und der Reflexionsebene des Mono-

dctcn Winkels. 10 chromatorkristalls 30 gebildete Winkel verändert

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 und 2 dargestellten werden, so daß die Neutroncnwcllcnlängc des mono-Ausführungsform ist der Austrittskanal 26 in bezug chromatischen Strahls beeinflußt wird. Es ist cinauf den drehbaren Abschirmblock 24 fest angcord- leuchtend, daß zum Herausführen des monochromanct. Dies eliminiert die Notwendigkeit, den inner- tischen Neutronenstrahl aus dem stationären Aushalb des Austrittskanals 26 angeordneten Kollimator _l5 trittskanal 26 unter Veränderung der Neutroncnbci Veränderung der Winkel in bezug auf die Ein- wellenlänge notgedrungenermaßen eine Positionstrittsöffnung Ϊ6α zu bewegen. Ebenfajls ist der Aus- änderung des Kollimators 36 gegenüber dem Monotrittskanal 26 durch den stationären 'Abschirmblock chromatorkristall 30 und demzufolge eine Schwcn-18 immer abgeschlossen und somit nicht direkt dem kung und gleichzeitige Verschiebung des Rcflcktor-Außcnraum ausgesetzt. In bezug auf die von dem _ao krislalls 38 notwendig ist. Zu diesem Zweck ist eine Kristall 30 diffus abgestrahlten Neutronen muß mit dem Austrittskanal 26 fluchtende Führungsfcrnerhin bedacht sein, daß diese Zerstreuung stärker schiene 40 vorgesehen. Auf dieser Führungsschiene in der Vorwärts- als in der Rückwärtsrichtung statt- 40 ist eine drehbare Scheibe 42 angeordnet, auf wclfindet. Demzufolge treten weniger Neutronen aus der eher der Reflektorkristall 38 befestigt ist. Durch in F i g. 3 und 4 dargestellten Anordnung aus, als »5 einen geeigneten, nicht gezeigten Mechanismus kann dies bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 und 2 du.· Scheibe 42 und damit der Kristall 38 entlang der der Fall ist. Trotzdem ist die in Fig. 3 und 4 dar- Schiene 40 verschoben und gleichzeitig um die Drehgcstellte bekannte Ausführungsform nachteilig, da achse der Scheibe 42 geschwenkt werden,
einerseits Neutronen durch die longitudinalen und Es ist einleuchtend, daß der erfindungsgem;ißc iraiisvcr&aien Fugen zwischen der. stationären und _3o Neutroncnmonochromator — abgesehen von einem drehbaren Abschirmblöcken 18 und 24 austreten die Braggsche Reflexion der Neutronen bewirkenden können und andererseits ein Mechanismus zum Monochromatorkristall zur bekannten Ausbildung Drehen des ein Gewicht von mehreren Tonnen auf- eines bestimmten monochromatischen Neutronenweisenden Abschirmblockes schwierig zu kon- Strahls — einen Reflektorkristall 38 aufweist, welcher struicren ist. Die vorliegende Erfindung dient dazu, 35 den Strahl von monochromatischen Neutronen in diese in bezug auf die F i g. 1 bis 4 erörterten Nach- Richtung des fest angeordneten Austrittskanals 26 teile zu beseitigen. reflektiert. Durch diese Maßnahme wird ermöglicht,

In dem Folgenden soll auf Fig. 5 Bezug gcnom- daß hinsichtlich ihrer Neutronenwcllenlänge verschie-

mcn werden, in welcher ein gemäß den Prinzipien dene monochromatische Neutronenstrahlen selektiv

der vorliegenden Erfindung gebauter Neutronen- 40 nur durch das Vorsehen eines einzigen Austritts-

monochromator dargestellt ist. Entsprechend der in kanals 26 herausgeführt werden. Dieser in diesem

den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist der Fall innerhalb des stationären Abschirmblockes 18

stationäre Abschirmblock 18 an der Reaktorwand 12 angeordnete Austrittskanal 26 weist somit einen

befestigt und mit einem im Bereich der Reaktorwand Querschnitt auf, der im wesentlichen dem Quer-

12 liegenden Eintrittskanal 16a versehen, der mit 45 schnitt des herauszuführenden monochromatischen

dem durch die Reaktorwand 12 sich erstreckenden Neutronenstrahls entspricht. Da keine Fugen zwi-

Eintrittskanal 16 fluchtet und eine Verlängerung des- sehen dem stationären Block 18 und der dancbcn-

selben darstellt. Der Abschirmblock 18 weist ferner- liegenden Reaktorwand 12 auftreten, ergibt sich

hin eine zentrale Kammer 20 auf, die mit einem praktisch eine vollkommene Abschirmung der Ncu-

Eintrittskanal 16 σ und einem an die Atmosphäre 50 tronen. Die erfindungsgemäße Ausführungsform

führenden, engen Austrittskanal 26 versehen ist, wo- weist fernerhin bei einer sehr einfachen Konstruk-

bei letzterer in dem der Reaktorwand 12 gegenüber- tion und damit stark reduzierten Herstellungskosten

liegenden Ende in einer Ebene mit -dem Eintritts- nur einen sehr geringen Platzbedarf auf.

kanal 16a angeordnet ist. Während die obige Beschreibung hinsichtlich

Innerhalb der zentralen Kammer 20 des statio- 55 eines monochromatischen Neutronenstrahls gemacht

närcn Abschirmblockes 18 ist ein Monochromator- worden ist, der durch eine Reflexion erster Ordnung

kristall 30 derart drehbar angeordnet, daß der von gewonnen worden ist, so soll es doch verstander

dem Reaktor 10 durch die Eintrittskar.äle 16 und sein, daß der von dem monochromatischen Kristall

16a geführte Neutronenstrahl reflektiert und zu 30 reflektierte monochromatische Neutronenstrahl

einem Strahl von monochromatischen Neutronen 60 ebenfalls Teile aufweist, die durch Reflexioner

umgeformt wird. Um die Divergenz des monochro- höherer Ordnung, beispielsweise zweiter, dritter Ord-

matischen Ncutronenstrahls festzulegen, ist unterhalb nung, gebildet sein können. Diese Reflexioner

des Monochromatorkrislalls 30 ein Neutroncnkolli- höherer Ordnung folgen dem Braggschen Geset;

mator derart angeordnet, daß er in der Richtung des η λ 2fl*_ftt,sinW, wobei π eine ganze Zahl größei

monochromatischen Neutroncnstrahls von dem 65 als 1 ist. Wie dies wohl bekannt ist. ist die durcl

Monochromalorkrislall 30 mit geeigneten, nicht gc- - Reflexionen n-tcr Ordnung sich ergebende Rcflek

/eisten Mitteln wcghcwegt werden kann. Der Kolli- tivitäl R_n kleiner als die Rcflcktivität R₁ einer Rc

mator 36 dient ti.t/u, daß nur die monochromatischen flexion erster Ordnung. Demzufolge ergibt sich dii

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folgende Ungleichung: 1>Ä,>Ä„. Da die Neutronen von jenen der Monochromator- und Reflektorkristalle 30 und 38 reflektiert werden, so daß zwei Reflexionen auftreten, ist die entsprechende Anzahl der durch eine Reflexion erster und /i-ter Ord- nurt£ gebildeten Neutronenkristalle proportional zu R₁ ² und R₁?. Unter diesen Umständen kann man erwarten, daß die Ungleichheit 1 > R_n ² auftritt. Demzufolge sind bei einem gewünschten monochromatischen Neutronenstrahl die Verunreinigungen durch fremdartige Neutronen sehr gering.

Wenn der erfindungsgemäße Neutronenmonochromator mit einem Neutroncndiffraktometer verbunden wird, entfällt die Notwendigkeit einer Bewegung des damit in Verbindung stehenden Gonismeters. Somit können die Zusatzelemente — wie Magnet, Kyrostat und Ofen — auf dem Boden angeordnet werden, auf welchem auch der Monochromator angeordnet ist. Demzufolge ergibt sich eine vereinfachte Konstruktion des Gonismeters, da diese Zu- ao satzelemente nicht auf dasselbe gesetzt werden müssen.

Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer vereinfachten Ausführungsform beschrieben ist, so soll es doch verstanden sein, daß verschiedene Abänderungen möglich sein können, ohne daß von dem Grundgedanken der Erfindung abgegangen wird. Beispielsweise können zwei oder mehr Monochromatkristalle 30 übereinander oder nebeneinander angeordnet und funktionsmäßig mit einem einzigen Einlaßkanal 16a verbunden sein, wobei die von den Monochromatorkristallen 30 gebildeten, monochromatischen Neutronenstrahlen mit Hilfe von verschiedenen Reflexionskristallen 38 in verschiedene, getrennt innerhalb des stationären Abschirmblockes angeordnete Austrittskanäle 26 geleitet werden. Demzufolge müssen in diesem Fall zwei oder mehrere Führungsschienen 40 vorgesehen sein, die mit den entsprechenden Austrittskanälen 26 fluchten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

pany, Princeton, N. J., Toronto, New York, London Patentansprüche: 1958), bei welchem ein Neutronenstrahl zuerst an einem' monochromatischen Kristall reflektiert wird

1. Mit einer Abschirmung versehener Neu- und dann über einen Spiegel einem Zähler zugeführt , tronenmonochromator, bestehend aus einem auf s ist Der Zweck dieses Monochromator* besteht dann,

einem Drehtisch angeordneten Monochromator- den Reflexionsfaktor des Materials des Spiegels zu

element, welches einem über einen Eintrittskanal bestimmen, wobei verschiedene Materialien verwen-