DE69807573T2 - Zusammengestellte refraktive Linsen für Neutronen mit niedriger Energie - Google Patents

Description

Erfindungsgebiet
• Das Gebiet der vorliegenden Erfindung ist eine Neutronenstrahlvorrichtung und insbesondere eine Optik, die sich zum Fokussieren oder Kollimieren von Neutronenstrahlen eignet.
Allgemeiner Stand der Technik
• Kalte langwellige Neutronenquellen eignen sich in einer Vielzahl analytischer, kommerzieller und medizinischer Anwendungen. Kalte Neutronenquellen, die meist als CN- Quellen ( old eutron) bezeichnet werden, liefern Neutronen mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 2200 m/s und weniger und Wellenlängen in der Regel im Spektralbereich von 0,2-10 nm. Kalte langwellige Neutronen, d. h. 0,2-10 nm, durchdringen gut und eignen sich für Volumenanwendungen, bei denen eine erhebliche Tiefe der Neutronenbelichtung erforderlich ist. CN-Strahlung eignet sich in der Mikroskopie, obwohl die Auflösung schlechter ist als bei der Elektronen- und Röntgenstrahlenmikroskopie. Der optische Querschnitt für Neutronen wird bei der Neutronenanalyse durch Atomkerne dominiert. Dies steht im Gegensatz zu Elektronen- und Röntgenstrahlen, die durch die Elektronenhüllstruktur moduliert werden. Somit erkennen Neutronenstrahlen andere strukturelle Landschaften in der Mikroskopie und liefern eine neue Dimension.
• Neutronenstrahlengeräte mit höheren Strahlintensitäten werden erhältlich und versprechen eine Vielzahl wichtiger neuer und wertvoller Anwendungen. Die Neutronenaktivierungsanalyse, bei der eine Materialprobe einem Neutronenstrahl ausgesetzt und Neutronenspineigenschaften erfaßt werden, ist eine häufig verwendete und wichtige Technik zum Bestimmen der Zusammensetzung von Materie. Mikroskopische Proben und mikroskopische Bereiche von Proben können mit stark fokussierten CN- Strahlen analysiert werden. Räumliche Variationen bei der Zusammensetzung über kleine Bereiche können aufgelöst werden.
• Bei der Halbleiterbauelementherstellung eignen sich CN- Quellen für das zerstörungsfreie Testen von Halbleiterkristallstrukturen bei der Defektanalyse und Störstellenprofilanalyse. Die Spannungsverteilung in Halbleiterkristallen kann durch CN-Analyse offengelegt werden und wird beim Design und der Herstellung von Halbleiterlasern dazu verwendet, um die Lebensdauer des Bauelements vorherzusagen. Hochintensive und stark fokussierte Strahlen verbessern bei diesen Analysen sowohl die räumliche Auflösung als auch die Erfassungsgrenzen.
• CN-Strahlen eignen sich in der Medizin für die Therapie bei anormalem Gewebe. Einen starken Fluß aufweisende Strahlen werden erwünscht, um die Belichtungszeit zu reduzieren, und stark lokalisierte Strahlen sind von Vorteil, um benachbartes gesundes Gewebe weniger der Strahlung auszusetzen. Bei diesen und anderen Anwendungen, von denen einige noch vollständig realisiert werden müssen, ist die Nützlichkeit des CN- Werkzeugs üblicherweise direkt proportional zur Intensität des Strahls und zur Steuerung der Strahlrichtung, d. h. der Fähigkeit, CN-Strahlen zu fokussieren. Gegenwärtig leiden sowohl Reaktor- (kontinuierliche) als auch Spallation- (gepulste) Quellen kalter Neutronen unter einer sehr geringen Gesamtfluenz. Durch diese Tatsache wird die Nützlichkeit einer CN-Vorrichtung bei den meisten Anwendungen stark eingeschränkt.
• Seit einiger Zeit ist nach CN-strahlbündelnden Elementen gesucht worden, um sowohl den Strahl zu fokussieren als auch die Neutronenflußdichte zu erhöhen und um die Strahlhandhabung zu vereinfachen, d. h. die Manipulation und das Lenken. Bündelnde Elemente können auch wichtig sein, um die Winkeldivergenz eines Neutronenstrahls in zwei Situationen zu modifizieren. Die erste ist die Anpassung der kalten Neutronenquelle auf Führungsröhren, bei denen die Divergenz auf den Grenzwinkel für die Totalreflexion angepaßt werden muß. Die zweite ist bei streuenden Anwendungen, bei denen die Strahldivergenz eine wichtige Frage ist. In diesem Fall kann zum Reduzieren der Strahldivergenz von einem Nadelloch oder einer anderen Quelle eine Linse verwendet werden, ähnlich einer auf Unendlich korrigierten Optik.
• Die Bemühungen, CN-Strahlen zu fokussieren, haben nur geringen Erfolg gehabt. Die besten Ergebnisse hat man bisher mit Linsen und Kollimatoren auf der Basis einer reflektierenden Optik erhalten. Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß Neutronen von einer Vielzahl von Materialien fast völlig totalreflektiert werden. Der Grenzwinkel ist jedoch in der Regel sehr hoch, was zu Strahllenkungseinrichtungen auf der Grundlage von Lichtleiteransätzen führt. Eine häufig verwendete Einrichtung dieser Art ist ein Array aus Kapillarführungen, die manchmal als eine Kumakhov-Linse bezeichnet werden, und superreflektierend beschichteten Führungsröhren. Die Kapillaren bestehen in der Regel aus Glas oder Kunststoff, wobei das Innere der Kapillare mit einem neutronenreflektierenden Material, z. B. Nickel, beschichtet ist. Die einzelnen Kapillaren sind in einem parallelen Bündel und so dick wie möglich gepackt angeordnet, damit so viel von dem Quellenstrahl wie möglich eingefangen wird. Die Quelle wird dann tatsächlich eine Mehrfachstrahlquelle. Die Kapillaren sind bezüglich der Achse des Bündels nach innen gebogen, um jeden der mehreren Strahlen auf einen gemeinsamen Brennpunkt zu fokussieren. Für weitere Einzelheiten über diese Systeme siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5,497,008, erteilt am 5. März 1996; M. A. Kumakhov und V. A. Sharov, "A neutron lens", Nature, Band 357, 4. Juni 1992, S. 390-393; H. Chen et al., "Neutron focusing lens using polycapillary fibers, Appl. Phys. Lett. 64 (16), 18. April 1994, S. 2068-2070; Q. F. Xiao et al., "Neutron focusing optic for submillimeter materials analysis, Rev. Sci. Instrum. 65 (11), November 1994, S. 3399-3402.
• Eine Neutronenoptik kann aber auch wichtig sein, um einen Neutronenstrahl zu defokussieren oder zu vergrößern. Bei der geringen Neutronenstreuung ist ein Beispiel derjenige Fall, wenn die Auflösung durch die feste (und nicht optisch kleine) räumliche Auflösung von zweidimensionalen Neutronendetektoren begrenzt wird. Mit einer Vergrößerungslinse könnte die räumliche Variation des Signals in der Ebene des Detektors optimiert werden.
• Die in den oben angegebenen Literaturstellen beschriebenen Einrichtungen und andere Fokussiereinrichtungen auf der Basis der Reflexion von Neutronen mit einem Glanzwinkel sind in der Regel von der Herstellung her schwierig und teuer. Was vielleicht noch mehr von Gewicht ist, ist daß sie außerdem ineffizient sind, da wegen des unbenutzten Raums zwischen Kapillaren ein erheblicher Anteil des bereits einen geringen Fluß aufweisenden Quellenstrahls verlorengeht. Wenngleich bei einem idealen Modell, wenn die Kapillaren eine Wanddicke von Null aufweisen und in einem hexagonalen dicht gepackten Array angeordnet sind, der auf Zwischenräume zurückzuführende Verlust nur 9,3% beträgt, nähert sich der Zwischenraumverlust 50%, wenn die Wanddicke und die Dicke der reflektierenden Beschichtung der Innenwand berücksichtigt wird, wobei eine typische Wanddicke mindestens 20% des idealen Durchmessers (OD) beträgt. Dieser große Verlustfaktor könnte mit einer brechenden optischen Linse eliminiert werden, doch existiert bisher keine derartige Linse.
• Aus R. Gähler et al. ist in "An optical instrument for the search of a neutron charge", Journal of Physics E: Scientific Instruments, Band 13, 1980, 546-548 ein optisches Instrument für Neutronen mit Wellenlängen von etwa 2 nm bekannt, das eine aus Quarzglas hergestellte zylindrische Neutronenlinse enthält.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Darstellung der Erfindung
• Wir haben erfolgreich eine kalte Neutronenlinse auf der Basis einer brechenden Optik hergestellt. Diese Linse ist ein zusammengesetztes System mit 3-300 dünnen fokussierenden Linsenelementen, um einen kalten Neutronenstrahl zu brechen und effektiv zu fokussieren. Durch die Verwendung einer Brechungsoptik können wir bekannte Brechungslinsendesignprinzipien und die standardmäßige Designsoftware verwenden. Die brechende optische Linse eliminiert den großen Zwischenraumverlust, der der üblichsten Reflexionslinse des Stands der Technik zu eigen ist, und wenn auch Verluste, die auf die Absorption in der brechenden Linse zurückzuführen sind, erheblich sind, liegen sie doch wesentlich niedriger als die Verluste, die anderen bekannten CN-Linseneinrichtungen zu eigen sind. Diese neuen Neutronenlinsen können in existierenden CN-Anwendungen eingesetzt werden, von denen einige oben erwähnt worden sind. Außerdem können sie in neuen Formen von Neutronenmikroskopen auf der Grundlage von Brechungsprinzipien wie denen verwendet werden, die beim Design von Lichtmikroskopen verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer mehrere Elemente aufweisenden Linse, die entsprechend den Prinzipien der Erfindung konstruiert ist; und
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines kalte Neutronen fokussierenden Systems, das die Linse von Fig. 1 verwendet.
Ausführliche Beschreibung
• Um die Prinzipien der Erfindung zu demonstrieren, wurde ein brechendes CN-Linsensystem konstruiert, das aus einer Reihe dünner Linsen bestand, die so angeordnet waren, wie dies in Fig. 1 schematisch gezeigt ist. Die Figur zeigt 5 konkave Linsenelemente 11 in einer Linsenhalterung 18. In erster Ordnung hängt die Anzahl der Linsenelemente von der Neutronenbrennweite jedes Elements und der gewünschten Gesamtbrennweite ab. Die Gesamtbrennweite beträgt f = fo/n, wobei n die Anzahl der Elemente im Array und fo die Brennweite einer einzelnen Linse ist. Bei dem Design muß außerdem die Neutronenabsorption jedes Elements berücksichtigt werden, damit die kombinierte Absorption von n Elementen innerhalb des annehmbaren Bereichs für das Systemdesign liegt. Bei einer entsprechenden Auswahl von Materialien kann, wie unten gelehrt, die Absorption insgesamt innerhalb vernünftiger Grenzen gehalten werden.
• Der Neutronenindex ist eine Eigenschaft nur des Kerns der Atome im Material der Linse. In der Regel sind Materialien mit einem kleinen Kern, das heißt Elemente mit einem niedrigen Atomgewicht, am effektivsten. Es können auch Isotope dieser Elemente verwendet werden.
• In Fig. 1 sind die Linsenelemente als bikonkave Elemente gezeigt, doch können auch plankonkave Elemente verwendet werden. Dies kann die Bearbeitung bei einigen Linsenmaterialien auf Kosten der Verdopplung der Anzahl der Elemente bei einer gegebenen Brennweite vereinfachen. Die Linsenelemente sind auch als parabolförmig gezeigt, doch können auch andere konkave Formen, z. B. kugelförmig, verwendet werden. Mit zylindrischen Formen kann eine eindimensionale Fokussierung erzielt werden. Der Radius R der Linsenelemente ist so klein wie praktikabel und liegt bevorzugt im Bereich 25-50 mm. Es wird auch gewünscht, daß die Dicke der Linse, gemessen auf der Linsenachse und in Fig. 1 als Abmessung X gezeigt, ebenfalls so klein wie möglich ist, um den optischen Weg des Strahls durch jedes Linsenelement und die Absorptionsverluste zu minimieren. Zur Defokussierung oder Vergrößerung von Neutronen können konvexe Formen verwendet werden.
• Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Linse von Fig. 1 mit 5 einfachen konkaven Linsenelementen gezeigt. Bei dem zum Demonstrieren der Erfindung tatsächlich verwendeten System wurden 30 bikonkave MgF&sub2;- Kristall-Linsenelemente in Reihe verwendet. Bei den hier beschriebenen Linsen weisen die Linsenmaterialien einen kleinen und negativen relativen Brechungsindex nno auf, wobei n der Brechungsindex und no der Brechungsindex von Vakuum, nominell 1, ist. Deshalb sind die Fokussierelemente konkav, anstatt der vertrauteren konvexen Linsenelemente, die zum Fokussieren von Lichtwellenlängen verwendet werden. Die konvexen Linsenelemente waren symmetrisch mit einem Durchmesser d von 25 mm, einem Radius R von 25 mm, einer Kantenabflachung t von 0,5 mm und einer Brennweite fo von 150 m. Die Linse wies bei Verwendung einer Quelle von kalten Neutronen von 10 Ångström insgesamt eine Brennweite von 5 m auf. Die Linsenelemente in dem Demonstrationssystem stießen wie gezeigt an der Kantenabflachung t an.
• Der Fachmann auf dem Gebiet der Optik versteht, daß die zum Demonstrieren der Erfindung verwendete Linse relativ einfach aufgebaut war und daß man wesentlich weniger Fokussierelemente benötigt, wenn die Neutronenoptik optimiert wird. Das Linsendesign kann für eine kommerzielle Vorrichtung außerdem eine Vielfalt verschiedener Arten von Linsenelementen aufweisen, z. B. fokussierende und defokussierende Elemente, damit man eine große Apertur erhält und die Verzerrung und die chromatischen Aberrationen reduziert werden. Es können auch Linsenelemente mit verschiedenen Neutronenindizes, sowohl positiv als auch negativ, verwendet werden, d. h. Linsenelemente aus verschiedenen Materialien, wie dies durch Kompromisse zwischen dem Brennpunkt und der chromatischen Aberration diktiert wird. Die Verzerrung aufgrund der Schwerkraft ist bei der Neutronenoptik ein wohlbekannter Effekt, und ein optimales Linsendesign berücksichtigt die Schwerkrafteffekte. Es können auch Linsen verwendet werden, die bewegt werden können, um an dem Signal adaptive Einstellungen vornehmen zu können, wie beim modernen Teleskopdesign. Wegen dieser und anderer Überlegungen kann die Anzahl der Linsenelemente in einer kommerziellen Ausführungsform über einen größen Bereich von z. B. 3-300 Elementen variieren. Die Anzahl der fokussierenden Elemente würde in der Regel in einem kleineren Bereich von z. B. 3-30 Elementen liegen.
• Sich für die Linsenelemente eignende Materialien sind Neutronen wenig absorbierende Materialien, von denen Beispiele in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Die Materialien sind nach ihrer Gütezahl (FOM = figure of merit) eingestuft, die das Verhältnis der gebundenen kohärenten Streulänge bo in Einheiten von Femtometern (fm) zum Absorptionsquerschnitt 0a in Einheiten von Barns ( = 100 fm²) ist, die beide für thermische Neutronen mit 2200 m/s gemessen sind. Bei durch ein Sternchen (*) bezeichneten Isotopen wird die FOM relativ zur natürlichen Häufigkeit mit einem Zehntel der Isotopenverfeinerung multipliziert, was erforderlich ist, um den angegebenen Querschnitt zu erzielen. In der Tabelle wurden nur Kerne mit bc > 5 fm, &sigma;a < 0,1 barn, Häufigkeit > 5% (bei einem Molekulargewicht oder Atomgewicht (AW) > 40) und FOM > 10 aufgenommen. Materialien mit einer inkohärenten Streulänge bc von über 0,1 fm sind außerdem mit einem Plussymbol (+) angegeben. Diese Materialien eignen sich möglicherweise weniger zur Verwendung mit polarisierten Neutronen. Der Neutronenbrechungsindex n ist vom gebundenen kohärenten Streuquerschnitt abgeleitet als n - 1 = -(4&pi;/2k²)&rho;bc. In dieser Gleichung ist k = 2&pi;/&lambda;, wobei &lambda; die Neutronenwellenlänge ist, und &rho; ist die Dichte der Atomkerne im Material. TABELLE
• Wie man aus der Tabelle ersehen kann, wird die Gütezahl dieser Materialien vom Absorptionsverlust dominiert. So weist beispielsweise Magnesium einen günstigen Brechungsindex für Neutronen auf, ist aber mit Verlust behaftet, was zu einer relativ bescheidenen Gütezahl führt. Obwohl MgF&sub2; zum erfolgreichen Demonstrieren der Erfindung verwendet wurde, kann man aus der obigen Tabelle bessere Materialien wählen. Kohlenstoff kann in Form von Diamant oder Graphit verwendet werden.
• Kombinationen aus Kohlenstoff und Sauerstoff können in der Form von Kohlenwasserstoffen verwendet werden, z. B. Benzolkristalle. Stickstoff und Fluor können in Form von Kohlenwasserstoffen verwendet werden. Beryllium kann in elementarer Form oder als ein Oxid oder Nitrid verwendet werden. Fluor kann wie oben beschrieben als MgF&sub2; verwendet werden. Sauerstoff und Stickstoff können als Oxide oder Nitride verwendet werden, z. B. MgO.
• Kristalline Materialien werden wegen ihrer allgemein geringen diffusen Streuung weg von Bragg-Reflexionen bevorzugt. Kerne mit kleinen inkohärenten Streuquerschnitten weisen außerdem eine geringe diffuse Streuung auf und scheinen sich besonders für Systeme mit polarisierten Neutronenquellen zu eignen.
• Wie weiter oben hervorgehoben wurde, werden die fokussierenden Linsenelemente durch den negativen Brechungsindex für Neutronen in den Materialien der Erfindung konkav. Dies ist ein wichtiger Vorteil bei einem optischen System, das von Absorption dominiert wird, da derjenige Teil des Neutronenstrahls, der sich in der Nähe der optischen Achse ausbreitet, am wenigsten gedämpft wird und deshalb mit der Aufgabe des Fokussierens des Strahls übereinstimmt. Das Flußprofil in der Brennebene der Linse wird wie gewünscht auf den Brennpunkt konzentriert.
• Die Materialien in der Tabelle sind beispielhaft angegeben. Es können viele andere Materialien verwendet werden. Auch wenn sie nicht bevorzugt werden, können Flüssigkeiten in dünnwandigen linsenförmigen Behältern aus Glas oder Kunststoff verwendet werden. Beispiele für derartige Flüssigkeiten sind H&sub2;O, Alkohole und Säuren wie etwa HF, H&sub2;CO&sub3;.
• Es können auch Isotope dieser Materialien verwendet werden. So weist beispielsweise deuteriertes Benzol eine relativ hohe Gütezahl auf. Es kann auch möglich sein, verbesserte Eigenschaften dadurch zu erhalten, daß Kerne mit Resonanzquerschnitten für Neutronen im Wellenlängenbereich 0,2-10 nm, z. B. 113 Cd, verwendet werden.
• Die Materialien für die Erfindung sind diejenigen, bei denen die Absorption kalter Neutronen, spezifiziert für den Zweck des Definierens der Erfindung als Absorption von Neutronen von 10 Ångström, unter 10&supmin;¹ barn liegt, und der gebundene kohärente Streuquerschnitt für 2200 m/s-Neutronen > 5 fm ist. Die bevorzugten Materialien können auch im Hinblick auf die in der obigen Tabelle verwendete Gütezahl als diejenigen Materialien definiert werden, bei denen bei Messung mit 2200 m/s-Neutronen das Verhältnis des gebundenen kohärenten Streuquerschnitts zur Neutronenabsorption über 10&supmin;¹ fm&supmin;¹ und bevorzugt über 1 fm&supmin;¹ liegt.
• In Fig. 2 ist ein typisches, die Linse von Fig. 1 verwendendes System gezeigt. Eine kalte Neutronenquelle 12 ist mit einem Nadelloch 13, einer Apertur 14 und einem Linsenarray 11 gezeigt. Die Probe 15 kann wie gezeigt im Brennpunkt positioniert oder, wie in der Technik bekannt, vor der Linse angeordnet werden. Eine Einrichtung zum Erfassen des gestreuten Neutronenstrahls ist bei 16 gezeigt. Mit Ausnahme der Brechungslinse 11 sind alle diese Elemente in der Technik üblich und werden bei reflektierenden Systemen verwendet, beispielsweise den weiter oben erwähnten Kumakhov- Linsensystemen.
• Die beschriebenen Systeme können Neutronenstrahlen von 10 Ångström fokussieren, damit man relativ zur Nadellochoptik Gewinne von über zwanzig erhält. Der Gewinn ist als die Intensität im Brennpunkt im Vergleich mit der Intensität definiert, die man ohne Verwendung einer Linse, d. h. unter Verwendung eines kollimierenden Nadellochs oder Schlitzes, erhalten hätte. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, wenn der von der Brechungslinse erzeugte Gewinn mindestens 2 beträgt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Fokussieren kalter Neutronen, umfassend:

eine Quelle für einen Neutronenstrahl (12), wobei die Neutronen in dem Strahl eine Wellenlänge im Bereich von 0,2-10 nm aufweisen; und

ein Fokussiermittel (11) zum Fokussieren der Neutronen durch Brechen des Neutronenstrahls;

wobei das Fokussiermittel eine Brechungslinse umfaßt; und

die Neutronenstrahlquelle und die Brechungslinse so angeordnet sind, daß der Neutronenstrahl die Brechungslinse durchquert und dadurch gebrochen wird, um den Strahl zu fokussieren;

dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungslinse mindestens drei einzelne Linsenelemente (11) umfaßt; und

jedes Linsenelement aus einem Material mit einem Neutronenabsorptionsquerschnitt von unter 10&supmin;²&sup9; m² (0,1 barn) und einem gebundenen kohärenten Streuquerschnitt größer als 5 fm (gemessen mit 2200 m/s-Neutronen) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Strahl fokussiert wird, um einen Gewinn von mindestens 2 zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Linsenelemente fokussierende Linsenelemente und die fokussierenden Linsenelemente konkave Linsenelemente umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der mindestens einige der fokussierenden Linsen bikonkave Linsenelemente sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Linsenelemente zylindrische Linsenelemente umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Linsenelemente defokussierende Linsenelemente umfassen und mindestens einige der defokussierenden Linsenelemente konvexe Linsenelemente sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein oder mehrere elementare Bestandteile des Linsenmaterials ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus O, N, H, C, Be, F und Mg.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Linsenelemente aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Neutronenbrechungsindizes hergestellt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Neutronen in dem Strahl polarisierte Neutronen umfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Neutronen in dem Strahl unpolarisierte Neutronen sind.