DE1773979B1

DE1773979B1 - Neutronenmonochromator

Info

Publication number: DE1773979B1
Application number: DE19681773979
Authority: DE
Inventors: Takanori Kano; Kazuo Yanagishita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1967-08-04
Filing date: 1968-08-02
Publication date: 1972-06-08
Also published as: US3588509A

Description

In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile.

Im folgenden soll auf die Figuren, insbesondere Fig. 1 und 2, Bezug genommen werden, in welchen eine Form eines konventionellen Neutronenmonochromators gezeigt ist. Die dargestellte Anordnung besteht aus einem nuklearen Reaktor mit einem

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,

ausgeführt ist — zu vergrößern. Aus diesem Grunde ist eine Mehrzahl von beweglichen Abschirmelementen 24 a, 24 b, 24 c und 24 d innerhalb der öffnung 22 angeordnet, so daß die öffnung 22 — mit 5 Ausnahme von einem kleinen Kanal, durch welchen die monochromatischen Neutronenstrahlen unter einem Winkel von π — 2 Θ gegenüber der Eintrittsöffnung 16 α heraustreten — abgedichtet ist.

Die oben beschriebene konventionelle Art von

24b, 24 c und 24d lösbar angeordnet, wobei innere io Neutronenmonochromatoren war nachteilig, da die Stoßflächen dieser Abschirmelemente einen Teil der beweglichen Abschirmelemente in einzelne Teile

— in dem vorliegenden Beispiel in vier Teile 24 a, 24 b, 24 c und 24 a" — unterteilt sind, wobei eine Anzahl von Neutronen durch die zwischen diesen

in derselben Höhe wie der Eintrittskanal 16 a ein enger, radial sich erstreckender Austrittskanal 26 ergibt.

die Versetzung der Abdichtungselemente 24 α, 24 b, 24 c und 24 d von Hand durchgeführt werden muß,

Begrenzung der zentralen Kammer 20 bilden. Ein
bestimmtes Abschirmelement — d. h. in dem vorliegenden Fall das Abschirmelement 24 d — ist von
dem danebenliegenden Abschirmelement — d. h. 15 Abschirmelementen gebildeten Fugen heraustreten dem Abschirmelement 24 c — getrennt, wodurch sich kann. Beim Ändern der Winkelposition des Austrittskanals 26 gegenüber dem Eintrittskanal 16 α müssen ferner die beweglichen Abschirmelemente 24 a, 24 b, 24 c und 24 d neu angeordnet bzw. ersetzt werden.

Innerhalb der zentralen Kammer 20 des statio- 20 Dies ist jedoch nicht nur mit Schwierigkeiten vernären Abschirmblockes 18 ist ein Drehtisch 28 an- bunden, sondern auch nachteilig, da der innerhalb geordnet, auf welchem ein Monochromatorkristall des Austrittskanals 26 angeordnete, die Divergenz 30 befestigt ist, der von dem durch die Kanäle 16 des monochromatischen Neutronenstrahls bestim- und 16 a dringenden Neutronenstrahl bestrahlt wird. mende Kollimator durch die Umsetzung der beweg-Der Monochromatorkristall 30 reflektiert den Elek- 25 liehen Abschirmelemente aus dem Kanal 26 entfernt tronenstrahl in bekannter Weise. Der Drehtisch 28 und nach dem Umbau in einen neu geformten Auskann um die in F i g. 2 gezeigte Drehachse 32 ge- trittskanal wieder eingesetzt werden muß. Da ferner dreht werden, wodurch der zwischen der vorderen
Fläche des Monochromatorkristalls 30 und dem
Neutronenstrahl gebildete Winkel verändert werden 3° war die in den F i g. 1 und 2 dargestellte bekannte kann. Wenn der Monochromatorkristall 30 mit sei- Ausführungsform insoweit auch noch nachteilig, daß ner vorderen reflektierenden Fläche unter einem ge- unbewachte kontinuierliche Messungen mit einem eigneten Winkel gegenüber der Mittelachse der Ein- Neutronenstrahl veränderlicher Wellenlänge über trittskanäle 16 und 16 a angeordnet ist, reflektiert er lange Zeiträume hinweg nicht durchgeführt werden den Neutronenstrahl in Richtung des Austrittskanals 35 konnten.

26. Der Neutronenstrahl kann somit durch diesen Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bereits vor-

Austrittskanal 26 extrahiert werden.

Die durch den Eintrittskanal 16 α fliegenden, durch
den Monochromatorkristall 30 einer Zerstreuung
ersten Grades ausgesetzten Neutronen weisen eine 4<>
Neutronenwellenlänge λ auf, die dem Braggschen
Gesetz folgt. Unter der Voraussetzung, daß d_m dem
Abstand zwischen entsprechenden Gitterebenen entspricht, die parallel zur kristallographischen Ebene
hkl des betreffenden Kristalls liegen und daß Θ der 45 Stirnfläche versehenen, stationären Abschirmblock zwischen der kristallographischen Ebene und der 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 auf. In engem 5° Kontakt mit der konkaven Endfläche des stationären Abschirmblockes 18 ist ein drehbarer Abschirmblock 24 angeordnet. Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen bekannten Ausführungsform weist der stationäre Abschirmblock 18 einen Eintrittskanal 16 nuierlich den Winkel Θ auf der rechten Seite der 55 auf, der mit dem durch den Pfropfen 14 sich erobigen Gleichung zu verändern. Dies bedingt jedoch streckenden 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 selben monochromatisch abgestrahlten Strahl gebil- ^6o Verbindung stehender Austrittskanal 26 und eine mit deten Winkels, wobei dieser Winkel dem zwischen der zentralen Kammer 20 und einer horizontal in dem Eintrittskanal 16 a und dem Austrittskanal 26 a Richtung des stationären Abschirmblockes 18 sich auftretenden Winkel entspricht. erstreckende Sektoröffnung 34 vorgesehen ist. Die

Obwohl der Winkel zwischen den Eingangs- und Sektoröffnung 34 ist dauernd durch die konkave zy-Ausgangskanälen 16 a und 26 veränderlich sein soll, ⁶5 lindrische Oberfläche des stationären Abschirmist es vom Standpunkt der Strahlungsabschirmung blockes 18 abgedeckt.

unerwünscht, die Öffnung 26 — abgesehen von Der drehbare Abschirmblock 24 kann um seine

jenem Teil, durch welchen der Neutronenstrahl her- in F i g. 4 dargestellte Drehachse 32 geschwenkt

geschlagen 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

Richtung des einfallenden Neutronenstrahls liegende Winkel ist, kann die obenerwähnte Neutronenwellenlänge λ durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: λ = 2d_m sin©.

Um kontinuierlich die Wellenlänge eines monochromatischen Neutronenstrahls zu ändern — wobei eine einzige kristallographische Ebene desselben Kristalls verwendet wird — ist es notwendig, konti-

notwendigermaßen eine kontinuierliche Veränderung des zwischen dem auf den Monochromatorkristall einfallenden Neutronenstrahl und dem von dem-

werden, wodurch der zwischen dem Neutronenstrahl und der Reflexionsfläche des auf einem Drehtisch 28 gelagerten monochromatischen Kristalls 30 gebildete Winkel verändert werden kann, wodurch der monochromatische Neutronenstrahl durch den Austrittskanal 26 herausgeführt werden kann. Demzufolge bewirkt eine Drehung des drehbaren Abschirmblockes 24 eine Justierung des zwischen dem Eintrittskanal 16 und dem Austrittskanal 26 gebildeten Winkels.

Im Gegensatz zu der in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist der Austrittskanal 26 in bezug auf den drehbaren Abschirmblock 24 fest angeordnet. Dies eliminiert die Notwendigkeit, den inner

Neutronen durch denselben gelangen, wobei ungewünschte Streuneutronen eliminiert werden. Der von dem Kollimator 36 ausgehende monochromatische Neutronenstrahl wird daraufhin von einem dreh-5 baren Reflektorkristall 38 in Richtung des Austrittskanals 26 reflektiert und aus diesem herausgeleitet. So wie dies bereits beschrieben worden ist, kann der der gemeinsamen Längsachse der Einlaßkanäle 16 und 16 α und der Reflexionsebene des Mono-₁₀ chromatorkristalls 30 gebildete Winkel verändert werden, so daß die Neutronenwellenlänge des monochromatischen Strahls beeinflußt wird. Es ist einleuchtend, daß zum Herausführen des monochromatischen Neutronenstrahls aus dem stationären Aushalb des Austrittskanals 26 angeordneten Kollimator _l5 trittskanal 26 unter Veränderung der Neutronenbei Veränderung der Winkel in bezug auf die Ein- wellenlänge notgedrungenermaßen eine Positionstrittsöffnung 16 α zu bewegen. Ebenfalls ist der Aus- änderung des Kollimators 36 gegenüber dem Monotrittskanal 26 durch den stationären Abschirmblock chromatorkristall 30 und demzufolge eine Schwen-18 immer abgeschlossen und somit nicht direkt dem kung und gleichzeitige Verschiebung des Reflektor-Außenraum ausgesetzt. In bezug auf die von dem ₃₀ kristalls 38 notwendig ist. Zu diesem Zweck ist eine Kristall 30 diffus abgestrahlten Neutronen muß mit dem Austrittskanal 26 fluchtende Führungsfernerhin 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 welfindet. Demzufolge treten weniger Neutronen aus der eher der Reflektorkristall 38 befestigt ist. Durch in F i g. 3 und 4 dargestellten Anordnung aus, als 25 einen geeigneten, nicht gezeigten Mechanismus kann dies bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 und 2 die Scheibe 42 und damit der Kristall 38 entlang der der Fall ist. Trotzdem ist die in F i g. 3 und 4 dar- Schiene 40 verschoben und gleichzeitig um die Drehgestellte bekannte Ausführungsform nachteilig, da achse der Scheibe 42 geschwenkt werden, einerseits Neutronen durch die longitudinalen und Es ist einleuchtend, daß der erfindungsgemäße

transversalen Fugen zwischen den stationären und _3o Neutronenmonochromator — abgesehen von einem drehbaren Abschirmblöcken 18 und 24 austreten
können und andererseits ein Mechanismus zum
Drehen des ein Gewicht von mehreren Tonnen aufweisenden Abschirmblockes schwierig zu konstruieren 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 F i g. 5 Bezug genom- daß hinsichtlich ihrer Neutronenwellenlänge verschiemen werden, in welcher ein gemäß den Prinzipien dene monochromatische Neutronenstrahlen selektiv der vorliegenden Erfindung gebauter Neutronen- 40 nur durch das Vorsehen eines einzigen Austrittsmonochromator dargestellt ist. Entsprechend der in kanals 26 herausgeführt werden. Dieser in diesem den F i g. 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 16 a 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 danebenselben 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 Neu-Eintrittskanal 16a und einem an die Atmosphäre 50 tronen. Die erfindungsgemäße Ausführungsform führenden, engen Austrittskanal 26 versehen ist, wo- weist fernerhin bei einer sehr einfachen Konstrukbei 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 16 α angeordnet ist. Während die obige Beschreibung hinsichtlich

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

die Braggsche Reflexion der Neutronen bewirkenden Monochromatorkristall zur bekannten Ausbildung eines bestimmten monochromatischen Neutronenstrahls — einen Reflektorkristall 38 aufweist, welcher

dem Reaktor 10 durch die Eintrittskanäle 16 und
16 a geführte Neutronenstrahl reflektiert und zu

sein, daß der von dem monochromatischen Kristall 30 reflektierte monochromatische Neutronenstrahl

einem Strahl von monochromatischen Neutronen 60 ebenfalls Teile aufweist, die durch Reflexionen umgeformt wird. Um die Divergenz des monochro- höherer Ordnung, beispielsweise zweiter, dritter Ord-

gebildet

matischen Neutronenstrahls festzulegen, ist unterhalb
des Monochromatorkristalls 30 ein Neutronenkollimator derart angeordnet, daß er in der Richtung des

nung, gebildet sein können. Diese Reflexionen höherer Ordnung folgen dem Braggschen Gesetz n). — 2d_hklun.e, wobei η eine ganze Zahl größer monochromatischen Neutronenstrahls von dem 65 als 1 ist. Wie dies wohl bekannt ist, ist die durch Monochromatorkristall 30 mit geeigneten, nicht ge- Reflexionen /i-ter Ordnung sich ergebende Reflekzeigten Mitteln wegbewegt werden kann. Der Kollimator 36 dient dazu, daß nur die monochromatischen

tivitäti?„ kleiner als die Reflektivität R₁ einer Reflexion erster Ordnung. Demzufolge ergibt sich die

folgende Ungleichung: 1 > R₁ > R_n. 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 «-ter Ordnung gebildeten Neutronenkristalle proportional zu A₁ ² und R_n ². 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 Neutronendiffraktometer 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-

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 16 c 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 Copy

209 524/101

Claims

Patentansprüche:

1. Mit einer Abschirmung versehener Neutronenmonochromator, bestehend aus einem auf einem Drehtisch angeordneten Monochromatorelement, welches einem über einen Eintrittskanal zugeführten Neutronenstrahl ausgesetzt ist sowie einem Reflexionselement, durch welches der an

pany, Princeton, N. J., Toronto, New York, London . 1958), bei welchem ein Neutronenstrahl zuerst an einem monochromatischen Kristall reflektiert wird und dann über einen Spiegel einem Zähler zugeführt ist. Der Zweck dieses Monochromator besteht darin, den Reflexionsfaktor des Materials des Spiegels zu bestimmen, wobei verschiedene Materialien verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Neutronenmonochromator

dem Monochromatorelement reflektierte Neu- io hat den Vorteil, daß auf Grund der starren Ausbiltronenstrahl über einen Austrittskanal einer Meß- dung des Abschirmblockes der Anteil an diffus ausprobe zuführbar
zeichnet, daß

ist, dadurch gekenn- tretenden Neutronenstrahlen gering ist. Ferner sind das Monochromatorelement die Herstellungskosten eines derartigen Neutronen-(30) und das Reflexionselement (38) innerhalb monochromator gering, weil die großvolumigen, der Kammer (20) eines stationären Abschirm- 15 schweren Teile nicht genau bearbeitet werden müsblockes (18) angeordnet sind und daß das Re- sen. Da ferner die Neutronenstrahlen — unabhängig flexionselement (38) sowohl verschwenkbar als von der Wellenlänge — immer an derselben Stelle auch in Richtung des Austrittskanals (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 notwendigen Bodenfläche, weiche naturgemäß in der Nähe des Reaktors beschränkt und damit teuer ist.

Vorzugsweise ist innerhalb der Kammer des Abschirmblockes eine in Richtung der Ausgangsöffnung sich erstreckende Führungsschiene vorgesehen, auf welcher das Reflexionselement in Richtung der Austrittsöffnung bzw. entgegengesetzt dazu verschoben werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt F i g. 1 eine horizontale Schnittansicht eines gemäß

mer (20) das Reflexionselement (38) in an sich bekannter Weise auf einer Führungsschiene (40) gelagert ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einer Abschirmung versehenen Neutronenmonochromator, bestehend aus einem auf einem Drehtisch angeordneten Monochromatorelement, welches einem über einen Eintrittskanal zugeführten Neutronenstrahl

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
Meßprobe zuführbar ist.

Bei konventionellen Arten von Neutronenmonochromatoren (s. beispielsweise »Kerntechnik«, 8. Jahrgang, 1966, Heft 12, S. 561 bis 564) ist die Strahlenaustrittsöffnung in Abhängigkeit von der Neutronenwellenlänge des zu extrahierenden Neutronenstrahls gegenüber einer Strahleneintrittsöffnung

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.
Ferner ist der Mechanismus zum Rotieren der Austrittsöffnung in bezug auf die Eintrittsöffnung so
kompliziert, daß derartige Neutronenmonochroma- 50
toren technisch schwierig zu bauen sind.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Neutronenmonochromator einfacher Bauweise zu schaffen, 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 Austrittskanals 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-

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie II-II von F i g. 1,

F i g. 3 eine F i g. 1 ähnliche Ansicht einer anderen Form eines konventionellen Neutronenmonochromators,

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von F i g. 3 und

F i g. 5 eine seitliche Schnittansicht eines gemäß