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Einrichtung zur Erzeugung langsamer Neutronen Es ist vorgeschlagen
worden, zur Untersuchung von Gegenständen und lebenden Körpern diese ähnlich wie
- mit. Röntgenstrahlen auch mit langsamen- Neutronen abzubilden. Solche Neutronenabbildungen
erhält man dadurch, daß man den betreffenden Gegenstand mit einem Strahlenbündel
langsamer Neutronen .durchstrahlt und die durchgegangenen langsamen Neutronen auf
einen neutronenempfindlichen Leuchtschirm oder ein neutronenempfindliches photographisches
System einwirken läßt. Auf diesem werden durch die Neutronen Leuchtbilder - bzw.
Schwärzurngen ,erzeugt, die ein -Abbild des durchstrahltem Gegenstandes geben gemäß
den Absorptionsverhältnissen dieses Gegenstandes für langsame 'Neutronen. Dä -diese
Absorptionsverhältnisse für längsarne'Neutronen gänzlich verschiedeh -sind von»
-denjenigen für Röntgenstrahlen; weisen ` eine Neutronenabbildung ,und eine Röntgenabbildung
eines und desselbenGegenstandes grundsätzliche Unterschiede "aüf@ Eine Herstellung
beider Arten von Abbildungen eines Objektes ist daher besonders für Zwecke der Materialuntersuchung
und der Medizin wichtig.
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Die zur Herstellung der Neutronenbildernötigen Neutronen werden in
bekannter Weise durch Kernreaktionen gewonnen. So erhält man beispielsweise bei
Beschießen. von Beryllium mit- den (x-Teilchen .des Radiums erfiebliche :Mengen
von Neutronen. Die Erzeugung von .Neutronen mit natürlich vorkommenden radioaktiven
Substanzen ist jedoch für- technische Zwecke nicht geeignet, da wegen der großen
Seltenheit und Kostbarkeit radioaktiver Stoffe auf ,diese Weise langsame Neutronen
nicht in beliebiger Intensität hergestellt .werden- können. In sehr viel größeren
Mengen- kann- man Neutronen herstellen, wenn man-Ionen, vorzugsweise die Ionen-
d.es schweren Wasserstoffes, in einem Entladungsrohr beschleunigt und diese schnellen
Ionen dann auf eine geeignete Substanz auftreffen läßt. So erhält man z. B. beim
Auftreffen von einem Ione-nstrom schweren Wasserstoffes von- 1o-1 A Intensität bei
einer
Beschleunigungsspannung von ios V an Beryllium eine Neutronenmenge,
wie sie etwa 7 g Radium mit Beryllium vermischt ergeben., würden. Da es heute keine
Schwierigkeiten bereitet, Ionen in Strömen von io-s A. ,und mehr zu erzeugen und
auf hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, kann man auf diese Weise Neutronenquellen
herstellen, die eine tausendfach größere Intensität haben als die Neutronenquellen,
die man mit einem starken radioaktiven Präparat zu erzeugen vermag. Die Ergiebigkeit
solcher künstlicher Neutronenquellen wächst mit der Geschwindigkeit der Geschoßteilchen.
Man ist daher bestrebt, die die Neutronen erzeugenden Ionen möglichst hoch zu beschleunigen.
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Da bei diesen Neutronenquellen die Beschleunigung der Ionen mit einer
Spannung von ioG V notwendig ist, so hat man bei der Herstellung starker Neutronenquellen
die Aufgabe zu lösen, ein möglichst handliches Entladungsrohr herzustellen, bei
.dem die genannten hohen Spannungen verwendet werden. Gewöhnlich wählt man die Anordnung
so, daß man die Ionenquelle, die selbst wieder eine ziemlich umfangreiche Einrichtung
darstellt, auf eine hohe positive Spannung legt und die aus der Ionenquelle austretenden
Ionen zwischen dieser hohen Spannung und der Erde beschleunigt. Bei einer Anordnung
dieser Art treffen die Ionen mit der gewünschten Energie auf die geerdeten Teile
der Apparatur und erzeugen dort in einer geeigneten Reaktionsschicht die Neutronen.
Die Neutronenquelle liegt also auf Erde. Dies ist für das Experimentieren mit Neutronenquellen
an sich günstig, weil man in einfachster Weise die zu bestrahlenden Gegenstände
in die Nähe der Neutronenquelle bringen kann, ohne besondere Abschirinmaßnahmen
gegen 'Hochspannungsüberschläge vornehmen ztt müssen. Besonders wichtig ist dies
für den Fall, daß man Neutronenaufnahmen von lebenden Körpern herstellt.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß wegen der verwendeten
hohen Spannung alle Abstände gegen die Wände sehr groß sein müssen. Auch macht der
Aufbau der Ionenquelle mit den dazugehörigen umfangreichen Einrichtungen für eine
Spannung z. B. von ios V nicht unerhebliche Schwierigkeiten. Schließlich bereitet
bei dieser Anordnung wegen der Länge des verwendeten Entladungsrohres, in dem die
Ionen beschleunigt werden, auch die Zentrierung des Ionenstrahles erhebliche Schwierigkeiten.
Da das Entladungsrohr, in dem die Ionen beschleunigt werden, bei beispielsweise
ios V Beschleunigungsspannung a bis 3 m lang ist, muß der Ionenstrahl über diese
Länge zentriert und zusammengehalten werden. Würde er sich irgendwo zu stark verbreitern.
so wäre dies mit einem erheblichen Intensitätsverlust verbunden. Da also bei einem
solchen Hochspannungsrohr, bei dein die Neutronenquelle auf Erde liegt. die hohe
Isolierung der Ionenquelle und die Zentrierung und Einstellung des Ionenstrahles
mühevoll ist, hat man eine andere Anordnung gewählt. bei der man nicht die gesamte
Beschleunigungsspannung zwischen Ionenquelle und Erde legt. Man legt vielmehr bei
dieser Anordnung die =Mitte der Beschleunigungsspannung auf Erde, legt also die
Ionenquelle au£ eine positive Spannung, die nur der Hälfte der gesamten Beschleunigungsspannung
entspricht, und legt ferner die Neutronenquelle auf eine negative Spannung gegen
Erde, die ebenfalls der Hälfte der gesamten Beschleunigungsspannung entspricht.
Bei Cioo kV Gesamtionenbeschleunigung liegt also die Ionenquelle auf -1. 3oo k'\'
und die Neutronenquelle auf einer Spannung von - 300 kV gegen Erde. Bei einer
solchen Anordnung sind also nur halb so holte Spannungen gegen Erde zu erzeugen
und zu isolieren wie bei einer Anordnung. bei der die gesamte Beschleunigungsspannung
zwischen Ionenquellen und Erde liegt. Der Ratinibedarf und die Kosten für die erforderliche
Hochspannungsanlage sind in diesem Falle wesentlich geringer und auch die Zentrierung
und Einstellung des Ionenstrahles kann wesentlich einfacher vorgenommen werden.
da die Einstellung des Ionenstrahles nur zwischen Erde und Ionenquelle vorgenommen
zu werden braucht; .denn wenn der Ionenstrahl einmal mit der Hälfte der Spannung
eingestellt und zentriert ist, so ändert die nachträgliche Weiterbeschleunigung
nur noch wenig an seiner Einstellung. Der Nachteil dieser :Anordnung ist der, daß
nunmehr auch die Neutronenquelle auf Hochspannung liegt und daher bei Neutronenaufnahmen
mir schwer zugänglich ist. Der einfachste Weg, diese Schwierigkeiten zu vermeiden,
wäre, die zu bestrahlenden Gegenstände so weit von der 'Neutronenquelle zu entfernen,
daß ein Überschlag oder Sprühen nicht mehr auftritt. Dies ist aber in einfacher
Weise nicht ausführbar. da die zur Vermeidung von Überschlägen und Sprühungen not%,-endigen
Abstände so groß sind, daß bei ihrer Einhaltung ein sehr großer Verlust an Neutronenintensität
hervorgerufen würde und damit eine außerordentliche Verlängerung der Belichtungszeiten
bedingt wäre.
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Will man nun zur Erzeugung von langsamen Neutronen, die man zum Abbilden
von Gegenständen und Körpern benötigt, eine Neutronenquelle benutzen, die gegenüber
Erde auf Hochspannung liegt, so inuß inan
Maßnahmen treffen, die
es trotz der hohen Spannung der Neutronenquelle ermöglichen, die Gegenstände genügend
nahe an die Neutronenquelle heranzubringen ohne Gefährdung durch Hochspannungsüberschlag
oder Sprühungen. Bei einer solchen Anordnung ist noch zu berücksichtigen, daß man
nicht finit den schnellen Neutronen, die von der Neutronenquelle ausgehen, selber
arbeiten will und daß man deshalb diese Neutronen, bevor man sie verwendet, erst
noch verlangsamen muß. Eine solche Verlangsamung der Neutronen geschieht bekanntlich
dadurch, daß man schnelle Neutronen durch wasserstoffhaltige Substanzen hindurchtreten
läßt. Durch die Zusammenstöße ,der schnellen Neutronen mit den Wasserstoffkernen
verlieren die Neutronen erhebliche Mengen an Energie, und schon bei einer Schichtdicke
von iot bis 2o cm Paraffin oder Wasser entstehen große Mengen langsamer Neutronen.
Um also langsame Neutronen zu erhalten, umgibt man die Quelle schneller Neutronen
mit einer wasserstoffhaltigen Substanz von genügender Dicke. Bei den bekannten.
Anordnungen dieser Art, bei denen z. I3. eine Schicht von Paraffin oder Wasser zur
Verlangsamung der Neutronen benutzt wird, hat man den etwaigen Isolationseigenschaften
des Verlangsamungsmittels keine Beachtung geschenkt. Es ist andererseits auch bekannt,
Röntgenröhren mit isolierenden Substanzen zu umgeben. Bei diesen bekannten Anordnungen
haben jedoch die isolierenden Substanzen auf die Härte der Strahlung keinen Einfluß.
Sie sind vielmehr lediglich geeignet, Strahlen geringer Härte zu absorbieren. Eine
Umwandlung von Strahlen großer Härte in Strahlen geringer Härte findet dabei jedoch
nicht statt. Bei der Einrichtung nach der Erfindung dagegen . wird als Isoliermittel
eine Substanz verwendet, die als uelle langsamer Neutronen anzusehen ist. in- ihr
werden nämlich die von der OOuelle schneller Neutronen erzeugten Neutronen in langsame
Neutronen umgewandelt.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung langsamer Neutronen,
bei der eine auf Hochspannung gegenüber Erde befindliche künstliche OOuelle schneller
Neutronen in einer isolierenden Substanz eingegebettet ist, die ganz oder teilweise
von einem geerdeten leitenden Schutzkörper umgeben ist. Hierbei ist erfindungsgemäß
als Isoliermittel eine die schnellen Neutronen durch Verlangsamung in langsame Neutronen
umwandelnde Substanz vorgesehen. Man erhält auf diese Weise eine Einrichtung, die
wegen ihrer gedrungenen Bauart sehr leicht verwendet werden kann. Dabei muß man
die Dicke .der verlangsamenden Substanz so groß wählen, daß einmal ihre Durchschlagsfestigkeit
gegenüber der verwendeten Hochspannung genügt und daß andererseits möglichst viele
langsame Neutronen erzeugt werden. In vielen Fällen «-.rd es bei einer solchen Anordnung
zweck-Z> sein, nicht nur die -Neutronenquelle, sondern gleichzeitig auch den Isolator,
der die Neutronenquelle gegen Erde isoliert, mit in die isolierende Substanz einzubetten
(s. beispielsweise Abb. i).
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Ein- solche Anordnung hat den Vorteil, daß inan an die -Neutronenquelle
sehr nahe Herangehen kann, ohne irgendwie ,durch die Hochspannung gefährdet zu sein,
und daß man andererseits nicht durch übermäßig große Abstände einen unnötigen Verlust
an Intensität langsamer Neutronen hervorruft.
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Eine Einrichtung gemäß der Erfindung ist in zum Teil schematischer
Weise in Abb. i dargestellt. Die Ionenquelle i ist hier als Kanalstrahlrohr ausgeführt
und liegt mit ihrer oberen Deckplatte a auf einer positiven Spannung h12, wenn I'
die gesamte Beschleunigungsspannung der Ionen darstellt. Die Ionenquelle ist von
der Erde durch den Isofator 3 -getrennt. Der bei d. austretende Zonenstrahl 5 wird
durch das elektrische Feld zwischen Ionenquelle und Erde gegen die auf Erdpotential
liegende ringförmige Elektrode 6 beschleunigt. Der Ionenstrahl durchfliegt also
die ringförmige Elektrode 6 mit einer Energie, die der Spannung l'12 entspricht.
Nach Passieren dieser Elektrode 6 wird der Ionenstrahl dann zwischen 6 und der Elektrode
7, die auf einer Spannung - L'/2 liegt, nochmals um l'/2 beschleunigt. Er
tritt dann in die als Hohlkörper ä ausgebildete Elektrode ein und trifft bei 9 auf
eine Reaktionsschicht, die bei der Beschießung mit diesen Ionen Neutronen aussendet.
Die auf Hochspannung liegende Elektrode 7 nebst der Reaktionsschicht 9 ist durch
den Isolator io von Erde getrennt. Der Isolator io nebst der Elektrode 7 und der
Neutronenquelle 9 sind nun in einem großen Behälter untergebracht, der mit einer
isolierenden Substanz i2 gefüllt ist, die die schnellen Neutronen verlangsamt. Die
Wand des Behälters i i liegt auf Erdpotential. Der Elektrode 7 wird die gewünschte
hohe Spannung durch eine metallische Zuleitung 13 zugeführt, die mittels eines ebenfalls
mit isolierender Substanz gefüllten Isolators 1.4 eingeführt ist. Die Hochspannung
liegt also bei :dieser Anordnung am Isolator 1.4 und an dem relativ klein zu haltenden,
ganz in der isolierenden Substanz eingebetteten Isolator io. Die Kühlung der Reaktionsschicht
9, die sich bei der Ionenbeschießung erwärmt, kann durch die isolierende und verlangsamende
Substanz selber
erfolgen, indem in dieser Substanz noch eine Zirkulation
hervorgerufen wird, oder man kann noch eine zusätzliche Kühlung an dem Auffänger
8 anbringen, indem man diesen Auffänger mit einem Kühlmantel umgibt und die Leitung
für das Kühlwasser in die Hochspannungsleitung 13 einbaut. Die Kühlwasserpumpe
mit dem Kühlwasserreservoir wird dann zweckmäßig außerhalb des Gefäßes i i angeordnet.
Das Auspumpen des gesamten Entladungsrohres geschieht durch den geerdeten Mittelteil
15, und zwar ist die Vakuumpumpe an den Stutzen 16 angeschlossen.
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Es ist bekannt, daß wasserstoffhaltige Substanzen nicht nur die schnellen
Neutronen verlangsamen, sondern die langsamen Neutronen auch wieder absorbieren.
Will man also eine möglichst intensive Strahlung langsamer Neutronen erhalten, so
darf inan die verlangsamende und isolierende Substanz nicht zu dick wählen, weil
sonst nach außen infolge der Absorption nur noch wenige langsame «Neutronen austreten.
Es gibt vielmehr für jede verlangsamende Substanz eine optimale Dicke, bei der,
falls die Neutronenquelle nahezu allseitig mit der verlangsamenden Substanz umgeben
ist, nach außen möglichst viel langsame Neutronen austreten. Die optimale Dicke
liegt bei Paraffinöl beispielsweise bei 1z cin. Wählt man die Dicke geringer, so
nimmt die Intensität an langsamen Neutronen etwas ab, weil die schnellen .Neutronen
noch nicht in genügender Zahl verlangsamt worden sind. Wählt man die Dicke wesentlich
größer. so nimmt die Zahl der langsamen .Neutronen ebenfalls wiederum ab, weil sich
dann die Absorption der langsamen Neutronen durch den Wasserstoff schon bemerkbar
macht. Diesem Gesichtspunkt muß man bei der Konstruktion der verlangsamenden und
isolierenden Substanz Rechnung tragen. Will man also z. B. besonders an einer bestimmten
Stelle eine möglichst große Intensität an langsamen Neutronen erhalten, so wird
man die verlangsamende und isolierende Substanz nach allen Seiten möglichst ausgedehnt
machen, und nur in der Richtung, in der man die langsamen Neutronen austreten lassen
will, wird man die isolierende und verlangsamende Substanz nur so dick wählen, wie
es für die Isolierung der Neutronenquelle gegenüber Erde gerade notwendig ist. Will
man sich einen Strahl Neutronen ausblenden, so wird man dann die die verlangsamende
und isolierende Substanz umgebende geerdete Hülle mit einer Substanz i;, z. B. Bor,
bekleiden, die langsame Neutronen absorbiert, und nur an der Stelle, an der die
langsamen Neutronen 'vorzugsweise austreten, wird man -die Borschicht durch eine
Blendenöffnung zum Austritt der langsamen Neutronen unterbrechen.
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Eine solche Anordnung hat also den Vorzug. daß sie eine intensive
Strahlung langsamer Neutronen liefert und daß inan, ohne Überschläge von der Hochspannung
befürchten zu müssen, unmittelbar an die Quelle mit den zu untersuchenden Gegenständen
herangehen kann.
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Ist die Spannung der Neutronenquelle sehr hoch, so ist die minimale
Dicke der verlangsamenden und isolierenden Substanz zwischen der Austrittsstelle
der langsamen Neutronen und dem Innenhohlraum, in dem die schnellen Neutronen gebildet
werden, oft noch immer sehr beträchtlich. Da die Konzentration der langsamen Neutronen
im Innern des von 1z gebildeten Hohlraumes am größten ist, wird die Neutronenintensität
beim Austritt nach außen durch die zwischen Hohlraum und Austrittsstelle liegende
verlangsamende Subtanz noch immer erheblich geschwächt, und zwar sowohl durch Absorption
wie durch Streuung. Falls die Schichtdicke nicht in geniigender Weise verringert
werden kann, vermag man gemäß der Erfindung auf folgende `.reise die Zahl der nach
außen tretenden langsamen Neutronen zu erhöhen. Man führt zu diesem Zweck die verlangsamende
und isolierende Substanz, die die Neutronenduelle umgibt, nicht einheitlich aus,
sondern ordnet im Innern dieser Substanz zwischen dem Innenhohlraum und der Austrittsöffnung`
der langsamen Neutronen einen isolierenden Einsatzkörper an, der unter Umständen
auch mit einer Flüssigkeit gefüllt sein kann und der einen Überschlag von der Neutronenquelle
zur Außenwand verhindert, der aber die Eigenschaft hat, die langsamen Neutronen
weniger ztt absorbieren und zu streuen als die umgebende verlangsamende Substanz
selbst. Ein solcher in die verlangsamende Substanz eingebauter Einsatzkörper hat
wegen seines geringeren Absorptions- und Streuvermögens gegen langsame Neutronen
für langsame Neutronen die Wirkung eines Kanals, aus dem sie praktisch ungehindert
von innen, d. h. dem Raum größter Konzentration, nach außen strömen können.
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Dieser Körper ist zum besseren Austritt der langsamen Neutronen nach
außen in die verlangsamende und isolierende Substanz eingesetzt. Es kann z. B. ein
Porzellankörper verwendet werden, da Porzellan langsame Neutronen sehr viel weniger
absorbiert und streut als eine wasserstoffhaltige Substanz gleichen Volumens. Diesen
Körper kann man auch so ausführen, daß man ihn als dünnwandigen isolierenden Körper
ausführt und ihn mit einer isolierenden Substanz füllt, die möglichst wenig leichten
Wasserstof
enthält. Eine solche Substanz ist z. B. Paraffinöl;-
bei dem der leichte' Wasserstoff durch schweren Wasserstoff ersetzt ist.-Hat der
Einsatzkörper keine. genügende elektrische Festigkeit oder können an seiner Oberfläche
Gleitentladungen auftrete, so ist es zweckmäßig, diejenigen Stellen, an denen die
langsamen Neutronen austreten,. nebst ihrer weiteren Umgebung aus einem isolierenden
Werkstoff herzustellen und erst- die--Außenseite dieses Werkstoffes mit der geerdeten
Hülle zu umgeben. Bei einer solchen Einrichtung kann man im allgemeinen den isolierenden
Werkstöff, bei§pielsvieise Porzellan, so dünn- wählen, daß der Austritt=der--langsamen
Neutronen praktisch -nicht merklich gehindert wird. -Da bei dem Einbau von isälierenden
Körpern in die- verlangsamende und isolierende Substanz immer eine gewisse Gefahr
besteht, daß längs der Oberfläche des eingebauten Körpers ein Durchschlag stattfindet,
so wird man die Oberfläche dieses eingesetzten Körpers 18 nicht glatt ausführen,
sondern, wie Abb. 2 zeigt, in -geeigneter Weise mit zahlreichen Rippen versehen.
Desgleichen -Wird man den isolierenden Werkstoff, mit dem man den Behälter an der
Austrittsstelle der Neutronen-und ihrer weiteren Umgebung abschließt, auf der Innenseite,
die an die v erlangsamen:de und isolierende Substanz angrenzt, nicht glatt ausführen,
sondern ebenfalls mit Rippen versehen.
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Bei der letztgenannten Einrichtung, die Abb. 3 zeigt, bei der der
Behälter in der Nähe der Austrittsstelle langsamer Neutronen durch einen isolierenden
Werkstoff i9 abgeschlossen ist, kann man als Einsatzkörper, der die langsamen Neutronen
nur wenig absorbiert und streut, einen Hohlkörper verwenden, der mit Gas gefüllt
ist oder evakuiert ist.
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Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung, bei der der
in die verlangsamende und isolierende Substanz eingesetzte Körper, der die langsamen
Neutronen nur wenig absorbiert und streut, die Form eines abgestumpften Kegels 18
aufweist. Diesem Körper eine solche Form zu geben, ist dann wichtig, wenn die langsamen
Neutronen nur durch eine relativ kleine Öffnung austreten sollen.
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Schließlich ist es für manche -Versuche hoch von Bedeutung, sich gegen
die von der Neutronenquelle ausgehenden schnellen Neutronen zu schützen. An denjenigen
Stellen, an denen die isolierende und verlangsamende Substanz große Dicken hat,
ist ein solcher Schutz schon durch die große Dicke dieser Substanz. vollkommen vorhanden,
da ja diese Substanz die schnellen Neutronen verlangsamt und damit ihren Austritt
nach außen bzw. ihre schädigende Wirkung verhindert. An denienigen Stellen aber,
an denen langsame Neutronen bevorzugt austreten, treten auch häufig schnelle Neutronen
bevorzugt aus, einmal weil an dieser Stelle die verlangsamende Substanz die geringste
Dicke aufweist (Abb. q. bei 2o), andererseits -weil an dieser Stelle Körper eingebettet
sind, die die langsamen Neutronen nur wenig absorbieren und streuen-. Diese Substanzen
haben. aber die. Eigenschaft, auch die schädigende Wirkung Tier schnellen Neutronen
nur wenig 'heruhterzusetzen. In denjenigen Fällen, in denen die in Richtung der
langsamen Neutronen austretenden schnellen Neutronen stören, kann man sich dadurch
helfen, daß man den-die langsamen Neutronen nur wenig absorbierenden und streuenden
Körper, in bezug auf die Quelle schneller Neutronen derart anordnet, daß die Richtung,
in ,der die langsamen Neutronen durch ihn bevorzugt hindurchgelassen werden, nicht
mit der Richtung übereinstimmt, in der die schnellen Neutronen von der Neutronenquelle
unmittelbar ausgesandt werden. Man kann dies in .einfacher Weise dadurch erreichen,
wie Abb. 5 -zeigt, daß man die innere Abschlußfläche des Einsatzkörpers 2i nicht
unmittelbar-der Quelle schneller Neutronen zuwendet, sondern diese, wie dies in
Abb. 5 angedeutet ist, etwas oberhalb der Quelle schneller Neutronen anordnet. Da
der Innenhohlraum, besonders wenn er genügend weit in die verlangsamende - Substanz
hineinragt, nahezu gleichmäßig dicht mit langsamen Neutronen angefüllt ist, vermindert
eine solche Anordnung die Zahl der nach außen austretenden langsamen Neutronen nur
unmerklich. Trotzdem ist der Beobachtungsort nun gegen schnelle Neutronen durch
eine erhebliche Dicke der isolierenden und verlangsamenden Substanz abgeschirmt.