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Dissertation Entwicklung eines neuartigen Speichers

1. gt Joala Hoi BZ ae jy z sg 4 _ o gt GS d ale E 0 Sjaj ala 00 Be ie gt ka F P S N osz ay HR S d a s IS p lis u U f olje fa 2 2 el A H o Sum A a A ls Q oO Al 3 Lol 4 oHa Ai o ja Y P 5 L LL o Ea w oo A or U el EI 29 gt Li 023 LJ k D N _ D 3 oO D gt a D SOL 08 GS WW 0071 Abbildung C 12 Die untere Plattform inklusive Teile des Magnet Drehgestells Die 15 mm Al Platte wird durch 2 Edelstahl Profilrohre unterst tzt und tr gt das ITEM Gestell zum Einsetzen des Vakuumgef es 212 C Konstruktionszeichnungen Au enseite Vakuumseite ae A 360 a fa E wn bi gt 4 z Wi a M A o o wo ln Sin al oO wn OT e ell Rc a ER ae ple S oje S ae DJd o SAs v Cael be on a D E 310 H fH ei 24 0 M 10 5 G H p TR 4 EN S a CH H A gt 9T 3 i VO ht bai lt Y 8 la SR Abbildung C 13 Die Magnetfelddeckel des Vakuumgef es Sie werden von innen mon tiert und
2. 1050 310 mm 100 Abbildung 4 24 Die Dimensionen des Vakuumgef es mit eingezeichneter Position des Speicherkristalls Blau Einheiten in mm starken Edelstahlring verst rkt der auch die Nut f r den etwa 3 m langen Dichtungsring sowie die Gewinde der Befestigungsschrauben des Hauptdeckels aufnimmt Diese Kon struktion gew hrleistet dass sich die Seitenteile auch bei dem rechteckigen Querschnitt des Gef es aufgrund des Luftdrucks etwa 1 kg cm nur minimal durchbiegen Um die s M6 Schraubenl cher Material Al LN Pi Dicke 20 mm a SN Abnehmbare Griffe D d 1050 mm Ss Eu Z 72 mm Abbildung 4 25 Der obere Hauptdeckel des Vakuumgef es mit abnehmbaren Griffen ben tigte Dichtheit des Hauptdeckels zu gew hrleisten und ein nachtr gliches Verformen beim Schwei en auszuschlie en wurde der obere Ring erst nach Abschluss aller Schwei ar beiten planar gefr st und die Dichtungsnut in einem Schritt angefertigt Der Hauptdeckel wurde aus 20 mm dickem Aluminium gefertigt und ist mit dem Vakuumgef ber 49 Tn einer ersten N herung entspricht die Durchbiegung der Seitenw nde der eines mit einer Fl chenlast belasteten beidseitig eingespannten Balkens und kann analog der Durchbiegung des Einkristalls aus Ab schnitt 4 5 2 behandelt werden 4 4 Das VakuumgefaB dD M6 Imbus Schrauben verbunde
3. II VISHA y00foaa 1002 01 82 eqed PV TOOWAA SHA cet ezts n qUeUMD0q sTeas a TW yosueTyunnyeA togra ILY Texer UTIIeN IA Ty lf ll rat wu 9 T art Sort L Vs L V Y iw D N _ BE a 9 Ce yruyosiang La 8E Ps IM SIJUN Se wu 67T HSIAO Abbildung C 16 Adapterflansch zum Anschluss der Vakuumpumpe C Konstruktionszeichnungen 216 II WLSSA yoelorg Z00Z P0 LT 372a PV ZOOAIHI SHA ZFT zTS IN 4u wm oq AIS T ATA Tw yosueTa AH rant ILY Teyer urtz 2ew IA E I ra 3378 391 y Laie Sy7as yosuerg ew ana ew D 30 SE 9ET oz QW opurmasyoopypors 021 SE SET Ww Abbildung C 17 Die Vakuumdurchf hrung der zwei Hochfrequenz Leitungen 217 II WISHA yeforg TOOZ TL S KE vw TOOLSH SdA ZC 92ZTS IN Jusunsoq STeas T ATA yosueTy Zoe Tratt ILIY TexXec UFEN Id La wu Gott ra gt 80T bpd G Z Spg y Ed j oO sta sea sta lt ei 08 Lef SET D N 1 eqtesutd SIA EE a 6 m N l wn e
4. 6000 N 6000 A n o a 1653 o 1655 4000 Sg 4000 Pe S 5 5 E At 200 us At 200 us 3 2000 ZS 2000 t21 400 pes t O o a o 53 0 54 0 55 0 56 0ms 53 0 54 0 55 0 56 0ms Detektionszeit Detektionszeit 6000 6000 1656 N o a T 4000 4000 iy O S S 3 At 100 ps S At 100 ps 2 2000 ty 200 us 5 2000 ty 300 us Z zZ o o 53 0 54 0 55 0 56 0ms 53 0 54 0 55 0 56 0ms Detektionszeit Detektionszeit Abbildung 5 19 Demonstration des Puls Modus Der Spinflipper wurde jeweils zwei mal w hrend eines ISIS Pulses aktiviert Die h here graue Kurve ent spricht der Leermessung die blaue Kurve der Messung mit aktivem Spin Flipper Die rote Kurve stellt die auf den Beam Monitor normierte Differenz der Messkurven dar Zus tzlich ist das Ansteuerungssignal des Flippers mit einem Offset von 2 22 ms eingezeichnet At gibt die Dau er t21 den Abstand zwischen den ansteigenden Flanken der Flipperpulse wieder Standardm ig 50 Hz Betrieb treffen die von ISIS stammenden Neutronenpulse alle 20 ms ein womit t21 w hrend des Bef llens des Speichers f r Mehrfachpuls Speicherung in der Regel ein ganzzahliges Vielfaches dieser Zeit betragen wird z b 40 oder 80 ms Um hierbei bereits gespeicherte Neutronenpulse nicht zu beeinflussen stellt die gew hlte Dauer von etwa 200 us eine realistische Anforderung dar In Abb 5 19 ist das Ergebnis dieser Versuche zusammengefasst Die h here graue Messk
5. o S IER SKS H Pi e Eur m Mw o o g 9 gj L o w gt e oi Bry p gt 8 Sipi ls Al wily IS 22 4 22 Jo MH aly Je o gig ja lole S ol Hi mio Aa A o z leel GHJA rn 18 E n 0 3 E F 5 guo o el 4 SBS KE OH 1 amp 1 4 7 D Abbildung C 5 Die Position der Sacklochgewinde in der Bodenplatte des Vakuum gef es zum Befestigen der inneren rot und u eren blau Plattfomen Zus tzlich ist die Position des Neutronenleiters eingezeichnet 205 gt Q H gm AA H jg H Ki H 5 et v s B A 5 al ojgl j 00 Jl S oE D V y ar n Dt D m o t Elw E a dron 8 aX D lee oO CH v Sigii 3 y v E 4 AE o x HISS ive DR i v J ealg 2 2 I85 A E ei od Dy 48l E o Sai HIP l S g E E loa D a a v DB S a Q 2 E O 5 n SEI m SES a ww 009 Abbildung C 6 Die Dimensionen der oberen Plattformen sowie ihre relative Position zum Speicherkristall Die Plattformen sind mit einem M4 Gewinderaster 34x34 mm versehen und dienen zum Aufbau der Detektoren Blenden etc C Konstruktionszeichnungen 206 II WLSHA qoel
6. einer zeitlichen Breite Atp von 5 5 ms sowie 3 ms untersucht die somit gro gegen ber Dieser Kristall verwendet somit die gleiche Wellenl nge A 6 2712 A f r R ckstreuung wie VESTA 1 4 Speicherung von freien Neutronen 31 der Schwingungsperiode Tp von 22 3 us waren als auch kurze Pulse mit einer zeitlichen Breite von Atp 33 us und einer Energiebreite von AE 1 23 ueV Doppler Drive im 1 Hz Betrieb untersucht Da der Gradient im Gitterabstand zeitabh ngig ist wird auch der gestreute Strahl zeitlich moduliert Ist hierbei die Zeit die die Neutronen f r das Durchqueren des Kristalls ben tigen kleiner als die halbe Schwingungsperiode tr lt Tp 2 dominiert die Einfachstreuung und der Strahl wird mit der doppelten Frequenz moduliert Mit zunehmender Energiebreite des einfallenden Strahls nimmt hierbei der Kontrast der Modulation ab Abb 1 12 zeigt das Ergebnis einer Messung mit einem 3 ms langen Puls Im Vergleich zum ruhenden Kristall wird das Maximum der transmittierten Intensit t erst 250 us sp ter erreicht Analog erh ht sich die Intensit t am Ende des Pulses f r et wa 250 us Dies entspricht einer Speicherzeit von 11 Perioden Tp Diese Struktur der im Inneren des Kristalls gespeicherten Neutronen zeigt sich in Abb 1 13 die mit Hilfe einer Monte Carlo Simulation von sehr kurzen Pulsen Atp lt Tp AE 1 9 ueV gewon nen wurde Die H he der verz gerten Pulse nimmt rasch ab Hierbei korreliert die Dauer der Verz
7. Kenndaten des Plattenkondensators Al Platten 50x20x0 5 mm Isolation Teflon 0 5 mm berdeckung 38x20 mm Plattenzahl 2 12 Plattenabstand 3 mm Min Kapazit t 4 pF Die Hochfrequenzspule Die Hochfrequenzspule besteht aus einem mit Silber ummantelten Kupferdraht 1 5 mm der in 14 Windungen um die Mitte des Neutronenleiters gewickelt wurde Um die Spule aufzunehmen wurde auf einer L nge von 10 cm der Neutronenleiter rundum um 2 mm abgefr st wodurch die in Abb 4 1 dargestellte Cut Out Section entstand 116 A VESTA TT Neutronenleiter Spule 55 mm t h 44 5 mm Abbildung 4 14 Die verwendete Rechteckspule Breite t H he h L nge l mit dem bei VESTA verwendeten Speicher Koordinatensystem Zur Bestimmung einer geeigneten Windungszahl wurde ein Plexiglas Modell des Neu tronenleiters welches den mittleren 20 cm des Glasleiters entspricht angefertigt und der Resonanzkreis an diesem Modell aufgebaut S mtliche in 5 1 3 beschriebenen Messungen in Wien wurden anhand dieses Testflippers durchgef hrt und die Konstruktion erst nach abgeschlossener Optimierung auf den originalen Neutronenleiter bertragen Durch die verk rzte L nge des Modells konnte auch das Magnetfeld im Inneren der Spule leichter gemessen werden wenn auch wegen des Fehlens geeigneter HF Me sonden nur bei nied rigen Frequenzen lt 10 kHz Das Magnetfeldes einer solchen Spule mit rechteckigem Querschnitt wird im folgenden Abschnitt analytis
8. 16Dje berlegungen zum Drehpunkt der Neutronenleiteraufh ngungen flossen wiederum in die Kon struktion des Vakuumgef es ein Ein Ber hren des Kristalls durch den Leiter k nnte zu dessen Besch digung f hren und ist deswegen unbedingt zu vermeiden Neben speziellen Endschaltern ist auch die Verwendung von mechanischen Sperren empfehlenswert 4 5 Innerer Aufbau _ SS 137 zwei m gliche Drehpunkte gezeichnet und mit einer Rotation um die Neutronenleitermitte verglichen Die gezeichnete Bewegung entspricht der maximalen Fahrstrecke der verwen deten Linearmotoren von 12 5 mm Die effektiv verwendete Justierung beschr nkt sich jedoch auf einen Bereich von wenigen Millimetern Wird wie in Abb 4 33 b ein Drehpunkt unterhalb des Neutronenleiters gew hlt ergibt sich eine starke Bewegung entlang der z Achse 1 5 mm bei geringer Bewegung x3 4 entlang der x Achse Dies stellt eine be sondere Gefahr f r die empfindlichen Speicherplatten dar da es somit zu einer Ber hrung der Platten kommen kann bevor der Leiter die massivere Basis ber hrt Zudem ergeben sich dadurch unterschiedliche Spaltbreiten zwischen den beiden Enden des Neutronenlei ters und den jeweiligen Speicherplatten Diese Spalten stellen eine der Hauptverlustquellen f r gespeicherte Neutronen dar Aus diesen Gr nden wurde eine Justierung gem Abb 4 33 a gew hlt bei der der Neutronenleiter frei drehbar an seinem bez glich der Strahlrichtung vorderen Ende ge l
9. 227 E Kleines Photoalbum 228 D Kleines Photoalbum Abbildung E 1 E Jericha beim Zerlegen des Vakuumgef es des ersten Neutronen speichers VESTA I in seiner Messposition 229 Abbildung E 2 Siliziumkristall im Kristallbett sowie ein Aluminium Modell des Speicher kristalls das Vakuumgef w hrend der Produktion die Testbeamline am Atominstitut Wien erster Test des Resonanzflippers im Vakuumgef 230 D Kleines Photoalbum Abbildung E 3 Der Resonanz Spinflipper im Testbetrieb Durch die abgestrahlte Hoch frequenzleistung kann eine Glimmlampe oder eine Neonr hre zum Leuch ten angeregt werden 231 i Abbildung E 4 Verschiedene Ansichten des Vakuumgef es Blick auf einen Polkern des NMR Magneten nach Abnahme eines Magnetfelddeckels Blick auf den Speicherkristall inkl Al Transportschutz und den Neutronenleiter durch den freien Flansch der Resonanzflipper in seiner Arbeitsposition hinteres Ende des Speicherkristalls und Hochfrequenz Durchf hrung 232 D Kleines Photoalbum Abbildung E 5 Das Einsetzen des Vakuumgef es in den NMR Magneten an ISIS 233 Abbildung E 6 Erste Justierarbeiten am installierten Experiment der messbereite Ver suchsaufbau von VESTA II inklusive pneumatischem Shutter 234 Historisches Ein Auszug aus dem MCR Protokoll des Cycles 1 2002 8 AUG 2002 23 31 End of user run 2002 1 8 AUG 2002 15 56 The Beam will be turned off for approximately 5
10. S 4000 40 gt 7 2000 20 0 0 53 0 53 9 54 0 54 5 55 0 55 5 56 0ms 80 8000 1652 a At 600 us 60 6000 S 4000 e 40 3 7 2000 20 Pe 0 Lr at La under ul 0 T T T T T T 53 0 53 5 54 0 54 5 55 0 55 5 56 0ms Detektionszeit s 1645 At 100 us 8000 6000 4000 2000 173 1649 At 300 us 8000 6000 4000 2000 1651 At 500 us 8000 6000 4000 2000 53 5 55 0 55 5 56 0ms 80 60 40 20 55 0 55 5 56 0ms 80 60 40 54 0 54 5 55 0 55 5 56 0ms Detektionszeit s Abbildung 5 28 Variation des Zeitpunktes fiir den ersten Spinflipper Puls in 100 ps Schritten Die vertikalen Linien grau geben den Ein uns Ausschalt zeitpunkt des Flippers an Die h here gr ne Kurve linke Skala zeigt den Hauptpuls nach dem Analysator Die niedrigere blaue Kurve rech te Skala zeigt den ber 4 Traversen gespeicherten Neutronenpuls der gem seiner Speicherzeit mit einem zeitlichen Offset von 13 493 ms dargestellt ist 174_ CS Experimentelle Ergebnisse Zusammentassung Charakterisierung und Optimierung der urspriinglichen Anlage Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine ausfiihrliche Charakterisierung des bereits bestehen den Neutronenspeichers VESTA I durchgef hrt So wurde unter anderem der Einfluss der Neutronenleiterausrichtung bei h heren Speicherzeiten experimentell untersucht so wie Schaltzeit
11. wahrscheinlichkeit f r Neutronen betr gt f r den ersten Puls etwa 66 und sinkt f r den zweiten Puls auf unter 50 Dies zeigt sich deutlich in der verminderten Z hlrate beim Entleeren des zweiten Pulses 367 ms Analog zum ersten Puls befand sich Neutro nen des nachfolgenden Pulses 3 in der N he der Kristallplatten und entkommen gem ihrer Transmissionswahrsscheinlichkeit Zus tzlich folgt dem zweiten gespeicherten Neu tronenpuls jener Teil des ersten Pulses nach der im Speicher verblieben ist Einige dieser Neutronen n tzen wiederum das noch bestehende Magnetfeld um aus dem Speicher zu entkommen Die h here Z hlrate des zweiten Teils des ersten Pulses 367 5 ms im Ver gleich zum dritten Puls 366 5 ms liegt wiederum darin das bereits beim Speichern des dritten Pulses die Transmissionswahrscheinlichkeit auf unter 25 gefallen ist und somit nur noch 1 4 der speicherbaren Neutronen in den Speicher aufgenommen wurden Diese Effekte treten analog f r die nachfolgenden Pulse auf Nicht ber cksichtigt werden in die ser Messung jene Neutronen die analog zu den Effekten beim Entleeren w hrend des Bef llens entkommen und sich somit Richtung Quelle bewegen Durch die rasche Abnahme der Z hlraten eignen sich nur die ersten zwei bis drei Pul se f r Speichermessungen Zusammen mit der unver nderlichen Breite der Magnetpulse werden der Mehrfachspeicherung Grenzen gesetzt Durch Variation der Pulsreihenfolge beim Entlassen sowie unt
12. y 1 y sinh A 1 y2 ou Cd R y eo Il 1 sin Ay y2 1 2_14sin Ay 1 y ou Se A qD ke k Ak By URN fo Do kA ee STR ie e We 1 gt w 14 vc EEN k 2r Nbe f 1 Ap 0G a Gell k kZ R y Wisi Dicke Kristall y a m yl gt Dicke Kristalle Reflexion an einem Neutronenleiter n gt n _ Nbc _ AN vo u 2a E re A Nbe AN eil GE ee 20 Fa An A A d a Ae Nbc 1 lt 6 2 R TT EE y Ei 0 gt 0 1 1 Neutronen in Magnetfeldern Polarisierte Neutronen Be EE BR a Do Sech D dE e e o et P 1 f si shor i 04 2 oi xlo ZW d P P ale TP mB x Pe Zeeman Energieaufspaltung u2m AE FnB k PER B Als 55 A 2 Magnetfeld einer Rechteckspule 18 Resonanz Spinflipper Flip Wahrscheinlichkeit sin B l tie EN ees ee oat Wrup L Bo Bye w ho 2HnBo Bo WRes Se ER Zu ICH a a Un Du l T th Un _ h Pee _ Bis Sa Strom in Resonanzspule 2 1 ee J Buas ol unl Unh h2 nz Zuel ue in Nutte A Bloch Sievert Shift B 1 Wr Yn Bo 1 iz Bosz z Prot A 2 Magnetfeld einer Rechteckspule Gegeben sei die in Abb 4 14 skizzierte rechteckige Spule der H he h Breite t und L nge 1 deren Symmetriezentrum im Koordinatenursprung liegt Weiters sei N die Anzahl der Windungen pro L ngeneinheit und J der in einer Windung flie ende Strom Das Magnet feld Bz By Bz eines beliebige
13. 27 Abb 1 9 zeigt den schematischen Aufbau eines Gradienten Flipper Tests aus 28 1 4 Speicherung von freien Neutronen 7 COPPER MONOCHROMATOR GRADIENT MAGNET 0 6 PERFECT Ne Si CRYSTAL Ga SC A RF COIL 0 4 0 2 DETECTOR i L Pees 0 4 8 12 16 20 24 28 B Gauss Abbildung 1 9 Schematischer Aufbau und Ergebnis einer Gradienten Flipper Messung 2 03 A Bo 2 02 T aus 28 Die gepunktete Linie entspricht der Flip Wahrscheinlichkeit eines homogenen RF Flippers die durchgezogene Linie der numerischen Simulation 1 4 Speicherung von freien Neutronen Die Speicherung von Neutronen reiht sich nahtlos in das Gebiet der Neutronenoptik ein und ben tzt dessen Erfahrungen und Techniken W hrend die Speicherung thermischer und kalter Neutronen nach wie vor ein relativ junges Forschungsgebiet darstellt stellt die Speicherung von ultrakalten Neutronen UCN ein etabliertes Gebiet mit herausragenden Erfolgen dar 29 30 31 Neutronen mit sehr geringer Energien und dementsprechend langen Wellenl ngen werden von geeigneten Materialien wie Cu Ni Graphit unter je dem Einfallswinkel reflektiert Daraus ergibt sich die M glichkeit des Einschlusses dieser Neutronen in geschlossenen Beh ltern sogenannten neutron bottles Aufgrund ihres magnetischen Dipolmoments ergibt sich auch die M glichkeit sie mittels magnetischer Multipolfelder in Ringen zu speichern 32 Die Speicherung von UCN lief
14. 27 28 33 33 34 37 38 41 42 44 46 47 ol 54 54 97 67 68 68 72 74 77 85 88 89 92 94 8 Inhaltsverzeichnis 4 VESTA II 99 4 1 Die Neutronenoptischen Komponenten ooa a 100 4 1 1 Der Perfektkristall 100 4 1 2 Der Neutronenleiter 20 2 nn 104 4 2 Das Statische Magnetfeld Du 104 4 2 1 Kenndaten des Magnetfeldes Dn 106 4 2 2 Steuerung des Magnetfeldes 109 4 3 Das Hochfrequenzfeld 22 2 CE rm nn 110 4 3 1 Frequenzerzeugung 2 2 2 nommen 111 d A Sisnal bertragung un en ae Oe Sa AN 112 4 3 3 Der Radio Frequenz Schwingkreis e 114 4 3 4 Ansteuerung des Schwingkreises e 118 4 3 5 Pulsbetrieb des Resonanzkreises 2 2 2 2 mn nn 122 4 3 6 Installation der RF Anlage an ISIS 2 22 2 nn 125 4 4 Das Vakuumgef 126 AAV Anforderungen een fea sea RO ee th Ne ta ni 126 44 2 Realisierung 0 044624 04 sa Ba Se ee ees 127 4 4 3 Vakuum Pumpsystem 130 4 5 Innerer Aufbau 132 4 5 1 Die Auflageplatten 132 4 5 2 Das Kristallbett e 133 4 5 3 Die Neutronenleiterjustierung 135 4 6 u ere Justierung und Halterungen 139 4 6 1 Das Grundger st 140 4 6 2 Untere Plattform und Vakuumgef Halterung 140 4 6 3 Obere Plattformen 141 4 7 Detektoren und Datenerfassung 142 4 7 1 Datenerfassung und Steuerelektronik 143 5 Experimentelle Ergebnisse 145 5 1 Messungen am Atominstitut Wien 146 5 1 1 Der Forschungsreaktor Wien aoaaa aaa 146
15. 5 1 2 Die 3D Depolarisationsanlage 148 5 1 3 Erste Resonanzmessungen in Wien 151 5 2 Messungen an der Neutronenquelle II 153 5 2 1 Experimente mit polarisierten Neutronen 153 5 2 2 Flugzeit Messungen e EE NI ee EO re an 156 5 2 3 Bestimmen der Resonanzbedingung 2 2 a a a 158 5 2 4 Bestimmen der Amplitudenbedingung 160 5 2 5 Kontinuierlicher Betrieb des Spin Flippers 161 5 2 6 Synchronisierter Betrieb des Spin Flippers 162 5 2 7 Speicherergebnisse mit polarisierten Neutronen 165 5 2 8 Speicherergebnisse mit unpolarisierten Neutronen 166 5 2 9 Vergleich der Speicherung von pol und unpol Neutronen 166 5 2 10 Ein Vergleich von neuer und alter Anlage bei kurzen Speicherzeiten 169 5 2 11 Zeitliche Variation des ersten Speicherpulses 171 6 Zusammenfassung 175 Inhaltsverzeichnis A Formelsammlung A 1 Allgemeine Formeln A 2 Magnetfeld einer Rechteckspule B Tabellen B 1 Verwendete Konstanten B 2 Kenndaten der Komponenten B 3 Parameter File des Steuerprogramms C Konstruktionszeichnungen D Datenbl tter E Kleines Photoalbum 187 187 189 193 193 195 197 199 221 227 10 Einleitung Die Geschichte des Neutrons Ausgehend von der Vermutung Sir Ernest Rutherfords in seiner ber hmten Bakerian Lec ture to The Royal Society 1920 dass es neben Protonen auch elektrisch
16. Dichte 2 52 g cm Au enma e 55 2 x 45 8 mm Masse 3 650 kg Innenma e 43 x 26 mm Glasdicke 6 10 mm Cut Out 100 x 2mm 4 2 Das Statische Magnetfeld Bo Bei dem verwendeten Magneten handelt es sich um einen NMR Forschungsmagneten des Typs B E 25 C8 der Firma Bruker Physik AG Karlsruhe ausgestattet mit einem Dreh gestell des Typs Z 12 Die Magnete des Typs E 25 besitzen eine Polkern Stirnfl che von 250 mm ein geschlossenes Doppeljoch aus zwei Jochflanschen und zwei Jochstegen sowie 4 2 Das Statische Magnetfeld By 105 860 mm 380 mm 660 mm 680 mm 1205 mm 740 mm Fe 165 gt L 1020 mm 700 mm 1400 mm Rl 800 mm K K gt Abbildung 4 4 Abmessungen des verwendeten Forschungsmagneten Bruker B E 25 C8 inklusive des Drehgestells Z12 kontinuierlich verstellbare Polkerne Hergestellt wurden sie aus magnetisch weichem spe ziell thermisch behandeltem Sonderstahl mit einem P und S Gehalt von maximal 0 035 Auch bei hohen Feldst rken im Luftspalt ist das Eisen des Jochs weit von der magnetischen S ttigung entfernt und tr gt wenig zum magnetischen Gesamtwiderstand bei Die Anti parallelit t der Stirnfl chen betr gt h chstens 1 100 mm im Mittel h chstens 1 200 mm Zur Erhaltung der im Werk eingestellten Parallelit tsjustierung sind die Polschuhe in den F hrungsbuchsen gegen Verdrehen gesichert
17. F r jeweils 5 Sekunden werden die Ereignisse im Detektor addiert und danach die Speicherkanalnum mer erh ht Im Spektrum der MCSII wiederholt sich somit der gescannte Bereich w hrend 2400 N ire 5 2300 e 3 3 2200 Zz 2 2100 9 bei 2 2000 oO A 1900 0 200 400 600 800 1000 1200 Kanalnummer Abbildung 5 4 Die Rohdaten einer DEPOL Messung Durch den Sweepmodus des Si gnalgenerators wiederholen sich entsprechende Frequenzen periodisch einer Messung Uber die verstrichene Zeit kann jedem Kanal der Rohdaten Abb 5 4 eine Frequenz zugeordnet werden wodurch sich die verschiedenen Durchl ufe addieren lassen und zu einer verbesserten Statistik f hren Der Magnet wurde f r die Messung auf eine Eine fr her bestehende Trennung der Stromkreise und ihrer Erden in Experimentier und Steuerkreis wurde im Laufe der Jahre aufgehoben Dieses Konzept entspricht auch der Funktionsweise der Abschirmung durch das Vakuumgef 1620 D Experimentelle Ergebnisse Spaltbreite von 9 cm eingestellt Da sich die Hallsonde direkt an der Stirnfl che eines Magnetpoles befand und die Steuerelektronik des Magneten ber die geerdeten Weichei senpole dem elektromagnetischen Feld der Spule ausgesetzt war kommt es zu deutlichen Abweichungen 200 G des angezeigten zum berechneten Magnetfeldes 18 5 a 18 0 ei 1735 g bei 17 0 Ex N S 16 5 5 D o Z 16 0 1545 22 8 22 9 23 0 23
18. Gummi des Kristalls wurden mithilfe der Bie gelinie berechnet Komponenten zerlegt werden 93 94 Im folgenden sei o die Dichte des Siliziums und q die durch das Eigengewicht verursachte Fl chenkraft wobei gilt q o bg hg g 13 732 N m In dieser Gleichung entsprechen bg und hg der Breite und H he der Kristallbasis g der Erdbeschleunigung Weiters sei F die durch die Endplatten wirkende Kraft 0 139 N auf die Randteile Mit dem Fl chentr gheitsmoment eines rechteckigen Balkens I bh 12 und dem Elastizit tsmodul von Silizium Ey ergeben sich die entsprechenden Ableitungen der einzelnen Komponenten der Biegelinie y aus Abb 4 32 zu 2b 3 3 1 Ei ae 3 Eylyys ala 2 2 qa F a 2 Byly Fab ui Eyl ZO 4 9 Fiir die gesuchte Bedingung der Biegelinie am Ort der Kristallplatten gilt somit 4 5 Innerer Aufbau _ LD 1 1072 mm x gt q i tyt A A q O R Abbildung 4 32 Berechnung der Position der Auflagepunkte Die Biegeline des Speicher kristalls kann zusammengesetzt werden aus der eines freien Stabes Mit telst ck mit durch das Eigengewicht verursachter Fl chenkraft q 1 den durch die Randteile auf dieses Mittelst ck wirkenden Momente 2 der Biegung des Randteils infolge seines Eigengewichts 3 sowie des Biegung der Randteils durch die Kristallplatten 4 YGes Y1 Y3 Y3 ya _ 2 qa qla F a oy 5 Fsa b S
19. Lett 7 238 240 1965 M Schuster C J Carlile and H Rauch Neutron storage between perfect silicon crystal plates Z Phys B85 49 1990 A Steyerl Effect of surface roughness on the total reflexion and transmission of slow neutrons Z Physik 254 169 1972 J A Ogilvy Wave scattering from rough surfaces Rep Prog Phys 50 1553 1987 G Evrard and M Jakel Simmulation of the VESTA Neutron Storage Devive 2002 H Rauch Perfect crystal and magnetic field beam tailoring In Proc of ICANS IX Villigen PSI page 125 1986 Luis W Alvarez and F Bloch A quantitative determination of the neutron moment in absolute nuclear magnetons Phys Rev 57 111 1940 B Alefeld G Badurek and H Rauch Observation of the Neutron Magnetic Reso nance Energy Shift Z Phys B 41 231 235 1981 G Badurek H Rauch and D Tuppinger Neutron interferometric double resonance experiment Physical Review A 34 4 2600 2608 1986 184 55 56 57 58 59 60 61 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Literaturverzeichnis H Freisleben and H Rauch Neutron Spin Flip Chopper with High Repetition Ra tes Nuclear Instruments and Methods 98 61 67 1972 J E Sherwood T E Stephenson and Seymour Bernstein Stern Gerlach Experiment on Polarized Neutrons Physical Review 96 6 1546 1954 W Just C S Schneider and C G Shull R Ciszewski Refraction of themal neutrons by shaped
20. Zu Untersuchung dieser Ein fl sse wurde eine Computersimulation 50 durchgef hrt die auf den realen Bedingungen des an ISIS installierten Instruments basiert Mit ihr l sst sich auch der Speicherpro zess in Orts und Impulsraum veranschaulichen Wie aus Abb 2 8 ersichtlich werden die speicherbaren Neutronen die gem ihrer Verteilung im IRIS Neutronenstrahl bei VESTA eintreffen links oben im Laufe von 100 Hin und R ckreflexionen ber den Neutronen leiterquerschnitt verteilt Im Impulsraum bedeuten diese Reflexionen eine Filterung die aus dem eintreffenden Spektrum jene Neutronen ausw hlen die im oben beschriebenen Akzeptanzbereich liegen Ergebnisse der Computersimulation bez glich der Justierung der Komponenten sind in Abschnitt 3 3 1 eingegliedert const 2 17 40 2 Physikalische Grundlagen Abbildung 2 7 Darstellung des Reflektivit tsbereichs Darwin gap y lt 1 als Funktion der Abweichung des Winkels 60 und des Wellenvektors 6k kg von der exakten Bragg Bedingung 0e bezeichnet den Grenzwinkel des Neutronen leiters bernommen aus 37 Urspr ngliche Verteilung Nach 100 Traversen R umlich Verteilung 630 87 630 86 630 85 630 84 Impulsverteilung Geschwindigkeit m s Geschwindigkeit m s 630 83 630 82 630 82 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Quadrat des Winkels mrad Quadrat des Winkels mrad Abbildung 2 8
21. gbaren Neutronen voll erf llt 178 D Zusammenfassung Angestrebte Arbeiten und Aussichten Bisher war es im Rahmen der von ISIS zur Verf gung gestellten Messzeit nicht m glich die Anlage optimal einzustellen Es konnte zwar die prinzipielle Funktionsweise dieser Anla ge demonstriert werden jedoch musste eine explizite Mehrfach Puls Speicherung knapp entfallen Die Demonstration der dadurch erm glichten Pulsmodulation und ihre Auswir kungen auf eine Intensit tserh hung stellen einen zentralen Punkt der geplanten Messun gen dar Einen weiteren wichtigen Schritt stellt die Optimierung des Resonanzkreises dar wodurch sich die in Abschnitt 5 2 4 beschriebene Spinflip Wahrscheinlichkeit von etwa 60 auf ann hernd 100 steigern lassen sollte Konnten schon jetzt durchaus mit dem Vorg ngerexperiment vergleichbare Transmissionswahrscheinlichkeiten beim Bef llen und Entleeren des Speichers erreicht werden w rde dies eine weitere Steigerung der pro Puls gespeicherten Neutronen um einen Faktor 3 4 bedeuten Um die kritische Stabilisierung des Magneten und seiner K hlung zu entsch rfen sollte der Einsatz eines Gradientenflip pers neuerlich diskutiert werden Durch die signifikante Reduktion der f r die Justierungen ben tigten Messzeit wird eine optimale Ausrichtung des Neutronenleiters auch bei hohen Speicherzeiten erm glicht Da diese Justierung f r das Speicherverhalten bestimmend ist sollten auch neue Speicher rekorde erreicht we
22. in einer weiteren Messung berpr ft werden Abb 5 22 b gibt den Zeitpunkt des Eintref fens der gespeicherten Neutronen vergr ert wieder Wie aus den entsprechenden Werten 1659 1641 in den vorhergehenden beiden Tabellen ersichtlich unterscheiden sich die Z hlraten um den Faktor 8 03 F r die Speicherversuche bei 10 Traversen ergibt sich ein vergleichbarer Faktor von 7 87 bei 16 Traversen ber gt er 9 12 Inwieweit der letzte Wert auf eine m gliche Depolarisierung der Neutronen im Speicher zur ckzuf hren ist sollte anhand von l ngeren Speichermessungen berpr ft werden Abb 5 22 a zeigt einen weiteren Effekt welcher aufgrund der verbesserten Statistik untersucht werden kann Es handelt sich hierbei um entkommene Neutronen also Neu tronen die an beiden Si Platten je einmal reflektiert wurden den Speicher jedoch danach ohne Einwirkung des Spin Flippers verlassen Diese Neutronen stammen aus den Rand bereichen des Aktzeptanzbereichs des Speicherkristalls 50 und d rften f r die hohen Verluste an gespeicherten Neutronen w hrend der ersten hundert Reflexionen verantwort lich sein Auff llig ist dass diese Neutronen im polarisierten Speicherversuch blau fast vollst ndig fehlen Dies erkl rt sich dadurch dass der Spin der Neutronen beim Bef llen des Speichers invertiert wurde Sollten diese Neutronen nun entkommen k nnen sie den 168 D Experimentelle Ergebnisse 1400 Beam Unpolarisiert isi Mon
23. ngsachse des Leiters Erst ab einem Winkel von 48 mrad entfernen sich beide Punkte vom Drehzentrum und bewegen sich Richtung hinteres Neu tronenleiterende Die folgende Tabelle zeigt die entsprechenden Werte f r die maximale Bewegung der Linearmotoren sowie f r eine durch Endschalter eingesschr nkte typische Bewegung AM lt 5 mm maximal typisch e 145 mrad 5 8mrad Ar 0 091 mm 0 014 mm z 0 243 mm 0 119 mm 622 0 425 mm 0 148 mm Ay 5 pm 0 7 um Betrachtet man noch zus tzlich eine m gliche Abweichung der Bewegungsachse 6 bez glich der y Achse wie sie bei einem dejustierten Einbau der Linearschlitten vorkom men kann erh lt man f r den Richtungsvektor des Linearschlittens 8 sin cos 2 4 11 Dies f hrt dazu dass sich in Abb 4 35 ein Punkt P nicht nach Q sondern nach Q bewegt Setzt man allerdings wieder eine obere Grenze f r einen fehlerhaften Einbau von 6 lt 1 voraus f llt die nderung von Ar und Ay minimal aus und kann im typischen Fahrbereich der Motoren vernachl ssigt werden Abbildung 4 35 nderung des Bewegung eines Auflagepunktes P unter Ber ck sichtigung einer Abweichung der Motorenachse gegen ber der y Achse um den Winkel Realisierung der Justierung Zum Einsatz kommen zwei Linearversteller des Typs M 126 DC der Firma Physik Instru mente PI die mittels integrierter 12 V DC Motoren betrieben werden Die Steuerung f r zwei Achsen erfolgt ber eine PC Einsc
24. 0 6 3 0 6 2 2 3 S T 04 T 04 E Es 0 2 0 2 0 9996 0 9998 1 1 0002 1 0004 0 5 1 15 2 2 5 3 1 8 Ge 5 kHz Bo T Belt Abbildung 2 22 Abh ngigkeit der Flip Wahrscheinlichkeit von der Stabilit t des Magnet feldes Bo sowie von der Amplitude des RF Feldes B bei konstantem Bo und einer Spulenl nge von 10 cm Weniger sensibel reagiert das System auf nderungen der Amplitude des Magnetfeldes DP welche sich gem dem sin B auswirken Die Entkoppelung der Amplituden und Frequenzbedingung erm glicht die Amplitude bei gefundener Frequenzresonanz langsam zu optimieren In Abb 2 20 sind diese beiden Bedingungen zusammengefasst Deutlich ist die sehr scharfe Frequenzbedingung sowie die breite Amplitudenbedingung zu erkennen 1 6 3 0 8 5 8 E p 4 0 6 4 ot Ci m 2 o4 3 BC a 0 2 2 E A 6 8 10 4 5 6 7 8 9 10 Wellenl nge Spulenl nge cm Abbildung 2 23 Links Abh ngigkeit der Flip Wahrscheinlichkeit von der Wellenl nge der Neutronen in Du wurde so gew hlt dass sich ein Maximum f r Neutronen der Wellenl nge 6 271 ergibt Rechts F r eine Flip Wahrscheinlichkeit von 1 ben tigtes Magnetfeldes B als Funktion der effektiven Spulenl nge in cm Analog zu B wirkt sich auch die Wellenl nge der Neutronen gem sin A aus Da sich die Wellenl nge zudem nur in der Amplitudenbedingung 2 34 und nicht in der Fre 6 Abh ngig von der G te Q des Resonanzkreises kann jedoch auch die Freque
25. 1 1 22793 Exp t 336 418 5 0867 10 5 t 0 22793 Die Verlustfunktion wurde hier auf 1 f r t 0 normiert Um den Speicher in einer Aufl sung von einem Millimeter zu simulieren wird nun ein Vektor mit 1064 Elemen ten erstellt und mit Hilfe der skalierten epithermischen Funktion bef llt OrigV Array 1 1064 0 CurrV OrigV Do OrigV i 10 EpiTherm 0 0264 1064 1 0 26 495 i 1 1064 Nun l sst sich mit der durch PosXT bersetzten Gleichung 2 39 ein neuer Index f r einen beliebigen Zeitpunkt tx berechnen und einem zweiten Vektor zuweisen Durch Addition der Elemente wird nicht nur die Reflexion an den Kristallplatten richtig beschrieben es lassen sich auch mehrere gespeicherte Pulse innerhalb des Resonators darstellen CurrV OrigV 0 Do CurrV PosXTli tx Verlust tx OrigV i i 1 1064 Do CurrV PosXTli tx dt Verlust tx dt OrigV i i 1 1064 Do CurrV PosXTli tx dt dt2 Verlust tx dt dt2 OrigV i i 1 1064 In dieser Kombination bezieht sich tx wie in Abb 2 27 auf die Zeit seit der die ersten Neutronen des zweiten Pulses die Speichermitte erreicht haben dt gibt an wie lange der erste Puls bereits im Speicher war An ISIS ergibt sich somit dt immer zu einem Vielfachen von 20 ms Dieses Berechnung l sst sich durch Einf gen weiterer Zeilen auf beliebig viele Pulse erweitern 10 Untersuchungen der verschiedenen Ursachen dieser Verluste finden sich in 37 sowie in 50 2
26. 2 p t 2 eh By mf i us d d 1 2 Jam h 2 v w Das Wegintegral liefert hier B x In t 2u 2u n 20 4 20 ln t 2u4 t 2u hey 2w t 2ut4 t 2u h 2v 4 1 2w NN _2 In A 2 Magnetfeld einer Rechteckspule 11 in t 2u t 2u h 2v I 2w N m i 2u 4 t 2u h 2v 0 2w m t 2u t 2u h 20 l 2w N in t 2u t 2u h 2v 4 1 2w N Nr ET FRI I in t 2u 2u h 2v 1 2w Zusammengefasst kann dies geschrieben werden als 1 NI By Ss EE k m n 0 In Gy 2u 4 t Ubu h 1 m2u 2 I er A 2 In unserm Fall entsprechen B und B den Streufeld Komponenten der in z Richtung ausgerichteten Spule Da H he und Breite einer Rechteckspule nur eine Frage der Definition sind sind die Gleichungen f r D und By quivalent Im Gegensatz dazu setzt sich die z Komponente L nge aus den Integralen entlang aller vier Oberfl chen zusammen nn N Er h 2 v eae 1 2 Ja h 2 v w pa il Bon a na dm Jus Ja y t 2 u mv C w Sig NE MR Nw An Jus Jan VIEW h 2 v C w ge MNI a oe t 2 u dn de an Ip Ip V t 2 u 1 0 E w Die Integration liefert eine Summe von 16 Termen B x arctan Qi 1 lt i lt 16 7 t 2u I 2w we h 2v a t 2u h 2v
27. 52 We now have a Klixon fault on one of the Main Ring dipoles We are in the process of resetting the interlock Beam should be restored within the next 45Mins 6 AUG 2002 15 39 At the moment we are experiencing a lot of trips caused by one of the extract kickers The experts are in attendance and attempting to rectify the situation 4 AUG 2002 10 02 The oil problem is still unresolved and and expert 235 236 4 AUG 2002 4 AUG 2002 4 AUG 2002 4 AUG 2002 3 AUG 2002 3 AUG 2002 2 AUG 2002 2 AUG 2002 2 AUG 2002 2 AUG 2002 1 AUG 2002 1 AUG 2002 1 AUG 2002 31 JUL 2002 31 JUL 2002 31 JUL 2002 31 JUL 2002 31 JUL 2002 31 JUL 2002 30 JUL 2002 30 JUL 2002 09 08 08 07 23 23 12 11 08 08 12 09 09 21 19 17 12 08 08 22 12 05 32 06 24 51 14 10 13 17 09 36 37 15 53 13 23 10 57 54 05 13 is now in attendance Update 11 00 The flow sensor is presently being replaced on the Kicker 0il flow circuit and we hope to restore beam shortly Update at 10 00 if problem persists Still experiencing difficulty with the oil flow on Kicker 3 Negative power supply Update at 09 00 Kicker 3 Positive supply is now fixed but there is an oil flow problem with Kicker 3 Negative supply presently Update at 08 30 There is a problem with an extraction kicker p s Update on progress at 08 00hrs Beam
28. 835 m s Da der Unterschied relativ gering ist und sich nur w hrend der Flugstrecke im homogenen Magnetfeld auswirkt etwa 25 cm ergibt sich im Rahmen der derzeit erreichbaren Speicherzeiten nur eine geringe Trennung der Neutronen mit unterschiedlicher Spinausrichtung etwa 25 us bei 1000 Traversen F r l ngere Speicherzeiten sollte sich dies jedoch auf die Form des detektierten Neutronenpul ses auswirken Da bei einem Typ I Speicher kein permanentes Magnetfeld vorhanden ist depolarisiert der Neutronenstrahl in ihm vollst ndig Gepulstes Magnetfeld Typ I ww Neutronenleiter u ww n lt Gespeicherte Neutronen _ gt N Si Perfektkristall N Detektor Magnet I Magnet II Typ II Statisches Magnetfeld Gauss 3 Neutronenleiter SC WE e N Gespeicherte Neutronen gt _ Detektor Si Perfektkristall NMR Magnet amp Spin Flipper Abbildung 2 19 Prinzip eines Neutronenspeichers vom Typ I oben sowie vom Typ II unten Die Diskussion erfolgt im Text Weiters sei angemerkt dass mit beiden Speichertypen jeweils beide Spin Komponenten gespeichert werden und sich somit auch die M glichkeit ergibt mit beliebig polarisierten Neutronenstrahlen zu arbeiten SA 2 Physikalische Grundlagen 2 3 1 Begriffserklarung An VESTA werden einige Begriffe verwendet die entweder von der gastgebenden For schungseinrichtung oder von
29. Buchse 15 polig H 136 mm 80 mm D15 D25 D15 j Y j r U U U j e EI on saa EE La i A gt 24 5 245 4 108 148 mm bd gt Abbildung 4 27 Elektrische Vakuumdurchf hrungen Links Der Hochfrequenz Flansch mit zwei N Typ Buchsen Rechts Der Signal Flansch mit zwei Sub D 15 Buchsen sowie einer Sub D 25 Buchse kurz zu halten und somit das effektive Saugverm gen der Pumpen zu steigern wurde die im Pumpstand montierte Alcatel Turbomolekularpumpe durch eine kleinere Pfeifer Bolzeus Turbomolekularpumpe ersetzt die direkt am Vakuumgef befestigt werden konnte In Kombination mit dem neuen Vakuumgef konnte der Druck dadurch von 107 mbar auf 10 6 mbar gesenkt werden Abbildung 4 28 Modifiziertes VESTA Pumpsystem 1 Vakuumgef 2 mechanisches Ventil 3 Isolationsst ck aus Kunststoff 4 Kreuzst ck 5 Pirani Me r hre 6 Penning Me r hre 7 Turbomolekularpumpe 8 Vor pumpe Als Me sonden kommen weiterhin die Penning sowie die Pirani Me sonde des Alcatel Pumpstandes zum Einsatz Diese Me sonden sowie die Turbo Pumpe sind ber eine Kunststoffverbindung mit dem mechanischen Ventil Abb 4 28 verbunden wodurch das Vakuumgef gegen ber der Masse des Pumpstandes elektrisch isoliert bleibt 132 A VESTA TT Kenndaten des Vakuumgef es Material Edelstahl Au enma e 418x1350x400 158 mm Masse ca 1
30. Ergebnis der Computersimulation Die Verteilung der Neutronen im Orts und Impulsraum bei ihrem Eintreffen am Speicher links und nach 100 Hin und R ckreflexion rechts 2 2 Neutronen in Magnetfeldern Al 2 2 Neutronen in Magnetfeldern Die bemerkenswerteste Eigenschaft des Neutrons ist wohl die Tatsache dass es ein magne tisches Dipolmoment der Gr e sh besitzt obwohl es nach au en elektrisch neutral ist Ein thermisches Neutron stellt ein nicht relativistisches Spin 3 Teilchen dar f r das die Spinkomponentenoperatoren mit Hilfe der Pauli Spinmatritzen fed fs E fk 6 ee i e Zl 0 cm a 1 81 5 hoi i x y z als geschrieben werden k nnen Die Erwartungswerte 0 xloilx Pi bilden die Komponenten eines axialen Einheitsvektors der als Polarisationsvektor be zeichnet wird In Bezug auf eine beliebige Quantisierungrichtung kann das Neutron nur zwei m gliche Zust nde einnehmen die gebr uchlicherweise als up und down bezeichnet werden Die Ausrichtung des Spins in einem externen Magnetfeld B ist mit einer nderung der potentiellen Energie des Neutrons verbunden der sogenannten Zeeman Aufspaltung AE Fin B 2 18 wobei un das experimentell bestimmte magnetische Moment des Neutrons ist F r ein Ensemble von Teilchen wie es ein Neutronenstrahl darstellt muss neben der Bildung des quantenmechanischen Erwartungswertes auch noch eine klassische statistische Mittelung be
31. Es ergab sich eine Z hlrate von ca 105 10 s Ist die Resonanzbedingung erf llt werden Neutronen deren Spin invertiert wurde vom Analysa tor absorbiert wodurch die Z hlrate sinkt Die Z hlrate als Funktion des Magnetfelds Bo 5 1 110 100 z oe 90 S 80 Pl N ot g 3 2 60 F 50 7935 7940 7945 7950 1955 7960 Magnetfeld Bo G Abbildung 5 12 Die Resonanzbedingung als Funktion der Magnetfeldes Bo bei einer kon stanten Anregungsfrequenz von 23 05 MH Die Messwerte Punkte wer den mit der Formel f r die Resonanzbedingung 2 33 verglichen Da eine Variation der Frequenz auch den Strom innerhalb des RLC Kreises beeinflusst liegt es nahe die Frequenz auf einem optimalen Wert bez glich des Schwingkreises einzustellen und konstant zu halten jedoch erlaubt die G te des Schwingkreises auch die Anregungsfrequenz in einem kleinen Bereich einige kHz zu ver ndern 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS _ 159 ist in Abb 5 12 wiedergegeben Das statische Magnetfeld wurde hierbei mittels des BH15 Feinpotentiometers in 0 1 G Schritten erh ht die Anregungsfrequenz betrug konstante 23 05 MHz Zus tzlich wurde noch ein Scan ber die Frequenz durchgef hrt Abb 5 13 90 F 80 70F Neutronenz hlrate 107 10 s 60 F 50 F 23 03 23 04 23 05 23 06 23 07 Frequenz MHz Abbildung 5 13 Die Resonanzbedingung als Funktion der Frequenz Das stati
32. Falle der Neutronenspeicherung ist dies die gepulste Neutronen und Myonenquelle ISIS nahe Oxford UK im Falle von Neutroneninterferometrie und Klein winkelstreuung ist dies das 18 Instrument am Institut Laue Langevin ILL in Grenoble Frankreich Da Strahlzeit an diesen leistungsstarken Quellen sehr begrenzt und oft mit er heblichen finanziellen Mitteln verbunden ist ist es unerl sslich die prinzipielle Funktions weise des geplanten Experiments vor einem Einsatz ausf hrlich zu testen Bestrebungen auch bei uns eine leistungsstarke Neutronenquelle AUSTRON zu verwirklichen werden bereits seit vielen Jahren betrieben Obwohl dieses Projekt bereits wichtige Schritte auf dem Weg zur Realisierung genommen hat und auch durchwegs positiv beurteilt wurde ist seine Zukunft nach wie vor noch nicht entschieden Nach meiner pers nlichen Meinung best nde die einmalige Chance eine internationale Gro forschungsanlage in sterreich zu errichten die nicht nur weltweit Anerkennung unter Neutronenphysikern finden wird son dern auch viele andere Forschungsrichtungen bereichern w rde Zumal Neutronenquellen sowohl in der Festk rperphysik aber auch in Biologie Arch ologie Chemie und vielen anderen Gebieten von zunehmender Bedeutung sind Zur Gliederung des Kapitels Gem ihrem Entstehungsort sind die Messungen in zwei Unterkapitel unterteilt Der erste Teil besch ftigt sich mit den vorbereitenden Messungen in Wien der zweite Teil stellt die n
33. Flipper Magnetfeld 0 5 ms Kristall platte I 150 us 0 1 687 3 373 5 060 6 747 8 433 Zeit ms Abbildung 2 25 Prinzip des Speicherns eines Neutronenpulses Die Energie der Neutronen wird durch zwei kurze Pulse des Spin Flippers so ver ndert dass sie die Bragg Bedingung am Speicherkristall erf llen bzw wieder verletzen if if n f f VE z cm re Kristall Zi SR platte II 0 p Spin Flipper Magnetfeld 1 5 ms 2 Kristall platte I 150 us a j 0 1 687 a 7 5 060 6 747 8 433 Zeit ms Abbildung 2 26 Prinzip des Speicherns mehrerer Neutronenpulse Hierbei kann die Ener gie nderung durch jeweils einen kurzen Spin Flip Puls hervorgerufen werden oder mehrere geeignet gespeicherte Neutronenpulse k nnen mit einem l ngeren Puls entlassen werden 2 5 Speicherung von Mehrfachpulsen 59 Neutronenfluss f r Neutronen der geeigneten Wellenl nge nur um den Faktor 2 2 statt 4 reduziert wird Neutronenpulse k nnen aber auch unabh ngig von der Frequenz der Neutronenquelle entlassen werden und stehen f r zeitabh ngige Messungen mit einer ei genen zeitlichen Struktur zur Verf gung Um den Spinflipper entsprechend der verschiedenen Szenarien effizient ansteuern zu k nnen ist es notwendig die Position und die Flugrichtung bereits gespeicherter Neutronen genau zu bestimmen F r diesen Zweck ist eine eindimensionale Berechnung am zwe
34. Kas sn o pun g Ren ILY Texec urg ew Ia DIE p 006 wu 7 X 00T X OOT TrJoxdtyeastopa A a o p ala o olo a Oo Y sn ks a gt o00 T amp KH i 009T Y S SH te el P i a BC 3 Sd 1 I P Ef 00 00 00 008 202 Magneten Abbildung C 3 Das Edelstahl Grundger st zur Justierung und zum Transport des NMR 203 REV 1 Size AA DI Martin J kel ATI oz EE soz Res 1 z a man 11 an 1 UY y als An 7 VTT en HX E FN 3 Y ft d ed BS y if z D Vakuumbox 3D Titel VESTA II Project VES VAC010 15 5 2003 Document Nr Scale 110 Date Abbildung C 4 Das Vakuumgef in verschiedenen Ansichten Zus tzlich eingezeichnet sind Speicherkristall und Neutronenleiter Die Justierung der neutronen optischen Komponenten ist angedeutet 204 O Konstruktionszeichnungen
35. MS2 L T BLANK STATE I RESET 4 0 amp BLANK gt fl o 5v De O T BLANK BLANK J TSEQ SEQ O Abbildung 4 21 Vorder und R ckansicht der Signalkonverterbox Die Umschaltung zwi schen den Moden erfolgt durch die Schalter PM TM Neben dem BLANK Signal steht auch ein invertiertes Signal BLANK zur Verf gung 4 3 6 Installation der RF Anlage an ISIS Aufgrund der hohen Leistung der RF Anlage war es notwendig den Betrieb des Spin Flippers mittels eines Interlock Systems zu verhindern sobald sich jemand innerhalb des Experimentierbereichs aufhalten kann Durch ffnen der Eingangst r des Experimentier bereichs wird die Stromversorgung AC 240V des Signalverst rkers unterbrochen Erst nach Schlie en dieser T re kann die Stomversorgung durch Dr cken der RESET Taste innerhalb der VESTA Kabine wieder freigegeben werden Um den Signalgenerator f r Wartungsarbeiten etc vom Interlock zu trennen muss ein Schl ssel aus dem ISIS Main Control Room MCR entnommen werden der es erm glicht die Metallklammer welche das gesch tzte Stromkabel am Verst rker fixiert zu l sen Interlock T r AC f O 240 V Hauptschalter OV Signalgenerator Konverterbox RLC Schwingkreis Abbildung 4 22 ISIS Interlock System fiir die betriebene RF Anlage 8Diese im Standard Betrieb sinnvolle Einsch tzung erschwerte jedoch die Optimierung des Resonanz kreises in der Testphase erheblich 126 A
36. Nachweis der Wellenl ngen nderung von Neutronen in einem Magnetfeld nach 58 Beschreibung siehe Text Eine weitere M glichkeit die Wellenl ngen nderung der Neutronen im longitudinalen Stern Gerlach Effekt nachzuweisen wird in 59 demonstriert Die kinetischen Energie Ep der Neutronen ergibt sich im Inneren des Magnetfeldes zu hk 2Mn By 5 F uB ki y k I woraus eine nderung des k Vektor 2 im Magnetfeld folgt Diese nderung kann mit ei nem Doppler Drive R ckstreu Spektrometer nachgewiesen werden vergleiche Abb 2 16 Der Doppler Drive erm glicht hierbei die Energie der Neutronen zu variieren ein semi transparenter Detektor registriert die r ckgestreuten Neutronen in Relation zum Ener gie bertrag Liegt kein Magnetfeld am zweiten Si Kristall an erreicht die Intensit tsver teilung der r ckgestreuten Neutronen Aj 6 28 A sein Maximum bei einer Doppler Verschiebung AE der prim ren Reflexion Si Kristall 1 von Null Durch Anlegen eines Magnetfeldes B 1 964 T am zweiten Kristall werden nun jene Neutronen reflektiert deren Energie am Doppler Drive gerade soviel ver ndert wurde dass die resultierende Wellenl nge im Magnetfeld wiederum der Bragg Bedingung entspricht Da die nderung der Wellenl nge im Magnetfeld Spin abh ngig ist ergeben sich zwei voneinander getrennte Maxima bei unterschiedlichen Werten von AR Va ist die entsprechende Fourier Komponente des Wechselwirkungspotentials inkl
37. Physikalische Grundlagen 60 ms 140 120 2 100 D E amp DI 80 oi Ki 60 40 20 200 um 600 800 1000 Speicher mm z Achse n 60 ms 140 120 g 200 ms 2 m r Ee oO E E D 80 D Ki 60 40 20 200 400 600 800 1000 Speicher mm z Achse lt lt ne Abbildung 2 31 Position und Speicherzeit jener Pulse die sich beim Einf llen eines neu en Pulses gestrichelte Linie bereits im Speicher befinden und sich in Richtung Detektoren oben bzw Richtung Quelle unten bewegen Die Pulse bei 60 ms und 200 ms werden gerade an den Kristallplatten reflek tiert 2 5 Speicherung von Mehrfachpulsen 140 120 100 D sol E 3 DG 60 40 20 K 200 400 600 1000 Speicher mm z Achse A 140 At 0 5 ms 120 Oms 5 100 40 ms e 80 ms 80 D el 40 20 200 400 600 1000 Speicher mm z Achse lt lt _ Abbildung 2 32 Fiillen des Speichers mit drei Pulsen im Abstand von je 40 ms Wahrend der dritte Puls in der Speichermitte eintrifft oben berlagern sich die bereits gespeicherten Pulse r umlich die einzelnen Komponenten be wegen sich aber in unterschiedliche Richtungen 500 us sp ter unten bewegen sich alle Pulse in Richtung Detektoren 65 66 A Physikalische Grundlagen Diskussion der Mehrfach Puls Speicherung anhand des Speicherinhaltes Wie aus Abb 2 31 ersichtlich eignen sich fiir die Doppelpu
38. Puls sinkt die Magnetfeldst rke bis sie beim sechsten Puls bei etwa 0 2 Tesla liegt Dies f hrt zu einer verringerten Transmissionswahrscheinlichkeit der Neutronen durch die Siliziumplatten Ein Teil der speicherbaren Neutronen kann so mit nicht in den Speicher gelangen und wird am ersten Kristallspiegel zur ck reflektiert Bereits gespeicherte Neutronen k nnen den Speicher nicht verlassen und verbleiben im Speichervolumen Werden die Neutronenpulse in jener Reihenfolge entlassen in der sie aufgenommen wurden wirkt sich diese verminderte Transmissionswahrscheinlichkeit f r jeden Puls doppelt aus Die Abh ngigkeit der Transmissionswahrscheinlichkeit von der Magnetfeldst rke ist in Abb 3 20 b f r die speicherbaren Neutronen berechnet und mit den experimentell gewonnenen Daten verglichen 68 Zus tzlich treten durch die zeitliche Form des Magnetfeldes noch weitere Effekte auf die ich an Hand von Abb 3 21 diskutieren m chte F r diesen sechsfach Speicherversuch wurden Neutronenpulse im Abstand von 40 ms durch Pulsen des vorderen Magneten in den Speicher aufgenommen Nach je 81 Traversen und einer Speicherzeit von 273 2 ms werden die gespeicherten Neutronen durch Pulsen des hinteren Magneten in der selben Reihenfolge aus dem Speicher entlassen Der Zeitpunkt der Magnetfeldpulse wird f r je den Neutronenpuls so gew hlt dass das Magnetfeld sein Maximum beim Eintreffen der Neutronen am Kristallspiegel erreicht Neben den entsprechend ihres Ei
39. Quantitative Verbesserung der Strahlzeitnutzung bei Einfach Puls Spei cherung im Vergleich zum Vorg ngerexperiment Das Insert entspricht Abb 5 24 stierung und Optimierung wichtigen kurzen Speicherzeiten gelang eine verbesserte Strahl nutzung bei Einzelpulsen um den Faktor 10 20 Dieser Faktor sinkt zwar f r l ngere Speicherzeiten ab im Bereich von Speichermessungen kommt jedoch die nun erm glichte gleichzeitige Speicherung von mehreren Pulsen zum Einsatz Da sich in diesem Bereich die Wiederholfrequenz bei der Bef llung des Speichers mit aufeinander folgenden Pulsen nur minimal ndert wird eine lineare Intensit tserh hung der gespeicherten Neutronen pro zus tzlichem Puls erreicht Ein zus tzlicher Faktor 6 in der Z hlrate scheint reali stisch Somit kann angenommen werden dass die ben tigte Strahlzeit pro Experiment generell um eine Gr enordnung gesenkt werden konnte Bisher aufwendige Justierungen k nnen nun rascher durchgef hrt werden die verbesserte Statistik erm glicht die Unter suchung bisher nicht ber cksichtigter Effekte So erlaubt etwa die Auswertung der Neu tronen die w hrend der ersten Traversen entkommen siehe Abschnitt 5 2 9 eine direkte Verifizierung der mittels Computersimulation 50 gewonnenen Erkenntnisse ber die Neu tronenverteilung Orts und Impulsraum im Speicher Abschlie end l sst sich sagen dass die Anlage die in sie gesteckten Hoffnungen bez glich der verbesserten Ausn tzung der verf
40. SL Ben E re ost A a ee azl N Ie o H 3 t w F t i F KR Th 2 ER A4 5 2 0 5 2 Zeit ms 1 0 Abbildung 3 9 Urspr nglich geplanter Magnetfeldverlauf Nach dem Anschwingen t geht das Magnetfeld durch Z nden des Kurzschlu kreises in einen expo nentiellen Abfall ber Dieser Teil entf llt bei gepulsten Quellen Statt dessen wird bei t 1 ms der Stromkreis wieder unterbrochen Das R ckschwingen wird von einem eigenen Schwingkreis bernommen Design sah demnach vor das gesamte Speichervolumen mittels eines langen Magnetpulses zu bef llen wozu ein Magnetfeld von 1 26 Tesla vorgesehen war welches in 0 5 ms auf gebaut 3 4 ms lang gehalten und in 0 5 ms vernichtet werden sollte Abb 3 9 Die f r jeden Magneten getrennt ausgef hrte Leistungselektronik bestand im Wesentlichen aus einer modifizierten Crowbar Schaltung mit einer Kondensatorbatterie 3 2 mF den oben beschriebenen Elektromagneten einer Kurzschlussspule sowie einer R ckschwingspule Als Schaltelemente kamen Thyristoren der Firma Siemens zum Einsatz Die Aufgabe der Kurz schlussspulen war hierbei das Halten des Magnetfeldes nach dem Anschwingen die Aufga be der R ckschwingspulen war es die Energie der nach dem Magnetpuls negativ gepol ten Kondensatoren wieder zu gewinnen An einer gepulsten Quelle bei der die einzelnen Neutronenpulse nur eine Breite von 150 us besitzen kann das Halten des Magnetfeldes Pumpe erg nzt wurde 3 3 Ein Spei
41. Si Interferometer demonstriert Neutronen der Wel lenl nge o 1 865 werden an der ersten Kristallplatte in Laue Geometrie an den 400 Ebenen reflektiert Durch zwei Cd Blenden 1 4 mm werden Neutronen ausgew hlt deren Ausbreitungsrichtung entlang des Zentrums des Borrman F chers liegt siehe Abb 2 15 Bei ihrem Eintritt in die zweite Kristallplatte bewegen sich diese Neutronen exakt parallel zu ihrer Richtung in der ersten Platte Die zweite Si Platte befindet sich in einem homoge nen Magnetfeld wobei sichergestellt wurde das die Neutronen nur einem Feldgradienten entlang ihrer Flugbahn ausgesetzt sind Die nderung der Wellenl nge 5 im homogenen Magnetfeld ist auch mit einer nderung des Bragg Winkels 60 gem eg 60 A tan Oe 2 2 Neutronen in Magnetfeldern _ AH verbunden Die Tatsache dass sich die Ausbreitungsrichtung 2 des Wellenfeldes im Kristall gem E Q 66 2sin 0g Va ndert f hrt unter den Bedingungen E gt gt Vg sowie 60 lt 1 zu einer Vervielfachung des Winkels 50 In dem hier wiedergegebenen Beispiel ergab sich N zu 4 4 10 69 Abb 2 15 zeigt die Winkel nderung f r verschiedene Magnetfeldstarken 5 35 kOe i 400 Ak 2f Cd fixed a CL Wor slits 4 13 kOe 4 a en E a guf k H er 4 Scanning slit E at 2 88 kOe gt o 2r 4 t Electromagnet 10 No field pole face f SL re Se Exit Slit Position mm Abbildung 2 15
42. Werte der Integrale wurden mit rein statistischen Fehlerbalken eingezeichnet Die zeitliche Breite der Spinflipper Pulse l sst sich sicherlich noch um einiges verk rzen wodurch die Aufl sung dieser Untersuchung gesteigert wird Ebenso l sst sich die Energie aufl sung noch verbessern Da f r diesen Versuch 4 Traversen verwendet wurden erfuh ren die gespeicherten Neutronen 8 aufeinander folgende Bragg Reflexionen Dieser Wert kann auf mehrere hundert Bragg Reflexionen gesteigert werden Ein Wert von etwas ber 500 Reflexionen erscheint als sinnvoll In diesem Bereich ist der rasche Abfall der gespei cherten Neutronenintensit t vergleiche Abb 3 18 bereits abgeklungen und geht in einen langsameren Abfall ber Die Energieselektion der Neutronen d rfte in diesem Bereich weitgehend abgeschlossen sein Es ergibt sich somit ein Mittel die Flipp Pulse genau auf die Verf gbarkeit von Neutro nen abzustimmen Dies wird insbesonders bei der Mehrfach Speicherung von Bedeutung Durch eine Analyse des einfallenden Pulses l sst sich auch die Ausrichtung des Monochro matorkristalls optimieren sr Q usuonnaN 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS 8000 a 6000 S g 5 4000 E S zZ 2000 0 80 a 8000 1648 a At 200 us 6000 89 a S 4000 40 3 7 2000 20 0 0 53 0 53 9 54 0 54 5 55 0 55 5 56 0ms 80 a 8000 4 1650 a At 400 us 60 6000
43. and load impedance See Application 50 ohms VSWR 1 5 1 maximum 50 ohms VSWR 2 0 1 maximum Note 27 MODULATION CAPABILITY see Will faithfully reproduce AM FM or pulse modulation appearing on the input signal Ra NOISE FIGURE above 1 0 A 6 dB typical HARMONIC DISTORTION nennen Minus 20 dBc maximum at 50 watts THIRD ORDER INTERCEPT POINT e 57 dBm typical PRIMARY POWER u Na ee 90 135 180 270 VAC 47 t0 63 Hz single phase 400 watts maximum CONNECTORS RF Type Type N female Loealion a enseeserehesne See Model Configurations table below REMOTE CONTROL IEEE 488 24 pin male RS 232 9 pin subminature D male REMOTE INTERLOCK 15 pin subminature D COOLING see nn a Ea Forced air self contained fans MODEL CONFIGURATIONS MODEL NUMBER RF CONNECTOR GAIN INSTRUMENT CASE 75A250A 7SA250AMI 75SA250AM2 754250AM3 LOCATION Front Panel Rear Panel Rear Panel Front Panel CONTROL 30 3 x 15 5 x 37 6 cm 20 5 kg 45 01b uf 2 19 8 x 6 1 x 14 8 in 16 0 kg 35 016 48 3 x 12 7 x 37 6 cm 19 0 x 5 0 x 14 8 in 20 5 kg 45 01b 50 3 x 15 5 x 37 6 cm 19 8 x 6 1 x 14 8 in 16 0 kg 35 01b 48 3 x 12 7 x 37 6 cm 19 0 x 5 0 x 14 8 in Abbildung D 3 Vorderansicht und Spezifikationen des verwendeten Signalverst rkers Amplifier Research 75A250 223 224 gt AMPLIFIER MODEL 75A250 RESEARCH TEST R
44. anderem wurde TFXA durch TOSCA 71 sp ter durch TOSCA II 72 ersetzt LAD durch GEM 73 HRPD wird um ENGIN X erg nzt und MAPS hat seinen Betrieb aufgenommen Zum Entstehungszeitpunkt dieser Arbeit wurde bereits begonnen das deutsche Neutrino Experiment KARMEN 74 75 abzubauen wodurch zwei weitere Strahlrohre an ISIS frei werden Auch abseits der Neutronenforschung finden am Rutherford Appleton Laboratory spannende Entwicklungen statt So gelang es dem RAL Standort der neuen englischen Synchrotronstrahlungsanlage DIAMOND zu werden deren Bau noch dieses Jahr beginnen soll hnlich der erfolgreichen Kombination vom Institute Laue Lauville ILL und dem Europ ischen Synchrotron ESRF in Grenoble Frankreich k nnte durch die Symbiose der beiden sich erg nzenden Forschungseinrichtungen ein interessantes Umfeld entstehen 72 3 VESTA 3 1 2 Das High Resolution Inelastic Spectrometer IRIS Bei IRIS handelt es sich um ein High Resolution Quasi In elastic Neutron Scattering Spectrometer 76 77 78 Neutronen die von einer Probe gestreut werden werden mit tels Bragg Streuung an Analysatorkristallen energieaufl send untersucht Wie an gepulsten Quellen blich wird hierzu die Time Of Flight TOF Methode verwendet Das Instru ment befindet sich an dem N6 A Strahlrohr an ISIS und blickt ber einen zirka 36 Meter langen Neutronenleiter auf den 25 K Ha Moderator Das erste St ck der IRIS Beamline noch innerhalb der Targetabsc
45. anfangs durch ein POLARIZED NEUTRON BEAM Abbildung 1 7 Aufbau und Wirkung des Doppelspulen Gleichstrom Flippers nach 23 F hrungsfeld in z Richtung polarisierter Neutronenstrahl dringt entlang der y Achse in die erste Spule mit einem gleichgro en normal zum F hrungsfeld stehenden Feld ein Nach diesem pl tzlichen nichtadiabatischen bergang beginnt der Polarisationsvektor um das 45 geneigte resultierende Magnetfeld zu pr zedieren Vollf hrt er auf seinem Weg entlang der Spulendicke d gerade eine halbe Lamorpr zession zeigt er unmittelbar vor Eintritt in die zweite umgekehrt gepolte Spule in x Richtung Analog zur ersten Spule pr zediert der Polarisationsvektor wieder um das resultierende Magnetfeld Unter der Bedingung d T v nl Bres wird er in die negative z Richtung gedreht und somit bez glich seines urspr nglichen Zustandes invertiert Vorteile dieses Flippers sind die konstruktive Einfachheit leichte Ansteuerbarkeit sowie die Tatsache dass bei Verwendung d nner Spulen der Ort des Flip Vorganges genau lokalisiert werden kann In 24 wird eine weitere Bauform pr sentiert die aus einer statischen und einer schr g gestellten dynamischen Flip Spule besteht wodurch noch kleinere Bauformen und schnellere Schaltzeiten realisiert werden k nnen M ander Flipper Bei diesem auch magnetischer Wiggler oder Drabkin Flipper genannten Spin Flipper durch queren die Neutronen eine stromdurchflossene m anderartig ge
46. auch mit Neutro nen demonstriert 16 Abb 1 3 zeigt die Beugung von Neutronen an einer Kante einem Spalt sowie an einem Doppelspalt nach 17 Unterschiede zu einer analogen Versuchsan ordnung f r Licht finden sich in den Dimensionen der Anlage der ge nderten Geometrie des Prismas sowie der Statistik und der Aufl sung des Experiments Dies erkl rt sich aus der Tatsache dass die in diesem Experiment verwendeten Neutronen eine um etwa zwei Gr enordnungen kleinere Wellenl nge als sichtbares Licht besitzen Zudem ist der Brechungsindex f r Neutronen im Gegensatz zu Licht im allgemeinen kleiner als 1 Die Anwendungen der Neutronenoptik kann in zwei Kategorien einteilt werden Zum einen k nnen neutronenoptische Instrumente verwendet werden um neue Erkenntnisse ber Neutronen oder untersuchte Materialien zu gewinnen Zum anderen k nnen diese Erfahrungen genutzt werden um neue optische Instrumente zu entwickeln und weitere aus der Lichtoptik bekannte Ph nomene auf Neutronen zu bertragen Die Aufgabe der meisten neutronen optischen Instrumente ist der Transport die Kollimierung die Fokus sierung Filterung und Polarisierung der Neutronen oder die generelle Beam Manipulation In diese Tradition reiht sich auch der hier vorgestellte Neutronenspeicher VESTA ein Da selbst moderne Quellen thermischer Neutronen nach wie vor Gr enordnungen schw cher als konventionelle Lichtquellen sind kommt der effizienten Ausnutzung der Neutronen ein b
47. best tigt werden Das bisher l ngste Speicherergebnis 1250 siehe Abb 2 30 rechts von 1250 Traversen wurde kurz vor Abbau der ersten Anlage erzielt und zeigt eine vergleichbare Halbwertsbreite von 146 2 us Numerische Berechnung des Speicherinhaltes Die durch unvermeidliche Verluste bei der Speicherung auftretende Abnahme der ge speicherten Neutronenintensit t pro Traverse wirkt sich somit im wesentlichen auf den Parameter Jo aus F r die im weiteren betrachteten Speicherzeiten kann deshalb die epi thermische Funktion als N herung f r die Berechnung des Speicherinhaltes verwendet werden Aus den Erfahrungen mit VESTA I k nnen wir diese Verluste bei gut justierten Komponenten absch tzen 62 Da die selben neutronenoptischen Komponenten verwen det werden kann diese Absch tzung auch f r den neuen Aufbau herangezogen werden Es ergibt sich eine Verlustfunktion nach fiost ms e 35418 5 087101 0 227927 Le lt a Kombiniert man diese Gleichung mit der gem Abb 2 29 angepassten Gleichung 2 41 l sst sich mit Hilfe der Gleichung 2 39 f r die Bewegung eines Neutrons der Speicherin halt zu einem beliebigen Zeitpunkt leicht numerisch berechnen Als Beispiel der Berechnung sei hier der Code f r das Programm Mathematica von Wolf ram Research angef hrt Zuerst erfolgt eine bersetzung der obigen Gleichungen FT 3 3733 PosXT i_ t_ Ceiling 532 1064 Pi ArcSin Sin 2Pi FT t i FT 532 Verlust t_
48. bez glich des Neutronenstrahls sowie zum Transport der einzelnen Komponenten w hrend der Installation des Experiments an ISIS Im wesentlichen sind sie in ein Grundger st eine untere Plattform inklusive der Vakuumbox Halterung sowie in zwei oberen Platt formen unterteilt Im folgenden werden die einzelnen Komponenten und ihre Aufgabe n her beschrieben 1490 4 VESTA IT Abbildung 4 38 Grundgeriist links und untere Plattform rechts Untergestell 1 h henverstellbare F e 2 Kurbel 3 abnehmbare R der 4 justier barer Oberteil 5 Aluminiumplatte 6 Edelstahl Profilrohre 7 Alu miniumgestell mit Rollbalken 8 h henverstellbare F e aus Kunststoff 9 Teil des Magnetdrehgestells Z12 10 welches auf 5 ruht 4 6 1 Das Grundger st Das Grundger st hat die Aufgabe das gesamte Experiment auf die H he des Neutro nenstrahls 176 cm auszurichten sowie den Transport des NMR Magneten in den Ex perimentierbereich zu erm glichen Durch Umbauarbeiten an IRIS ist es nur noch sehr eingeschr nkt m glich einen Kran an VESTA zu verwenden zudem berschreitet der Magnet mit seiner Masse von 2 4 Tonnen die zul ssige H chstbelastung des IRIS Krans SWL 1000 kg deutlich Es wurde deswegen eine mittels abnehmbarer R der bewegli che Edelstahlkonstruktion entworfen die es erm glichte den Magneten welcher zuvor mit Hilfe des ISIS Haupt Krans auf das Grundger st gehoben wurde ohne weitere te
49. dem gew nschten Parallelschwingkreis auch noch ein Serienschwingkreis existiert dessen Resonanzfrequenz nahe der Resonanz des Parallel schwingkreises liegt Das entsprechende Ersatzschaltbild ist in Abb 4 17 wiedergegeben Die Admittanz Kaes und Impedanz Zyes des gesamten Schwingkreises ohne Innenwider a c ae L ee b L Balz Abbildung 4 17 Ersatzschaltbild f r den Resonanzkreis mit induktiver Fu punktkupp lung Neben dem gew nschten Parallelschwingkreis a wirkt auch der Serienschwinkreis b stand R ergibt sich in einer ersten N herung ohne gegenseitige Induktionen aus einer Serienschaltung von L mit C parallel zu der Spule La Dadurch ergibt sich der Genera torstrom Ig sowie die Str me durch die einzelnen Spulen Iz und I gem 4 8 wobei die Amplituden der Str me durch die Betr ge der komplexen Zahlen festgelegt werden 120 A VESTA H und ihre Phasenbeziehung zueinander aus den Argumenten ablesbar ist 1 1 Y es aa wLa Liw 1 L C Li Law se a 4 7 Yoes 1 CL Lal de UGen Br UGen Es L w CL Law3 R Zce R IESSEN Ir UGen gt R wL R ZGes It IGen Ir 4 8 Die Induktivit ten der einzelnen Teilspulen ergeben sich aus ihrer Windungszahl zu L 1 6 uH und L 3 9 uH Der effektive Wert des Kondensators inklusive der Streu kapazit ten wurde f r die weiteren Rechnungen mit 8 3 pF angenommen wodurch die Rechnung mit den an VESTA II vermes
50. den f r die Aufbauten verwendeten Materialien ist wiederum auf m glichst geringe Beein flussung des homogenen statischen Magnetfelds sowie des RF Wechselfeldes zu achten 4 5 1 Die Auflageplatten Der Innenboden des Vakuumgef wurden mit zehn M6 Sacklochgewinde versehen siehe Anhang C Je vier dienen zur Befestigung zweier Lochrasterplatten zwei weitere im Mittelteil des Gef es sind zur freien Verf gung Auf diesen beiden Auflageplatten erfolgt nun der gesamte Innenaufbau Diese in Abb 4 30 dargestellten Platten wurden aus 10 mm Aluminiumplatten hergestellt und mit einem M4 Gewinde Lochraster 34x34 mm versehen Zus tzlich zu den 6 mm L chern zur Befestigung am Innenboden besitzen sie je zwei M8 Gewinde zur Befestigung der weiter unten beschriebenen Kristallbetthalterung Um die Arbeiten au erhalb des Gef es zu erm glichen k nnen die Platten mittels einer Hilfsstange auf ihren Abstand fixiert werden 13Dieses Ma entspricht einem Standardma bei den im weiteren verwendeten PI Physik Instrumente Komponenten 4 5 Innerer Aufbau _ 133 Silizium Kristall Aluminiumhalter Lochrasterplatten Kristallbett Abbildung 4 29 Die Basis des inneren Aufbaus ber zwei Linearmotoren und geeignete Halterungen kann der Neutronenleiter bez glich des vom Kristallbett unterst tzten Speicherkristalls justiert werden 4 5 2 Das Kristallbett Aufgabe des Kristallbettes ist die Lagerung des Si Speicherkristall w hrend
51. deren Energie urspr nglich nicht im Totalreflexionsbereich der Kristallplatten liegt durchtreten die erste Spiegelplatte und werden in der Speicher mitte durch einen Ein Photonen Austausch mit dem RF Feld des Spinflippers in den Totalreflexionsbereich verschoben Ihre Energie wird somit f r den gesamten Speichervorgang ge ndert Nach ihrer Reflexion an der zweiten Kristallplatte durch laufen die Neutronen wieder das homogene Feld des Magneten Um einen neuerlichen Energie bertrag zu verhindern ist es ausreichend das nur wenige Gauss starke RF Feld zu schalten Analog kann den Neutronen durch Einschalten des RF Feldes das Durchdringen der zweiten Kristallplatte erm glicht werden Hier sei angemerkt das bei einem Typ II Speicher das Streufeld des Magneten da zu f hren kann dass die Spinausrichtung der Neutronen w hrend der Messung erhalten bleibtt da die Reflexion am Silizium den Spinzustand nicht ndert Somit durchlaufen die In Kapiltel 5 wird gezeigt dass an VESTA das Streufeld des NMR Magneten etwa 50 G am Ort der Kristallplatten betr gt und als F hrungsfeld ausreicht 2 3 Konzept eines magnetisch geschaltenen Speichers 53 unterschiedlichen Spin Komponenten den Magneten jeweils mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten Bei einer urspr nglichen Geschwindigkeit von 630 825 m s der Silizi um 111 Reflexion ergeben sich die neuen Geschwindigkeiten in einem Magnetfeld von 1 T zu vp 630 816 m s bzw vg 630
52. des Expe riments sowie sein Schutz w hrend des Einbaus und des Transports Es besteht aus verl teten 5 mm Messingplatten welche die in Abb 4 31 dargestellte U f rmige Wan ne bilden An beiden Enden ist eine 150 mm lange Sektion auf eine Breite von 30 mm Kristallbreite reduziert um die Halterungen der Neutronenleiterjustierung angreifen zu lassen Da in diesem Bereich die stabilisierenden Seitenteile fehlen wurde die untere Platte mit je einer 5x5x200 mm Messing Leiste verst rkt ber zwei Aluminiumhalter siehe auch Abb 4 29 kann das Kristallbett mit den Lochrasterplatten verbunden und auf Strahlh he gebracht werden Kunststoffschrauben erm glichen eine Justierung und Fixierung Das Kristallbett besitzt an seinen Enden zwei M8 Gewinde zur Aufnahme von Al Schutzplatten die montiert werden k nnen um die Silizium Spiegelplatten w hrend des Transports sowie w hrend des Ein Ausbaus des Neutronenleiters zu sch tzen Die Lagerung des Speicherkristalls erfolgt ber zwei 5 mm breite Hartgummi Auflagen deren korrekte Positionen im folgenden Abschnitt berechnet werden Die Position der Auflagepunkte des Speicherkristalls Um die Durchbiegung des Einkristalls infolge seines Eigengewichts zu korrigieren werden seine Auflagepunkt so gew hlt dass sich die Ableitung der Biegeline der Biegewinkel am Ort der Kristallplatten zu Null ergibt Die Berechnung folgt im wesentlichen der aus 35 kommt jedoch auf ein unterschiedliches Ergebn
53. durch eine Optimierung der Speicherz hlraten bei langen Speicherzeiten Tem peratureinfl sse nachweisen siehe auch Abschnitt 4 1 1 8 Auf Grund des rechteckigen Innenquerschnittes des Leiters 43x26 mm wirkt sich die horizontale Justierung etwas feiner als die vertikale aus Der Einfluss der Gravitation f hrt zudem dazu das die untere Neutronenleiterplatte am h ufigsten von Neutronen getroffen wird 3 3 Ein Speicher Namens VESTA __ 8B Speicherzeit s 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 TE ER GR eG LE RN GE BEP E a b 2500 Bragg Reflexionen D s 0 8 Wd Prototyp 1 8 Zeitpunkt des e Vesta zweiten Magnetpulses e Vesta 2 1 2 Gespeicherte Neutronen oa Es AML I mind A II m mut TIME secon ds Anzahl der gespeicherten Neutronen pro Frame 1000 1500 2000 2500 Anzahl der Bragg Reflexionen Abbildung 3 18 Vergleich der Speicherergebnisse des Prototyps mit dem installierten Ex periment Die Versuchsreihe VESTA 2 bezieht sich auf die justierte und optimierte Anlage a Nach Installation eines Shutters konnte auch bei einer Speicherzeit von 4 2 Sekunden 2500 aufeinander folgende Refle xionen am Silizium noch ein gutes Signal erhalten werden b Die im Rahmen von 38 sowie den vorbereitenden Messungen zu dieser Dissertation durchgef hrten Justierungen erm glichten es einen neuen Speicherrekord f r kalte Neu tronen zu erzielen 62 Abb 3 18 z
54. einer Speicherzeit von 115 ms 34 Traversen die rechte Skala der nachfolgenden Justierung bei 810 ms 240 Traversen anhand der horizontalen Justierung des Leiters bei zwei verschiedenen Speicherzeiten Die blaue Justierkurve linke Skala wurde bei einer Speicherzeit von 115 ms 34 Traversen durchgef hrt und zeigt eine Halbwertsbreite von etwa 1 mrad Anschlie end wurde bei einer Speicherzeit von 810 ms 240 Traversen erneut eine Justierung rot rechte Skala vorgenommen Hierbei sank die Halbwertsbreite auf unter 0 5 mrad Sie liegt somit in bei den F llen deutlich unter dem kritische Winkel der Totalreflexion des Neutronenleiters von etwa 6 8 mrad f r Neutronen mit einer Wellenl nge von 6 271 Der Neutronenleiter l sst sich bei h heren Speicherzeiten zwar feiner justieren aufgrund der erniedrigten Z hlrate steigt jedoch die f r die Justierung ben tigte Messzeit stark an Eine Justierung bei noch h heren Traversenzahlen konnte aufgrund der geringen Messzeit bisher nicht durchgef hrt werden Neben den oben diskutierten Justierungen wurde noch der Einfluss des Zeitpunktes des ersten und zweiten Magnetpulses untersucht In diesen Messungen spiegelt sich der Einfluss der Cosinus f rmigen Magnetfeldpulse Breite 1 ms auf die Transmissionswahr scheinlichkeit der Neutronen durch die Spiegelplatten wieder siehe auch Abschnitt 3 3 3 Neben einer Verifizierung der Annahmen ber Wellenl ngen und Speicherplattenabst nde lie en sich
55. erlauben einen Zugriff auf die Polkerne des Magneten ohne das Vakuumgef entfernen zu m ssen 213 II VISHA y00foaa 1002 01 82 eqed vY TOOXXX SIA ZiT 92TS IN Jusunsoad eTeos Ama TW 194SUSFSIFTAJUFZ ve La ILY Texer UT4IeN Id 86 AHM LL Y rt a ic SE um A A K e oct gt u un ra al wu OTT a _ W _ pm wu g9 oe b Go Ki GC SNOSISJUN SNSSISIO Abbildung C 14 Das Eintrittsfenster des Vakuumgef es Im Bereich des Neutronen strahls wurde der Al Flansch auf eine Dicke von 2 mm reduziert 214 O Konstruktionszeichnungen gt e atH BON cae lt a H H gq NS p al 1 Be Y u ol SIP 10 bi n HEIRE S 3 Afal JN Bol ee S A u la Sid Jo GAREN e n o Fa E I 2 g aa Pr 2 o r oa A E oO gl o Jae o onj A Co 2 5 S S Y gt ST A ee A o r 5 E a T bal VO o vo d K gt S EE Es A 08 O y y LI Go Y a im mug c er Abbildung C 15 Das Austrittsfenster des Vakuumgef es Im Bereich des Neutronen strahls wurde der Al Flansch auf eine Dicke von 2 mm reduziert 215
56. fiir Spiegel Vielschicht Monochromatoren und Superspiegel rechts Wellenl nge 9 A meist unter 2 mrad A Man weicht deshalb oft auf das Prinzip des Vielschicht Spiegel aus bei denen Schichtstrukturen aus d nnen metallischen Filmen auf einen Tr ger aufgedampft werden Die verbesserte Reflektivit t ergibt sich durch die Inter ferenz der an den einzelnen Schichten reflektierten Neutronenwellen Immer gr ere Be deutung erlangen so genannte Superspiegel super mirrors 18 Hierbei handelt es sich um Vielschichtsysteme in denen die Gitterkonstante eines zweidimensionalen Kristalls in kontrollierter Weise variiert wird und durch konstruktive Interferenz zwischen den reflek tierten Neutronenwellen hohe Reflektivit ten bis zum Vielfachen des 0 Ae Werts von einfachen Spiegeln erreicht wird Die Reflektivit t in Abh ngigkeit des Winkels ist sche matisch in Abb 1 4 wiedergegeben Zu beachten ist dass einfache Spiegel oft im Totalre flexionsbereich eine h here Reflektivit t aufweisen als Superspiegel Werden nur geringe kritische Winkel ben tigt kann der Einsatz von herk mmlichen Spiegeln von Vorteil sein 1 3 2 Monochromatoren Ein bew hrter Weg kontinuierliche und monochromatische Neutronenstrahlen zu erzeu gen sind Kristallmonochromatoren Ihre Wirkungsweise beruht auf dem im Abschnitt 2 1 1 beschriebenen Prinzip der Bragg Reflexion bei dem die Beugung einer Neutronen Welle in eine bestimmte Raumrichtung je nach Gi
57. focusing j e HOP Graphit Monochromato 2 Beamline A Bi Filler S A Fast pneumatic bk transfer system Diffractometer for pulsed N e Shutter magnetic field applications 4 Collimato P levator gt J za Beamline B Ne utron coe sliding e ample radiography device Detektor 4n Detector Detector tubes Abbildung 5 1 Die aus 95 bernommene Abbildung zeigt das aktuelle Layout des For schungsreaktors Wien Die Versuche f r VESTA wurden am Strahl 2 der DEPOL Anlage tangentiales Strahlrohr D durchgef hrt sprunghaft ansteigen l sst bricht die Kettenreaktion nach etwa 40 ms wieder zusammen Aufgrund der thermischen Belastung der Brennst be l sst sich dieser Vorgang mit einer maximalen Rate von 12 Pulsen pro Stunde wiederholen Typischerweise betr gt das Inter vall zwischen den Pulsen etwa 15 Minuten Die normale Betriebsform des Reaktors ist aber sicher der station re Modus mit einer maximalen thermischen Dauerleistung von 250 kW Hier betr gt der Neutronenfluss im zentralen Bestrahlungsrohr 101 cm s Die Wel lenl ngenverteilung ergibt sich gem Gleichung 3 1 1 bei einer Moderatortemperatur von etwa 38 C Aufgrund der geringen Reaktorleistung ist der Abbrand der Brennelemen te sehr gering sodass noch mehr als 50 Brennelemente der Erstbest ckung aus dem Jahre 1962 im Reaktorkern verwendet werden Neben dem bereits erw hnten zentralen Bestrah lungsrohr verf gt der Reaktor ber f nf Reflekto
58. h hk Ss UB es eta ea 1 3 S p mv i 2 MA 2 Mn E verbunden Der Wellenvektor k ist hierbei ber Zo 3A definiert Die bei den besproche nen Kernreaktionen entstehenden Neutronen besitzen Energien im Bereich von MeV und dementsprechend kurze De Broglie Wellenl ngen Um sie f r die gew nschten Experi mente nutzbar zu machen m ssen ihre Energien in einen anderen Bereich transferiert werden Dies geschieht in einem ersten Schritt durch die so genannte Moderation Durch im Schwerpunktsystem elastische St e mit den Atomkernen eines geeigneten Streumedi ums der Massenzahl A verlieren die Neutronen im Laborsystem im Mittel pro Sto eine Energie von E 4A AE 1 4 2 A 1 Se Je h her dieser Energieverlust ausf llt desto weniger St e und somit weniger Zeit werden ben tigt um die Neutronen auf thermische Energien abzubremsen Aus diesem Grund eignen sich besonders leichte Kerne mit geringer Absorption als Streumedium K nnen die Neutronen lange genug im Moderator verbleiben stellt sich zwischen ihnen und dem Streumedium ein thermisches Gleichgewicht entsprechend der Maxwell Boltzmann Energeiverteilung UE Gun cr 1 5 B ein Die Energie der Neutronen ergibt sich somit zu E meV kgT 81 81 X Da aufgrund des 1 v Gesetzes der Absorption siehe Abb 1 1 langsame Neutronen bevorzugt aus dem Ensemble entfernt werden kann die effektive Temperatur des Neutronengases 5Diese Abbremszeit entspricht auch d
59. hierbei gleichzeitig als Magnetjoch An die Polarisatoren an schlie end befindet sich ein von allen Seiten zug nglicher Experimentiertisch 90x 250 cm auf welchem die Aufbauten auf einem Schienensystem optische Bank modular montiert werden Adaption der DEPOL Anlage Um den Standardaufbau der Anlage m glichst wenig zu beeinflussen wurde der NMR Magnet hinter dem Anlagentisch positioniert Der Magnet befand sich somit zirka drei Meter vom Polarisator entfernt Um auf dieser Flugstrecke die Polarisierung der Neutronen nicht zu verlieren ist ein kontinuierliches Magnetfeld von einigen Gauss notwendig Dieses F hrungsfeld wurde mittels eines eigens konstruierten Spulenpaars realisiert das sich in die bereits bestehende Anlage einf gt Es besteht aus zwei rechteckigen Einzelspulen mit einer Breite von 13 2 cm einer H he von 300 cm und einer Spulenl nge von 2 cm Bei dieser extrem rechteckigen Spule kann der Standardabstand f r die Helmholtz Geometrie zirkularer Spulen von Abstand Radius nicht mehr herangezogen werden Deswegen wurde das Magnetfeld mit Hilfe der in 4 2 gegebenen Gleichungen als berlagerung der 5 1 Messungen am Atominstitut Wien _ 149 gd f d J IN LH Polarisator Analysator I Kollimator Helmholtz Spule Tangentiales Strahlrohr D p Detektor Tr gerplatte mit Monochromatoren Spin Flipper s SS j Experimentiertisch NMR Magnet Abschirmelemente optische Bank Sc
60. leistungsstarke Quellen in Bau Bei der Spallation wird ein Target mit hochenergetischen gt 100 MeV Protonen Deuteronen oder a Teilchen beschossen Da die Bindungsenergie von Nukleonen typischerweise im Bereich von 8 MeV liegt werden bei diesen Reaktionen viele Nukleonen gleichzeitig freigesetzt Die Anzahl der erzeugten Neutronen variiert hierbei stark je nach Targetmaterial und reicht f r 1 GeV Protonen von 2 in Beryllium bis etwa 40 in Uran p U A tAg A vn 25GeV v 40 Die Spallation teilt sich hierbei in eine erste Phase bei der nach der Kollision quasi freier Nukleonen eine rasche Kaskade von Nukleonen emittiert werden gefolgt von einer zweiten langsameren Phase in der Nukleonen von den resultierenden angeregten Ker nen freigesetzt werden Spallationsquellen erzeugen haupts chlich epithermische Neutro nen die direkt f r Untersuchungen genutzt oder mit Hilfe von Moderatoren abgebremst Nicht zuletzt aufgrund von Vorbehalten gegen ber Reaktoren 16 Einleitung werden k nnen Ihr Vorteil liegt in ihrem gepulsten Betrieb wodurch energieaufl sende Messungen nach der Flugzeit Methode erm glicht werden Gleichzeitig wird einen hoher Spitzenfluss bei ansonst geringem Untergrund erreicht Neben Neutronen werden bei der Spallation unter anderem auch Pionen Myonen und Neutrinos erzeugt Begrenzt wird die Neutronenerzeugung durch die im Target deponierte W rme welche abgef hrt werden muss sowie die Besch digung des
61. liefert das SWR jedoch wichtige Informationen ber den Zustand des Re sonanzkreises So kann ein sprunghaftes Ansteigen der SWR bei Leistungserh hung oder Ver nderung des Vakuums auf ein berschreiten der Durschlagsspannung hinweisen 114 A VESTA TT Die Symmetriebox Aufgabe der Symmetriebox ist die Impedanzanpassung des Verst rkerausganges an den Schwingkreis sowie die Aufteilung des RF Signals auf zwei getrennte Leitungen Das Kernst ck der Symmetriebox ist ein Ferrit Ringkern des Typs U17 R76 mit einem Durch messer von 76 mm und einer Arbeitsfrequenz von 10 220 MHz der uns freundlicherweise von der Firma Siemens zur Verf gung gestellt wurde Dieser Kern befindet sich in einer Box aus Aluminium mit drei Anschl ssen N Typ Buchsen f r Koaxialkabel und ist mit zwei mit Isolationslack berzogenen Dr hten umwickelt vergleiche Abb 4 12 Ein Draht verbindet hierbei den Signal Pin der Eingangsbuchse ber mehrere Windungen mit dem Mantel der Eingangsbuchse Zus tzlich zweigt in der H lfte ein Draht zum Signal Pin der Ausgangsbuchse I ab Ein zweiter zum ersten parallel gewickelter Draht verbindet den Eingangsbuchsen Mantel mit dem Signal Pin der Ausgangsbuchse II m sm Abbildung 4 12 Das Prinzip der Symetriebox Das eingehende Signal wird auf zwei ge trennte um 180 phasenverschoben Signale in getrennten Kabel aufge teilt Eingangs und Ausgangskabel sind zus tzlich mit einem flexiblen Schirmschlauch ummantelt die Bo
62. low intensity Tuning will continue during the weekend The Main Magnet Power Supply is now commisioned We will be doing Vibration tests this evening and leaving the supply on soak test overnight 242 Geburtsdatum Geburtsort Eltern Staatsangeh rigkeit Schulausbildung 1980 1988 Juni 1988 Hochschulausbildung 1988 1998 1995 1996 Februar 1999 1999 2003 Wiss Anstellungen Feb 1998 Dez 2001 Jan 2002 1 6 2002 Jun 2002 Dez 2003 Feb 2003 Feb 2004 1996 Lebenslauf 18 Juni 1969 Linz Dieter amp Christine J kel sterreich Bundesrealgymnasium Steyr Matura Studium der technischen Physik an der Johannes Kepler Universit t Linz Diplomarbeit am Atominstitut der sterr Universit ten Optimierung eines Neutronenresonators Sponsion zum Diplomingenieur Doktoratsstudium der Technischen Wissenschaften an der TU Wien TMR Fellow am Rutherford Appleton Lab UK im Rahmen des EU Projekt PECNO Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Atominstitut d ster Univ im Rahmen des FWF Projekts 13332 PHY sowie Visiting Scientist am Rutherford Appleton Lab Forschungsassistent am Institut f r Experimentalphysik der Univ Innsbruck im Rahmen des SFB Projekts 15 1514 Quantum Optics Visiting Scientist am ILL Grenoble Web Administrator der sterr Physikalischen Gesellschaft PG Ehrenamtlich 243
63. ltig ist und dass bei Ver nderungen etwa der Hallsondenposition ausgehend von Gleichung 2 33 eine neuerliche Kalibrierung der Anlage durchgef hrt werden muss 160 D Experimentelle Ergebnisse 5 2 4 Bestimmen der Amplitudenbedingung Nach erfolgreicher Bestimmung der Resonanzfrequenz kann man sich der Amplitudenbe dingung 2 34 widmen Der Strom im Resonanzkreis l sst sich derzeit jedoch nicht direkt bestimmen und einstellen Neben den Kenndaten des Resonanzkreises h ngt er auch von der Impedanzanpassung der Anregung der Symmetriebox dem Einfluss des Vakuum gef es und dergleichen ab Kontrolliert ver ndert werden kann die Ausgangsspannung des Signalgenerators Usg sowie die Verst rkerleistung Da der verwendete Verst rker nur ber eine sehr grobe Skala verf gt erfolgt die Feineinstellung ber den Signalgenerator Hierbei ist zu beachten dass die gew hlte Ausgangsspannung nicht einen Wert von 300 mV berschreitet da der Signalverst rker eine Nenn Eingangsleistung vom 1 mW besitzt Das in der Spule herrschende Magnetfeld ergibt sich durch Bestimmung eines Skalierungsfak tor mittels Gleichung 2 34 Die folgende Messung wurde bei der Resonanzfrequenz von 23 05 MHz und einem gemessenen Magnetfeld von 7942 G durchgef hrt Der Signalverst rker wurde auf Stufe 8 eingestellt Das SWR Meter zeigte bei 150 mV Signalausgang 60 W emittierte und 15 W reflektierte Leistung an Wie in Abb 5 14 ersichtlich folgt die Flip Wahrs
64. mit eintreffenden ISIS Pulsen ist nicht notwendig Dies ist insbesonders von Bedeutung da die Ladezeit der f r die Erzeugung der Magnetpulse ben tigten Kondensa torb nke und somit der Zeitpunkt wenn VESTA wieder zur Aufnahme weiterer Neutronen bereit ist variiert 3 3 Ein Speicher Namens VESTA gt Realisiert wurde der Shutter mit Hilfe eines pneumatisch betriebenen Kolben an des sen Ende sich eine mit Aluminium verst rkte Cadmium Blende 12x10 cm befindet Der Kolben von Typ DSNU der Firma FESTO kann mit einem Luftdruck von bis zu 10 bar betrieben werden Die Ansteuerung durch die SCE erfolgt ber magnetische Ventile Der verwendete Luftdruck regelt direkt die Beschleunigung des Kolbens der so positioniert wurde dass die Blende beim Abdecken des Neutronenstrahls die gr te Geschwindigkeit erreicht Mit dem Luftdruck steigt jedoch auch die L rmentwicklung die durch die beweg lichen Teile und die entweichende Pressluft verursacht wird Bei 4 bis 5 bar ergeben sich gute Schliesszeiten bei moderater L rmentwicklung Durch den Einsatz des Shutters ist es m glich eine beliebige Anzahl von ISIS Pulsen auszublenden Jener ISIS Puls der f r die Neutronenspeicherung verwendet wird trifft nach 54 ms bei den Detektoren ein Je nach Schaltzeitpunkt und Druck kann bereits ab etwa 68 ms der Untergrund weitgehend unterdr ckt werden Oft wird der Shutter aber erst nach mehreren Pulsen geschlossen Das ffnen des Shutters geschieht in de
65. n Ei a E D ad a ul A 8 ara Y AL e gel 2 A o et gala k D SE A ha Dt ae H ES w E ei amp 2 8 3 3 A La 8 A r y o oO uw CO ri N a S oO ad ri I a y L A A a aH OT oz C Y Abbildung C 9 Das Messing Kristallbett inklusive der beiden Hartgummi Auflagen blau des Speicherkristalls Es dient zur Unterst tzung und zum Trans port des Speicherkristalls 209 II WLSHA qoelorg T00Z TT 8 eyed PV ZOOLAN SAHA C T RER IN Quewnsog eTeos I afet Ing 2424 15 ATA T Oath ILY exer urtzzew Id quBTa OSI OTT La gt 06 a il a Se er ye OL l i A L 1 1 e S 1 1 it Ke pal L ot E le DE l til tad ooi Li ER at S Te Ko m w CH ul S y e wf pa 2 oz Y A gt Gd a gt DE 59 qyotsueueqtes QYUOTSUeTSPAOA Abbildung C 10 Die Auflage des Kristallbetts aus Aluminium 210 H Konstruktionszeichnungen oO mat H S Ei gq p ZS A 3 at EES ii S d i gt 0 3 hIS un Q Bla 4 PIS Sis JE dais JS A 2 Le Hiiul fe ECH Q o H o o Q A g aal 6 a a e Abbildung C 11 Seitenansicht des Experiments ohne Grundgeriist Der Neutronenstrahl n verl uft in einer H he von 176 cm 211
66. neutrale Teil chen innerhalb der Atomkerne geben sollte gelang Sir James Chadwick 1891 1974 bei der Wiederholung und Auswertung von Versuchen von Bothe und Becker 1 sowie Curie 2 und Webster 3 die richtige Interpretation der nachgewiesenen energiereichen Strahlung 4 welche beim Beschuss von Beryllium mit a Teilchen entsteht War die Strahlung bis zu diesem Zeitpunkt als y Strahlung gedeutet worden f hrten ihn seine Streuversuche an H Li Be B sowie N mit verschiedenen Absorbern Pb Al zu der Annahme dass es sich um ein Proton Elektron Paar in enger Verbindung handeln m sse Die von Chadwick zuerst nur zaghaft ge u erte Vermutung dass es sich auch um ein neues Elementarteilchen handeln k nnte 5 wurde sp ter von W Heisenberg 1932 D Iwanenko 1932 und E Majorana 1933 untermauert und f hrte schlie lich zu der Erkenntnis dass Neutronen und Protonen die zentralen Bausteine der Atomkerne darstellen Schon bald wurde die Be deutung des Neutrons in der Erzeugung von k nstlichen radioaktiven Isotopen erkannt I Curie amp Joliot 1933 34 und f hrte schlie lich zur Entdeckung der neutroneninduzierten Kernspaltung in Uran Das Neutron als Forschungsobjekt Neben dem nach wie vor ungebrochenen Interesse an seinen fundamentalen Eigenschaften gewann das Neutron mit dem Bau von leistungsstarken Reaktoren in den sechziger und siebziger Jahren und den Spallationsquellen der achtziger und neunziger Jahren immer gr er
67. neutron time of flight spectroscopy Nucl Instr and Meth A 309 275 283 1991 G Badurek and E Jericha Upon the versatility of spatial neutron magnetic spin resonance Physica B 335 215 218 2003 Harald Weinfurter Energie nderung und Flippwahrscheinlichkeit von Neutronen in hochfrequenten Magnetfeldern PhD thesis TU Wien 1987 H Weinfurther G Badurek H Rauch and D Schwahn Inelastic action of a gradient radio frequency neutron spin flipper Z Phys B 72 195 201 1988 A Steyerl Very low engery neutrons Neutron Physics Springer Tracts in Modern Physics 80 57 1977 R Golub and J M Pendlebur Ultra cold neutrons Rep Prog Phys 42 439 1979 Robert Golub David J Richardson and Steve K Lamoreaux Ultra Cold Neutrons Adam Hilger 1997 K J K gler K Moritz W Paul and U Trinks NESTOR A magnetic storage ring for slow neutrons Nucl Instr and Meth 228 240 1985 O Zimmer A method of magnetic storage of ultra cold neutrons for a precise measurement of the neutron lifetime Nucl Part Phys 26 67 77 2000 H Rauch Novel beam bunching methods by perfect crystals and electromagnetic means In Neutron Scattering in the Nineties page 35 1985 M Schuster Ein Perfekt Kristall als Neutronenspeicher PhD thesis TU Wien 1990 Literaturverzeichnis LH 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 l 52 53 54 M Schuste
68. optimierte Justierung des Neutronenleiters beziiglich des Si Kristalls 4 Wie bereits erw hnt konnten diese Justierungen f r die neuen Messungen aufgrund der sehr knappen Messzeit nur grob durchgef hrt werden Der Hauptgrund f r das schlechtere Abschneiden bei den gez hlten Neutronen pro ISIS Puls liegt jedoch in den in Abschnitt 5 2 4 gezeigten Problemen des Schwingkreises Durch eine Neukonstruktion des Resonanzkreises sollte es m glich sein die Flip Wahrscheinlichkeit von derzeit etwa 50 auf nahe 100 zu erh hen wodurch sich die Anzahl der Neutronen pro Puls auf etwa 1 5 steigern w rde Gleichzeitig zeigt sich aber die St rke des Systems Betrug die Anzahl der Frames ei nes normalen Runs bei dem alten System etwa 10 konnte der Standardwert f r Frames bei den neuen Messung mit 10 gew hlt werden Trotzdem ergab sich eine Verk rzung der resultierenden Messzeit von 36 auf 20 Minuten Somit stieg die Anzahl der gespei cherten Neutronen pro Sekunde trotz der geringen Flip Wahrscheinlichkeit um etwa eine Gr enordnung von 0 324 auf 3 355 Neutronen Dies f hrte zu einer deutlich verbesserten Statistik wie man anhand Abb 5 24 sieht Eine optimal funktionierende Anlage sollte in der Lage sein etwa 12 Neutronen pro Sekunde bei 4 Traversen speichern zu k nnen Die gravierende Verbesserung der Strahlzeitnutzung wird besonders deutlich wenn man sich die m gliche Wiederholfrequenz der Speichermessungen w hrend eines Experi ments Fra
69. r diverse Befestigungen versehen Die Signal Durchf hrung wurde in analoger Weise hergestellt Der Flansch 16 mm besitzt auf jeder Seite 2 Sub D 15 Buchsen sowie eine Sub D 25 Buchse Somit entstanden zwei 15 polige Durchf hrungen die f r die Anschl sse der Linerarmotoren der Neutronenleiterjustierung verwendet wer den sowie eine 25 polige Durchf hrung die frei belegt werden kann und f r die Signale der Endschalter etc verwendet wird Diese Art des Eigenbaus hat neben den geringen Materialkosten auch den Vorteil dass beliebige Durchf hrungen aus handels blichen nicht Vakuum tauglichen Komponenten realisiert werden k nnen So wurde auch ein RF Flansch angefertigt dessen u erer Ring aus Kunststoff bestand wodurch eine elektrische Isolierung des Vakuumgef es gegen ber der Masse der Signalleitungen erm glicht wurde Diese Isolierung bringt jedoch keine Vor teile bei der EM Abschirmung des Resonanzkreises 4 4 3 Vakuum Pumpsystem Um die neuen Anforderungen an das Vakuum zu erf llen musste der bisher verwendete Pumpstand modifiziert werden Als Vorpumpe kommt nun eine Drehschieber Vakuum pumpe der Marke Leybold Trivac zum Einsatz Um die Schlauchverbindungen m glichst 4 4 Das Vakuumgef 131 6 6 ra Leg ged Sub D Buchse Sacklochgewinde M6 25 polig 4 oo Nas K ke t 1 N Typ Buchsen Sub D
70. sich aus den Strukturfaktoren der Einheitszelle fiir Vorw rtsstreuung Fo und der durch den Gittervektor G charakterisierten Braggreflexion Fo ergibt fo und fg sind die zugeh rigen Phasenfaktoren und e Wo der Debye Waller Faktor der entsprechenden Reflexion 44 Fo Fo fo fa e Wa 2 5 foc 36 A Physikalische Grundlagen Reflektivit t y Parameter Abbildung 2 3 Gemittelte Reflektivit t einer Kristallplatte als Funktion des dimensions losen Parameters y nach der Dynamischen Beugungstheorie Angedeutet ist das Verhalten bei Mehrfach Reflexion f r 2 und 4 aufeinander folgende Reflexionen 46 Der Parameter y ist f r den symmetrischen Bragg Fall durch 2 6 definiert 2 y foc 1 am gt a a 2kG 2 6 Die Reflektivit t R y einer Kristallplatte l sst sich somit durch den dimensionslosen Parameter y beschreiben y selbst ist durch das Skalarprodukt kG also durch die Wellen lange des einfallenden Neutrons und die relative Lage des Wellenvektors zum Gittervektor G bestimmt Im Fall von dicken Kristallen D gt gt A n hert sich die Reflektivit t wie in Abb 2 3 ersichtlich im Bereich y lt 1 dem Grenzwert 1 an Dieser Bereich wird auch als Darwin gap bezeichnet der Wert von R y in diesem Bereich als Darwin plateau F r y gt 1 oszilliert die Intensit t sehr stark mit y Diese Oszillationen liegen aber f r gro e Werte von A so nahe zusammen dass sie experimentell nic
71. von E Jericha zahlreiche Verbesserungen durchgef hrt Die erste Computersimulation der Anlage wies als eine der Hauptursachen des Verlusts von Neutronen w hrend des Speichervorganges die relativ gro en Zwischen r ume 32 mm zwischen den Enden des Neutronenleiters und den Spiegelplatten des Speicherkristalls aus Aus diesem Grund wurde ein neuer Neutronenleiter mit einer L nge von 1063 mm angefertigt wodurch sich die Spaltbreite auf lediglich 0 5 mm pro Seite reduzierte Auf Grund der engen Zwischenr ume der Elektromagneten musste der neue Neutronenleiter an seinen Enden leicht abgefr st werden Dies geh rt noch heute zu den Merkmalen des verwendeten Neutronenleiters siehe Abschnitt 4 1 2 Die zwei nebeneinander angeordneten He Z hlrohre des Detektors wurden um ein weiteres zentral angeordnetes baugleiches Z hlrohr erg nzt wodurch sich die Effizienz des Detektors deutlich verbesserte siehe Abschnitt 4 7 nderungen wurden auch an den R ckschwungspulen sowie der Neutronenleiteraufh ngung durchgef hrt Die zur Erzeu gung des Vakuums verwendete Rotationspumpe wurde um eine Turbomolekular Pumpe erweitert nicht zuletzt um eine Verunreinigung des Speichersystems durch das l der Vor pumpe zu verhindern Im weiteren wurde eine eigene Messkabine f r die Steuerung des Experiments errichtet 3 3 Ein Speicher Namens VESTA ___ gt 3 3 1 Einfluss der Justierung der Anlage In einer weiteren Diplomarbeit 38 wurde der Einfluss de
72. werden bersprungen nach Erreichen der letzten gespeicherten Einstellung wird wieder die Voreinstellung mit der niedrigsten Registernummer aufgerufen Abbildung 4 20 zeigt eine m gliche Sequenzfolge bei der zuerst der Resonanzkreis mit einer leicht unterschiedlichen Frequenz angeregt wird Danach wird f r die Dauer des gew nschten Pulses in die Resonanzfrequenz gesprungen In der jetzigen Bauform des Signalgenerators sind die ben tigten Zeiten f r eine Kontaktgabe gt 10 ms zum Wechseln zwischen den Registern jedoch deutlich l nger als die Abklingzeiten bei Verwendung des BLANK Signals und eignen sich nicht zum Pulsen des Flippers In Verbindung mit anderen Pulsarten kann dieser Sequenz Modus jedoch zur erh hten Betriebssicherheit der Anlage gen tzt werden Idealerweise wird die Polarit t des BLANK Eingangs so gew hlt dass der Generatorausgang nur dann freigegeben wird wenn ein 5 V Signal TTL High anliegt Dadurch wird ein irrt mliches Betreiben des Spin Flippers verhindert 124 A VESTA TT Ver nderung des statischen Magnetfeldes Eine weiter M glichkeit ist die Ver nderung des f r die Zeemann Aufspaltung verant wortlichen Magnetfeldes Bo und somit eine Verletzung der Resonanzbedingung bei gleich bleibender Frequenz Aus praktischen Gr nden empfiehlt es sich hierbei das Feld Bo unver ndert zu lassen und durch eine zus tzliche Spule ein Magnetfeld Bpc von einigen Gauss zu erzeugen Dies k nnte zum Beispiel durch d
73. zwischen Energie bertrag am Doppler Drive und Reflexion am Si Kristall l sst sich wiederum jener Energie bertrag messen welchen die Neutronen beim ersten Durchqueren des RF Flippers erfahren haben Abb 2 17 zeigt die Intensit tsverteilung der r ckgestreuten Neutronen als Funktion des Energie bertrags am Doppler Drive Die obere Messkurve bei abgeschaltetem Spinflipper entspricht der Instrumentaufl sung Die untere Messkurve zeigt eine Energieaufspaltung nahe dem erwarteten Wert von 0 474 ueV bei einem Magnetfeld von 1 964 T und einer Resonanzfrequenz von 57 289 MHz Der in Abb 2 17 gezeigte Versuchsaufbau entspricht bereits einer weiterentwickelten Version des Experiments bei dem eine Energieaufspaltung von 8 uB beim doppelten Durchlaufen des Spinflippers gemessen werden k nnte Zu diesem Zweck m sste der Si Kristall 2 durch eine Serie von Si Kristallen mit unterschiedlichen Temperaturen ersetzt werden Somit w rden alle Neutronen im 4 uB Bereich um Eo reflektiert Zus tzlich m sste ein 5 Spindreher vor den Kristallen angebracht werden Die Untersuchung der Energie der r ckgestreuten Neutronen erfolgt ber einen weiteren Si Kristall 3 und einen weiteren Detektor 3 2 3 Konzept eines magnetisch geschaltenen Speichers 51 soo R HF off 2 Doppler drive i tal 4 Si c beam tube 7 deflection detector 34 graphite crystal 1 detector 2 i SR semitransporent ee chopper i Ei H j deflection
74. 0 21 JUN 2002 19 58 27 30 05 16 56 09 29 04 44 38 241 Display in Experimental hall not operational Check beam status on www isis rl ac uk ISIS will be running at low rep rate this evening Friday 28th for machine physics with a view to running 50hz beam over night Further machine physics schedule for weekend to follow All beamlines EXCEPT S9 and RIKEN are now clear for beam The remaining two beamlines are scheduled to be cleared tomorrow morning N5 cleared for beam The following beamlines are now cleared for beam and control of shutters has been switched over to the beamline Beamlines Ni N3 N7 amp 82 The main control screen in R55 is now displaying the correct information Beam is presently 50uA at 25 pulses per second At present we are running approximately 50 uA Beam to target with a view to increasing intensity during the day The fault on the Beam current display in the hall is yet to be resolved The Large Beam display in R55 is not working We hope to have it fixed by end of 26 06 Low level beam is being run to target intermittently New User Run Start up is now Monday 1st July 11 50 base rate beam to target machine physics started There have been instability problems with the main magnet power supply Correctional changes have been made and it is hoped to continue with the ring tuning in the morning Attention all users 800MeV beam established to the main target at
75. 1 67492716 10 7 kg Ruhemasse Yn 1 83247188 44 10 el T7 Gyromag Verh ltnis Un 0 96623640 23 10 2 J T7 Magnetisches Moment 887 0 16 s Halbwertszeit freier Neutronen 0 7 fm Einschluss Radius sh Spin Tn Tn 1 1 Erzeugung und Detektion von Neutronen 13 1 1 Erzeugung und Detektion von Neutronen An der Erdoberfl che lassen sich freie Neutronen nachweisen die sowohl von terrestrischen als auch extra terrestrischen Quellen stammen Neben diesen sehr schwachen nat rlichen Quellen werden Neutronen durch verschiedene induzierte Kernreaktionen freigesetzt 7 Nat rliche Neutronenquellen Neutronen kommen in einem geringen Ausma in der kosmischen Strahlung vor 8 Es zeigt sich dass der Neutronenfluss als Funktion der H he ein Maximum bei einem Druck von 120 mb erreicht und danach bis auf Meeresh he um 2 Gr enordnungen abnimmt 9 Ein solcher Befund ist mit der Annahme konsistent dass Neutronen mit gro er kineti scher Energie auf ihrem Weg durch die Atmosph re zur Erdoberfl che Energie verlieren und schlie lich durch die Kernreaktion N n p C vom Luftstickstoff absorbiert werden Aus der Tatsache dass freie Neutronen eine mittlere Lebensdauer von ca 900 Sekunden besitzen der Neutronenfluss stark von der geographischen Breite abh ngig ist 10 und sich gegenl ufig zur Sonnenaktivit t verh lt wie es auch f r die geladenen Komponen ten der kosmischen Strahlung der Fall ist schlie t man da
76. 1072 mm miteinander verbunden sind Die L ngsachse wurde dabei so geschnitten dass sie parallel zur 111 Richtung des Einkristalls liegt welche somit normal zur Oberfl che der Kristallplatten steht Die Plattendicke von 3 9 mm gew hrleistet dass die Platten stabil genug gegen ein m gliches Verbiegen sind und h lt gleichzeitig die Verluste die der durchtretende Neutro nenstrahl auf Grund von diffuser Streuung und Absorption erleidet klein ca 1 5 35 bleiben Die Reflektivit t im Darwin Plateau betr gt bei dieser Dicke praktisch gleich 1 Der innere Abstand der Kristallplatten betr gt somit etwa 1064 mm Die Dimensionen des Kristalls sind in folgender Tabelle zusammengefasst Silizium Speicherkristall Gesamtl nge l 1071 814 mm Kristallbasis br bn 20x30 mm Plattenabstand Ir 1063 994 mm Plattenfl che 52x30 mm Plattendicke ds 3 910 5 mm Dichte os 2 333 g cm Gesamtmasse 15 kg Ausdehnungskoeffizient ag 2 56 3 10 K Elastizit tsmodul Ey 1 9 10 Pa Der Vorteil dieser Anordnung liegt zweifelsohne darin dass eine Justierung der einzelnen Spiegelplatten zueinander entf llt da bei geeigneter Auflage des Einkristalls die Netze benen der Kristallplatten automatisch parallel zueinander verlaufen Das Anbringen von Justiereinrichtungen wie Goniometer und dergleichen am Ort der Kristallplatten stellt 102 A VESTA H insbesonders bei Anwesenheit von starken gepulsten Magnetfeldern wie es sowohl bei dem Prototyp a
77. 113 675 266 um Ar 12 9723 63 1 4414 7 1076 A D 355 25 49 108 06 29 1076 Tabelle 4 1 Charakteristische Gr en des Silizium Perfektkristalls f r die relevanten Re flexionen bernommen aus 37 Tabelle 2 1 bis 2 7 Der Siliziumkristall definiert ber seinen Netzebenabstand die Wellenl nge und somit die Geschwindigkeit der speicherbaren Neutronen ber den inneren Plattenabstand ergibt sich die m gliche Speicherzeit innerhalb von VESTA zu einem Vielfachen jener Zeit die diese Neutronen f r eine Hin und R ckreflexion Traverse ben tigen Diese Traversenzeit tr betr gt bei einer Normtemperatur von 22 5 C etwa 3 3733 ms Die Hallentemperatur in ISIS unterliegt jedoch besonders im Winter gro en Schwankungen Durch ffnen eines der nahe liegenden Hallentore sinkt die Temperatur rasch ab Dies wirkt sich mit zeitli cher Verz gerung auch auf die Kristalltemperatur im Inneren des Vakuumgef es aus und mu dementsprechend ber cksichtigt werden Als Beispiel des Temperatureinflusses auf die Speicherung sei im folgenden die Ver nderung der Speicherzeit pro Traverse tr disku tiert Uber den linearen Ausdehnungskoeffizienten ag 2 56 3 1076K nahe 22 C 89 ndern sich die Gitterabst nde du innerhalb des Siliziumkristalls Mit steigender Temperatur bewirkt dies eine Vergr erung des Abstands zwischen den Kristallplatten sowie eine Verschiebung der Bragg Bedingung A 2 d111 zu l ngeren Wellenl ngen Bei de E
78. 1x 107 1 1x 10 1x 102 1x 10 1x 104 1x 10 1x 108 1x 10 Energy eV Abbildung 1 1 Absorbtionsquerschnitt der fiir die Detektion von langsamen Neutronen relevanten Reaktionen nach 1 1 als Funktion der Neutronenenergie Ubernommen aus 14 oft schlechteren Diskriminierung von Neutronen und y Strahlung im Vergleich zu Propor tionalit tsz hlern Besonders erw hnt sei hier auch Gd welches mit 255000 b einen der h chsten gefundenen Absorptionsquerschnitte besitzt und nach einem Neutroneneinfang unter anderem Y Strahlung und Konversions Elektronen emittiert Neben seinem Einsatz in Szintillatoren eignet sich Gd auch f r die Neutronenradiographie mit photographischen Filmen Eine weitere M glichkeit Neutronen zu detektieren liegt in der Aktivierung von ge eigneten Elementen Besonders verbreitet sind hierf r 1 Au sowie Mn und Co Im Gegensatz zu den bisher vorgestellten Methoden wird bei der Aktivierung ein integraler Fluss ber eine vorgegebene Zeit gemessen Dementsprechend findet die Aktivierung bei der Bestimmung des Neutronenflusses im Inneren von Reaktoren oder an Strahlrohren ihre Verwendung 197 Au n gt 8Au 1 Hg ig 2 7d 5Mn n gt Mn Se Spas 2 6 Cotn gt Co T OCo y 10 4m Auch die bereits beschriebene Spaltung von Uran kann zum Nachweis von Neutronen verwendet werden da 80 der freigesetzten Energie von etwa 200 MeV in der kineti schen Energie der Spaltprodukte steckt Somit eignen s
79. 2 1 JUL 2002 1 JUL 2002 1 JUL 2002 1 JUL 2002 30 JUN 2002 30 JUN 2002 30 JUN 2002 29 JUN 2002 29 JUN 2002 28 JUN 2002 28 JUN 2002 28 JUN 2002 09 09 15 09 17 22 09 20 14 08 04 02 22 17 11 09 22 22 21 05 02 06 54 59 12 33 02 23 32 25 04 41 26 47 10 37 21 20 16 44 available from tomorrow Thursday morning The new target circuit heat exchange was successfully installed overnight The system will be commissioned and tested today Work is continuing to repair the leak in the target area It has been traced to the heat exchanger which is being replaced with a spare Beam still expected late Thursday afternoon There is a leak in the target D20 circuit In order to repair this the beam will be off for three days The user run will now start on Friday 12th July at 8 30am The beam will be off for approximately 1 hour for adjustments to the MMPS capacitor bank The machine is now running at 50 Hz The beam current is 145uA and we expect to carry on running at this level or higher A problem with the new colectors has been identified and is being resolved The accelerator team is confident that a beam of 150 160uA at 50 Hz can be established on Sunday Agreed machine physics program started Intermittent beam conditions at various rep rates untill 09 07 02 The current user run has been res
80. 2 63 Ar 20 13 44 23 2 56 5 05078317 1 67492716 1 83247188 0 96623640 TN o gt 1034 10734 10 19 1077 10727 10727 108 10726 1076 Js Js m s Vs Am J T kg 1 sT J T 1 K 193 Planck Konstante h 27 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Elektronenvolt Magnetische Feldkonstante Kernmagneton Masse des Neutrons Gyromag Verh ltnis des Neutrons Magnetisches Moment des Neutrons Linearer Expansionskoeffizient von Silizium 88 194 B Tabellen VESTA ISIS spezifische Konstante Eine Auswahl der f r die Speicherung von Neutronen relevanten Gr en Die angegebenen Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 22 5 Celsius Werte gespeicherter Neutronen der 111 Bragg Reflexion An 6 271202 A kg 1 001911 T vp 630 825466 ms Ep 2 080050 meV lgi 1 063994 m tr 3 373338 ms Wellenl nge der Neutronen Wellenvektor der Neutronen Geschwindigkeit der Neutronen Energie der Neutronen Innerer Abstand der Silizium Platten Flugzeit f r eine Traverse 2 lsi Vergleich der charakteristischen Gr en relevanten Reflexionen Gitterabstand d Wellenl nge A kp UB Ep Debye Waller Faktor Therm Gitterfaktor fog Charakt Lange A Pendell sungsl nge Ao kp Ar A D Ak kp k kB max A0 kB 111 333 3 13560104 20 A 1 04520035 6 2712 A 2 09040070 1 00191083 Aq 3 00573250 630 82487 m s 1892 4746 2 0800479 meV 18 720431 0 9886 0 9021 1 43049 36 1 567
81. 34 23 2 Frequenz MHz 13 5 r pa 13 0 a E a D E 12 5 D S a 12 0 Bi N E O 5 5 11 5 E v Ka 11 0 22 9 22 92 22 94 22 96 22 98 23 Frequenz MHz Abbildung 5 5 Oben Resonanzbedingung 22 955 MHz bei einem gemessenen Magnet feld von 8086 G Die Schrittweite betrug 2 5 kHz Unten Feinaufl sende Messung der Resonanzbreite mit einer Schrittweite von 0 5 kHz Parameter der theoretischen Kurve in Abb 5 5 Oben Unten Bo 7867G By 215G fres 22 944 A 1 998 ls 7 0cm 22 8 lt f lt 23 2 MHz Bo 7871G By 233G fres 22 955 A 1 998 A L 70cm 22 9 lt f lt 23 0 MHz Vergleicht man die Messwerte mit den aus Gleichung 2 33 gewonnenen theoretischen Kurven l sst sich bei exakt bekannter Anregungsfrequenz neben dem tats chlich herr schenden Magnetfeld auch die effektive L nge der Resonanzspule ls sowie die St rke des RF Magnetfeldes B f ermitteln Die h here Geschwindigkeit der 2 Neutronen wirkt sich nicht nur auf die Flip Wahrscheinlichkeit negativ aus sondern ndert auch die Breite der Resonanzbedingung Dies zeigt ein Vergleich von Abb 5 5 mit Abb 5 13 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS 153 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS Messungen an Gro forschungsanlagen stellen oft besondere Anforderungen an die Geduld des Experimentators Dies beginnt schon vor dem Einreichen eines Proposals und endet weit nach Abschluss aller Messungen Urspr nglich waren
82. 4 Side Detector Beam He 3 Gas 1340 Channel 17 Vesta4 1 Beam Monitor Scintillator 1050 Channel 18 B 3 Parameter File des Steuerprogramms 197 B 3 Parameter File des Steuerprogramms W hrend der in Kapitel 5 pr sentierten Messungen wurde eine neue Version 2 1 des Steuerprogramms VCP verwendet Anbei ein Beispiel eines Parameter Files der zum Zeit punkt der Messungen aktuellen Version Die Angaben in eckigen Klammern zeigen die verschiedenen Optionen bei bestimmten Eingaben an Frames Shutter BSMode Lngshrt SglMult tShuttr tBlank tSigOn Board Clock Mode Status 10000 Cycle_1 7 Beispiel eines VCP21 dat Steuerfiles Beschreibung Anzahl der Durchl ufe des Experiments Shutter in Betrieb S oder nicht in Betrieb N Blank B Sequenz S Short S Long L S M 816 832 848 Nummer des angesprochenen SCE Ein schubs Frequenz der Board Clock 1 2 3 4 Operationsmodus 0 1 3 5 7 Freigabe der Si gnale f r diesen Cycle Timer Aufl sung Bestimmt maximale Zeit von T01 Zeitspanne bis zum Ende der Datenaufnahme Timer Aufl sung Zeit bis Signal MS1 Dauer des Signals MS1 Zeit Shutter Schlie en Dauer Shutter Signal Freigabe Signale Cycle 2 Normalerweise 1000 10000 Bei Messungen mit polarisierten Neutronen wird der Shutter nicht verwendet Sequenzmodus nicht kompatibel mit Signalgenerator SMYO1 Derzeit nicht verwendet Derzeit nicht ve
83. 6 36 11 006 6 um 36 184 85 34 577 19 um 113 675 266 12 9723 63 1076 1 4414 7 1076 355 25 49 108 06 29 18 137 10 1076 1 839 4 1076 22 041 11 1076 2 361 2 1076 12 0455 33 mrad 3 855 45 Gravitations und Erdmagnetfelddaten fiir den Zeitraum der Messungen g 9 8117 Gravitationskonstante Mittelwert aus Brize Norton Wallingford und Newbury Bg 48 180 uT Mittleres Magnetfeld der Erde fiir Harland Eng land Britsih Geological Survey Nord 19462 nT Ost 1621 nT Vertikal 44051 nT B 2 Kenndaten der Komponenten B 2 Kenndaten der Komponenten Speicherkristall Gesamtl nge l Kristallbasis br bn Plattenabstand Ir Plattenfl che Plattendicke ds Dichte OSi Gesamtmasse Neutronenleiter Material Float Glas Dichte 2 52 g cm Masse 3 65 kg Glasdicke 6 10 mm NMR Magnet Haupterregung C Nebenerregung Maximaler Strom Imax seriell Imax paralell Max Wasserdruck Wdmax Min Wasserdruck Wdmin Max Flowrate Flinax Norm Flowrate Flnorm Signalgenerator SMY01 SMY B1 195 1071 814 mm 20x 30 mm 1063 994 mm 52x30 mm 3 910 5 mm 2 333 g cm 1 5 kg Lange 1063 mm Au enma e 55 2 x 45 8 mm Innenma e 43 x 26 mm Cut Out 100 x 2 mm 2 x 2500 Windungen 3 4 mm Cu Draht 6 9 Q Kaltwiederstand 2 x 300 Windungen 1 2 mm Cu Draht 5 Q Kaltwiederstand 20 Amp 33 40 Amp 66 3 bar 1 bar 20 1 min 10 15 1 min bei 1 5 bar Min Frequenz 9 kHz Einschwingzeit lt 60 ms Max F
84. 6 67 8 68 0 68 2 68 4 68 6 68 8x10 87 6 87 8 88 0 88 2 88 4 88 6 88 8 89 0x10 Detektionszeit s Detektionszeit s 505 0 08 4 16 Traversen 0 06 4 ral a 0 02 4 Neutronen Zeitkanal Gespeicherte Neutronen Puls oo dolno Mn n nf Im Mom Loan on m mo 0 00 4 T T T T T 1 T T T T T T T 1 0 1078 0 1080 0 1082 0 1084 0 1086 0 1088 0 1090 0 1092 o 10 20 30 40 50 60x10 Detektionszeit s Speicherzeit s Abbildung 5 20 Speicherung polarisierter Neutronen Die auf den Monitor normierten Messwerte der Speichermessungen blau sowie die Vergleichsmesung griin ohne Spin Flipper Run 1639 sich durch die nicht abgeschlossene Justierung des Neutronenleiters Zum Zeitpunkt dieser Messungen wurden die fiir die Justierung des Neutronenleiters vorgesehenen Linearmoto ren fiir die Justierung des Analysators verwendet Der Neutronenleiter befand sich somit nur grob justiert zwischen den Silizium Kristallspiegeln In Anbetracht der sehr knappen Messzeit die weder eine Justierung des Leiters noch die daf r n tigen Umbauarbeiten zu gelassen hat wurde die Speicherung auf 3 Werte bis zu einer maximale Speicherzeit von 54 ms begrenzt Dies erscheint vor allem deshalb als sinnvoll als es sich bei Kristall und Neu tronenleiter um bereits in VESTA I verwendete Komponenten handelt Da das Verhalten des Speichersysteme bei l ngeren Speicherzeiten nur von diesen beiden Komponenten und 166 D Experimentelle Erge
85. 71 kg Innenma e 380x1310x360 116 mm Oberer Ring 18x27 mm Oberer Deckel 20 mm Al 15 5 kg Seitenw nde 10 mm Magnetfenster 360 mm 310 mm Bodenplatte 20 mm Seitenfenster 149 mm 100 mm Pumpsystem Turbomolekular Me sonden Penning Rotationspumpe Pirani Volumen 82 Liter Druck gt 1076 mbar Edelstahl nach DIN 14301 Dichte 8 g cm Cr 18 20 Fe 66 74 Ni 8 10 5 Mag Permeabilit t 1 008 Mn lt 2 C lt 0 008 P lt 0 045 Elastizita tsmodul 193 200 GPa S lt 0 03 Si lt 1 4 5 Innerer Aufbau Die Aufgabe der Innenaufbauten ist die Lagerung des Speicherkristalls sowie die Ausrich tung des Neutronenleiters bez glich des Kristalls Der Speicherkristall wird hierbei ber ein Kristallbett fix mit dem Vakuumgef verbunden Seine Ausrichtung bez glich des Neutronenstrahls erfolgt gemeinsam mit der des Vakuumgef es durch die im Abschnitt 4 6 beschriebene Justiereinrichtung W hrend bei den fr heren Experimenten eine inne re Edelstahl Struktur das Vakuumgef stabilisierte und somit den vorhandenen Platz stark einschr nkte erlaubt die selbsttragende Konstruktion des neuen Gef es eine flexi ble Gestaltung des inneren Experimentaufbaus Durch den gro en Hauptdeckel kann der gesamte innere Aufbau entfernt und wieder installiert werden wodurch seine Modifizierung auch au erhalb des Experimentierbereichs durchgef hrt werden kann Dies ist insbeson ders durch den zeitlich stark beschr nkten Zugang zum Experiment von Bedeutung Bei
86. 73 mbar ihr Minimum etwa 300 V cm f r Gleichstrom erreicht Der genaue Ver lauf dieser als Paschen s Law bekannten Funktion h ngt jedoch stark von Geometrie Oberf chenbeschaffenheit Material Gaszusammensetzung Luftfeuchtigkeit Verunreini gungen Frequenz und dergleichen ab und kann meist nur experimentell bestimmt werden Die hohen Spannungen kV die im Resonanzkreis auftreten k nnen bedingen somit ein Durch die in 92 angegebenen Wirkungsquerschnitte f r Neutronen mit den einzelnen Bestandteilen der Luft l sst sich auch die Anderung der Zusammensetzung des Restgases w hrend des Pumpvorganges ber cksichtigen 4 4 Das Vakuumgef dD Abbildung 4 23 Das Vakuumgef und seine Anschl sse Beam IN 1 Beam OUT 2 Sichtfenster 3 Anschluss f r Vakuumpumpe 4 RF Flansch 5 Elek trische Anschl sse 6 Magnetfeldfenster 7 experimentell bestimmtes Vakuum von gt 10 oder lt 1075 mbar sowie eine zus tzliche Isolation des Resoanzkreises vom Vakuumgef 4 4 2 Realisierung Realisiert wurde das Vakuumgef welches gleichzeitig die Funktion des Faraday K figs bernimmt aus einseitig verschwei ten Edelstahlplatten DIN 1 4301 die zu dem in Abb 4 23 dargestellten Gef zusammengef gt wurden Die spezielle Form des Vakuumgef es erm glicht hierbei dass s mtliche Aufbauten im Inneren der Edelstahlh lle nach Abnahme eines gro en Hauptdeckels lei
87. 98 M Villa M Baron G Badurek H B ck R J Buchelt M Hainbuchner S Ismail and S K rner Neutron Beam Utilization at the TRIGA Mark II Reactor Vienna In Int Conf on Nuclear Energy in Central Europe 6 9 9 1999 Portoroz Slovenia page 105 1999 R Buchelt Implementierung eines neuen CoFe TiZr Superspiegelsystems am tan gentialen Strahlrohr des TRIGA Reaktors Wien Master s thesis TU Wien 1997 B Misra and E C G Sudarshan Quantum zeno effect J Math Phys 18 756 1977 H Rauch Quantum Zeno effect with polarized neutrons Physica B 297 299 302 2001 H Rauch Unavoidable Quantum Losses in Zeno Like Neutron Experiments Cy bernetics and Systems 32 367 383 2001 Paolo Facchi Yoichi Nakaguro Hiromichi Nakazato Saverio Pascazio Makoto Un oki and Kazuya Yuasa Optimization of a neutron spin test of the quantum zeno effect Phys Rev A 68 012107 2003 Formelsammlung A 1 Allgemeine Formeln Energie von Neutronen Mnv2 h KE Bun ZER a 2 2mMnrA2 22mm Wellenl nge von Neutronen se p mv A Maxwell Boltzmann Verteilung E E P E do etBT E Gah NL A dh 2mrA k BT man eg 0 mars m ko Schr dingergleichung h2 EC V f t U F t EV r t Reflexion von Neutronen Bragg Bedingung nAg 2dpp sin OB 20 bn k e Set y Nae dji n 90 187 188 A Formelsammlung Reflektivit t Perfektkristall sinh A 1
88. A new stripping foil has been installed and 18 JUL 2002 18 JUL 2002 18 JUL 2002 17 JUL 2002 17 JUL 2002 17 JUL 2002 17 JUL 2002 16 JUL 2002 16 JUL 2002 15 12 08 18 16 13 13 12 2 25 08 55 03 46 54 51 34 12 17 16 JUL 2002 09 38 15 JUL 2002 22 57 15 JUL 2002 15 JUL 2002 13 JUL 2002 13 JUL 2002 13 JUL 2002 11 JUL 2002 10 JUL 2002 22 11 18 17 16 15 09 24 33 05 24 53 04 07 239 the system is being pumped We are still on schedule for beam after 6pm Work on CH4 Cryo system is proceeding to plan We are about to change the foil to improve injection Beam to target is expected soon after 18 00 Further update at 17 00 Work on refurbishment of the CH4 Cryo system is proceeding to plan Beam to target is expected around 16 00 with full intensity at 18 00 Further update at 15 00 CH4 moderator update Oil contamination which degrades cryo performance has been found The system is being refurbished Beam still expected at 18 00 today Further update at 12 00 The beam is now off to allow repair of the CH4 cryo generator Repair is expected to take 24hrs but an update will be posted in the morning All ISIS users are reminded that the beam will be turned off at 18 00 for repair to the CH4 cryogenerator This is expected to take up to 24 hours to complete It is anticipated that the process of warm up
89. Anlage fiir polarisierte Neutronen Monochromator 1 Beam Monitor 2 Polarisator 3 Rotationstisch 4 Magnet 5 Neu tronenleiter und Speicherkristall 6 Analysator 7 Linearmotoren 8 Detektoren 9 Das Vakuumgef ist transparent angedeutet F r die Messungen mit polarisierten Neutronen musste die Anlage vergleiche Abb 3 25 etwas adaptiert werden Wie in Abb 5 7 dargestellt wurde der Polarisator 3 auf ei nem Rotationstisch zwischen Beam Monitor und Eintrittsfenster des Vakuumgef es an gebracht Aus diesem Grund musste der Hochgeschwindigkeits Shutter f r die Dauer der Messungen entfernt werden Der als Analysator 7 betriebene baugleiche Polarisator wur de direkt nach dem Austrittsfenster der Vakuumbox auf zwei Linear Translationsschlitten befestigt Die Position der Detektoren musste deswegen um etwa 70 cm entlang der z Achse verschoben werden Die verwendeten polarisierenden Superspiegel 101x66x583 mm wurden am Paul Scherer Institut PSI Schweiz f r das Nachbarexperiment OSIRIS gefertigt und uns freundlicherweise von Ken Anderson f r die Dauer der Messungen zur Verf gung gestellt Sie bestehen aus je 39 gebogenen Glaslagen und 38 Distanzst cken Die Neutronen der transmittierten Spinausrichtung werden hierbei gem des Kr mmungsradius von 39 2 m 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS _ 15 leicht abgelenkt Um jedoch die Justierung der Anlage nicht zu verlieren wurden bei de Polarisatoren parall
90. Ausdehnung und seinen Totalreflexionswinkel definiert er gemeinsam mit dem Speicherkristall somit das Speichervolumen sowohl im Orts als auch im Impulsraum Cha rakteristische Gr en f r einen Neutronenleiter sind der Grenzwinkel der Totalreflexion sowie die Rauhigkeit des Leitermaterials Zum Einsatz kommt ein Neutronenleiter der Fir ma NTK welcher aus vier miteinander verklebten unbeschichteten Floating Glasplatten besteht die einen rechteckigen Leiter mit den Au enma en von 55 2x45 8x 1063 mm er geben Die Dicke der oberen und unteren Platte betr gt 6 mm die der Seitenteile 10 mm wodurch sich ein innerer lichter Querschnitt von 43x 26 mm ergibt Da sich der Neutronen leiter in variablen Magnetfeldern befindet und somit keine hohe elektrische Leitf higkeit aufweisen sollte wurde auf die bliche Nickel Beschichtung verzichtet F r Float Glas bestehend aus 75 SiO2 13 Na2O sowie 11 5 CaO erh lt man ei ne Dichte von p 2 52 g cm sowie eine charakteristische Wellenl nge A von 915 8 1 3 A Aus 2 12 ergibt sich der Grenzwinkel der Totalreflexion zu 6 85 mrad f r 6 271 Neu tronen der Silizium 111 Reflexion bzw 2 28 mrad f r 2 090 Neutronen der 333 Reflexion Unter Ber cksichtigung der Absorbtion und Oberfl chenbeschaffenheit des Lei ters ergibt sich die mittlere Reflektivit t im Totalrefelxionsbereich zu 0 996 111 bzw 0 984 333 37 Kenndaten des Neutronenleiter Material Float Glas L nge 1063 mm
91. Beide Polkerne sind kontinuierlich verstell bar womit sich der Abstand der Polkernstirnfl chen Luftspalt von 5 150 mm einstellen l sst An den Stirnseiten der Polkerne ist je ein verchromter Messingring mit sechs Boh rungen zur Befestigung von Polschuhen angebracht Das Joch des Magneten kann beliebig um die Polkernachse geschwenkt werden wobei die Richtung des magnetischen Feldes im Luftspalt stets waagrecht bleibt Das zus tzliche Drehgestell Z 12 erm glicht eine messba re Drehung des Magneten um die vertikale Achse durch den Luftspalt Mittelpunkt um 180 bei einer Ablesegenauigkeit von etwa 1 10 Die Magnete vom Typ E 25 8 besitzen als Standardwicklung C zwei Spule mit je 2500 Windungen Cu Draht 3 4 mm Kaltwiderstand je ca 6 9 Q Bei einer magnetischen Erregung von 125000 AW AW Ampere Windungen ergibt dies eine maximale Lei stungsaufnahme von 10 kW Zus tzlich verf gt der Magnet zur Modulation des Hauptfel des ber zwei Erregerspulen mit je 300 Windungen Cu Draht 1 2 mm Kaltwiderstand je ca 5 Q Erregung 3000 AW bei max 150 W Leistungsaufnahme Beide Zusatzspulen befinden sich auf den dem Luftspalt benachtbarten Wickelpaketen der Haupterregerspu len Die beiden Anschl sse jeder Spule werden getrennt in den Schaltkasten gef hrt und k nnen ber Buchsen auf der Oberseite des Schaltkastens angeschlossen werden Prak tisch kann jede beliebige Gleich oder Wechselspannung angeschlossen werden die eine
92. Diese St rungen limitierten direkt das verwendbare Magnetfeld und dadurch die erreichbare Transmissionswahrschein lichkeit Wurden die Kondensatorb nke mit einer Spannung von mehr als 1100 V Regler stellung 3 9 geladen kam es zu Fehlz ndungen der Magnete Hierbei wird der Thyristor geschalten obwohl keine Signalgabe erfolgte Besonders schwerwiegend war die Tatsache dass dies auch w hrend des Ladezyklus auftrat wodurch der Ausgang des Ladeger ts mit dem kurzgeschlossenen Schwingkreis der Elektromagnete verbunden wurde Dies f hrt auf Dauer zu einer Besch digung der Ladeger ts Eine st ndige Anwesenheit des Experimen tators war aus diesem Grund unerl sslich Lange wurden die verwendeten Thyristoren als Ursache dieser Effekte vermutet Als Hauptquelle der elektromagnetischen St rungen wurden schlie lich die beiden R ckschwingspulen identifiziert 85 Im Gegensatz zu den Magnetspulen verf gen sie ber kein Magnetjoch und besitzen ein hohes Streufeld Die Einsch tzung in 35 dass die Dimensionierung der R ckschwingspulen unkritisch sei stimmte somit nicht in Bezug auf ihre Bauweise und Abschirmung Ein Vorschlag die R ckschwingspulen zu entfernen und statt dessen die Elektromagnete zum Umladen der Kondensatorbank zu verwenden wurde durch die bereits begonnenen Neukonstruktion nicht mehr verwirklicht Gegen diese Methode sprach dass dadurch die in 3 3 4 be schriebenen induzierten Vibrationen noch verst rkt w rden Jedoch
93. Dissertation Entwicklung eines neuartigen Speichers fiir kalte Neutronen ausgef hrt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der technischen Wissenschaften unter der Leitung von 0 Univ Prof Dipl Ing Dr H Rauch E 141 Atominstitut der sterreichischen Universit ten eingereicht an der Technischen Universit t Wien Technisch Naturwissenschaftliche Fakult t von Dipl Ing Martin R J kel Matr Nr 8855055 B rnergasse 15 7 3 1190 Wien Wien am 24 10 2003 Kurzfassung Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung die Konstruktion und den Bau eines neu artigen Neutronenspeichers fiir kalte und thermische Neutronen basierend auf der Refle xion von monoenergetischen Neutronen an Perfektkristallen Eine Kombination von zwei in Riickstreugeometrie angeordneten Kristallplatten begrenzt hierbei das Speichervolumen in axialer Richtung Zwischen diesen Platten befindet sich ein Neutronenleiter welcher die lateralen Verluste verringert Die Anderung der Energie von Neutronen durch ein System aus konstanten und hochfrequenten Magnetfeldern wird zum aktiven Befiillen und Entlee ren des Speichers verwendet Obwohl primar als neutronen optisches Instrument entworfen welches die hohe Neutronen flussdichte an gepulsten Quellen optimal ausniitzt kann dieser Speicher auch zur Unter suchung fundamentaler Gr en des Neutrons und zur berpr fung quantenmechanischer Effekte verwendet werden Aufgrund der hohen Anzahl vo
94. E K q a3 3a7b 2b 3a a 2b F 0 4 10 Mit der Bedingung a 1072 2 6 erh lt man als L sungen dieser Gleichung b 315 2 mm Der Abstand zwischen den Auflagepunkten ergibt sich somit zu 630 mm Dieser Wert stellt eine deutliche Abweichung zu dem bisher verwendeten Abstand von 749 mm b 374 6 mm dar Eine m gliche Erkl rung k nnte in einem Schreibfehler 315375 zu finden sein Es zeigt sich jedoch dass der abweichende Abstand der Auflagepunkte nur zu einer minimalen Schr gstellung der Platten f hrt und praktisch keinen Einfluss auf die Neutronenspeicherung hat 50 4 5 3 Die Neutronenleiterjustierung Wie in Abschnitt 3 3 1 gezeigt h ngt das Speicherverhalten stark von der exakten Justie rung des Neutronenleiters bez glich des Speicherkristalls ab Bei fr heren Experimenten war der Neutronenleiter im Schwerpunkt aufgeh ngt und frei um die z und y Achse drehbar Dies hatte den Vorteil dass die verwendeten Linearmotoren frei am Neutronen leiter ansetzen konnten Die R ckstellung erfolgte entweder ber Federn oder durch die Schwerkraft Somit wurde eine bertragung von Spannungen an den Leiter durch die Halterungen weitgehend vermieden Durch die neuen r umlichen Gegebenheiten und die starken Magnetfelder im Mittelteil des Systems war es jedoch notwendig nach anderen L sungen zu suchen 136 _ d VESTA IT Wahl des Drehzentrums Durch die Form des Vakuumgef es bietet sich einen Lagerung des Neu
95. EPORT CW Power Data i i i i H il II ji D Datenbl tter Serial Number Date B8563 M3 2000 J Test Conducted By Output Power 75 Watts Minimum 1 00 FREQUENCY MHz Output Power 50 Watts Minimum mit p 120 0 2 W 100 0 E 80 0 w A E T 60 0 T S 40 0 Lt i 0 01 100 00 250 00 Signal Generator Serial Number Att 1 Serial Number Att 2 Serial Number aen 1145 IS Power Meter Serial Number Spectrum Analyzer Serial Number Test Program Revision Iron Am OO OOOO SWTP75A250 960711 Abbildung D 4 Hersteller Pr fbericht Signalverst rker 75A250 225 Serial Number Date IA WH GE Test Conducted By BE Gain Flatness Data Input Power dBm Flatness Specification 1dB TI TT BER I H H R H ge R i it i i l i 0 01 0 10 1 00 10 00 00 00 250 00 FREQUENCY MHz 2nd A OPEN TEST gd PASSED 3rd a STABILITY TEST m PASSED VSWR TEST d PASSED Abbildung D 5 Hersteller Priifbericht Signalverst rker 75A250 226
96. I ber 4 Traversen gespeicherten Neutronenpuls 1659 Die Ankunftszeit der Neutronen wird von der Datenerfassungselektronik in Zeitkan len registriert deren Breite normalerweise auf 10 ps eingestellt wird Die Halbwertsbreite ergibt sich in bereinstimmung mit fr heren Messungen zu 147 us Aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung des von ISIS eintreffenden Neutronenpulses wird in 37 eine Zunahme der Halbwertsbreiten erwartet Zu diesem Zweck wurde eine Gleichverteilung der Geschwindigkeiten im Totalreflexionsbereich angenommen und Aty aus 2 41 f r verschiedene Traversenzahlen numerisch berechnet Was Ergebnis wird in Abb 2 30 links wiedergegeben Diese Verbreiterung der Halbwertsbreiten konnte im Ex L t0 4 270s 2007 BG At 4 308 105 ff 2 184 Ip 1 107 108 GA Ed 4 E T T E 3 1807 3 bi Fa gt S g Yo g 5 160 8 E a 5 4 E p T ee oe T T T 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 4 2698 4 2700 4 2702 4 2704 4 2706 Traversenzahl ny Detektionszeit s Abbildung 2 30 Links Darstellung der in 37 erwarteten Halbwertsbreiten aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung des einfallenden Neutronenpulses Diese Gra phik entspricht Abb 8 22 aus 37 Rechts Form eines fiir 1250 Traver sen gespeicherten Neutronenpulses VESTA I Die Halbwertsbreite von 146 2 us ist mit der von 4 Traversen aus Abb 2 29 vergleichbar 2 5 Speicherung von Mehrfachpulsen D periment noch nicht
97. Instrumenten beschr nken sich die Zeiterfassungsrahmen Frames an VESTA nicht auf den blichen Millisekunden Bereich sondern mussten f r die Neutronenspeicherung auf die Gr enordnung Sekunden erweitert werden Das f r VESTA verwendete System Crate stellt durch seine Adaption auf diese Anforderungen somit ein Unikat dar Aufgabe der von E Jericha entwickelten und gebauten SCE war die Synchronisation des Neutronenspeichers mit der DAE und dadurch mit der Neutronenquelle Sie besteht aus einem Elektronik Rack mit mehreren baugleichen Einsch ben Boards sowie einem Steuerrechner PC Die SCE bernimmt zudem die Steuerung des Ladezyklus der Kon densatorb nke die Ansteuerung der Magnete sowie die Ansteuerung des in 3 3 2 beschrie benen Shutters Zu diesem Zweck m ssen sowohl die SCE und die DAE ihre Bereitschaft zur Datenaufnahme abgleichen Dies geschieht im wesentlichen ber f nf Signalleitungen deren Funktion in der folgenden Tabelle zusammengefasst ist Signal SCE S DAE Kurzbeschreibung RUNNING RUN RUNNING SCE zum Start eines Runs bereit FRAME START FSTART START Start der Datenerfassung DAE Acqu DAS DAE Datenerfassung aktiv zeitlicher Bezugs punkt fiir den aktiven Frame FRAME STOP FSTOP STOP Stopp der Datenerfassung SMP SMP SMP Secondary Master Pulse Synchronisation mit dem an ISIS erzeugten Neutronenpuls Tabelle 3 1 bersicht ber den Signalaustausch zwischen der Datenerfassung Elektronik DAE un
98. Ja Das F hrungsfeld der Helmholtzspule Bur von 9 6 G bewirkt bereits ein Ansteigen der Z hlrate jedoch reicht die Restmagnetisierung des NMR Magneten von etwa 20 G nicht aus um die Depolarisation zwischen F hrungsfeld und Analysator vollst ndig zu verhindern Erst ab einem zentralen Magnetfeld von etwa 200 G folgt die Ausrichtung der Neutronenspins dem u eren Gesamtfeld adiabatisch und die maximale Z hlrate von 400 Neutronen pro Sekunde wird erreicht Wird ein SHIM Pl tchen in den Strahlengang eingebracht sinkt die Z hlrate auf Grund der resultierenden Depolarisation des Strahls um etwa 50 nach dem Analysator Detektiert wurden die Neutronen mittels eines verschiebbaren 1 Zoll Heliumdetektors Reuter amp Stokes der ber einen Vorverst rker an einen Vielkanalanalysator MCSI angeschlossen ist Damit kann die Ankunftszeit der Neutronen in 8192 verschiedene Kan le mit variabler zeitlicher Breite unterteilt werden 5 1 Messungen am Atominstitut Wien _ 151 5 1 3 Erste Resonanzmessungen in Wien Zur Zeit der Messungen in Wien war das Vakuumgef noch nicht fertig gestellt Da vom Konzept her das Vakuumgef jedoch die Abschirmung des Hochfrequenzfeldes bernimmt wurde f r die Tests mit verschiedenen Hilfsabschirmungen experimentiert die jedoch nur teilweise ihren Zweck erf llten Als besonders anf llig gegen ber elektromagnetischen St rungen stellte sich die Messung der Reaktortemperatur heraus Hier f hrt ein nic
99. Mins to top up the Argon cooling cicuit on the Hydrogen moderator 8 AUG 2002 09 13 Users are reminded that the user run ends tonight at 23 30 hrs 6 AUG 2002 21 57 The manifold has been changed and we are in the process of re connecting the water supply The manifold was indeed blocked and we hope to have the beam back on within the next 45 Mins 6 AUG 2002 20 59 We suspect that we have a partialy blocked manifold on SP3 Dipole We are preparing to change the Manifold We will give an update on progress at 22 00 Hrs 6 AUG 2002 20 14 The SP3 Dipole has tripped again on overtemp We are going to have to earth down the synchrotron to check the temperature monitors Further update at 21 15 Hrs 6 AUG 2002 19 50 Beam restored at 19 48 Hrs As well as fitting extra temperature monitoring we have also changed a second Klixon 6 AUG 2002 18 42 We have continuing problems with a temperature interlock on SP3 Dipole We are going to have to fit extra monitoring in order to find the cause of the problem Update on situation at 20 00 Hrs 6 AUG 2002 18 16 Beam back on at 18 07 Hrs 6 AUG 2002 17 58 We have replaced the faulty Klixon and are now in the process of running up the Main AC DC The Beam should be restored within the next 20 Mins 6 AUG 2002 16 48 The problem with the Main Dipole Klixon has returned This means that we are going to have to replace one of the Klixons on SP3 We estimate the beam will be back on by 18 00 Hrs 6 AUG 2002 15
100. Neutronen mit niedriger Energie stark ansteigt ist es nicht zielf hrend die Energie des Deuteriums ber 4 5 MeV D Target bzw 4 0 MeV T Target zu erh hen Forschungsreaktoren Die wohl gebr uchlichste leistungsstarke Neutronenquelle stellt der Forschungsreaktor dar Er basiert auf der neutroneninduzierten Kernspaltung 11 12 bei der ein Neutron durch einen Atomkern eingefangen wird der sich danach in zwei Kerne A1 Aa von ann hernd gleicher Masse aufspaltet Dieser Prozess ist stark exotherm Es werden typischerweise 200 1 1 Erzeugung und Detektion von Neutronen 15 MeV pro Spaltung abgegeben Gleichzeitig entstehen zwei oder mehrere hochenergetische schnelle Neutronen die zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion verwendet werden k nnen So entstehen in der Reaktion n 5 U A A 2 47 n 200 MeV durchschnittlich 2 47 Neutronen pro Spaltung Da der Spaltwirkungsquerschnitt in 2350 nur f r thermische langsame Neutronen gro genug ist um alle Verlustmecha nismen die nicht zu einer Spaltung f hren zu kompensieren m ssen die bei der Spal tung entstandenen Neutronen erst durch Zugabe eines geeigneten Moderators siehe Ab schnitt 1 2 1 auf thermische Energien abgebremst werden Gebr uchliche Moderatoren sind Wasser schweres Wasser D20 oder Graphit Im Fall von normalem Wasser muss die durch die Einfangreaktion H n y H reduzierte Neutronendichte durch Anreicherung des Brennstoffmaterials mit U ausgegli
101. Puls die Spule durchl uft bzw nach DE Traversen und 140 ms in Gegenrichtung auf die einfallenden Neutronen innerhalb der Spule trifft Alle weiteren berlegungen k nnen sich deshalb zuerst auf die ersten 14 ISIS Pulse beschr nken F r die Auswahl der speicherbaren Pulse ist ihr zeitlicher Abstand zu den bereits gespeicherten Neutronenpulse von entscheidender Bedeutung da in diesem Intervall das RF Feld auf bzw abgebaut werden muss Aus Abb 2 27 erkennt man welche nachfolgenden ISIS Pulse sich f r zus tzliches Bef llen des Speichers besonders eignen So befindet sich etwa ein bereits gespeichertes Neutron bei den ISIS Pulsen 60 ms und 80 ms nahe der ersten Kristallplatte und somit au erhalb des Spinflipperbereichs Neben tr ist auch die zeitliche Breite etwa 150 us eines gespeicherten Pulses zu be achten Die Zeitskala kann somit aufgeteilt werden in die Zeit die die ersten Neutronen von Dies entspricht dem Ort und der Zeit der ersten Energie nderung mit der das Neutron in den Total Reflexionsbereich des Kristalls verschoben wurde 60 A Physikalische Grundlagen 532 l 400 T g l E 200 L o 5 Q an n A g 50 100 Ten 200 250 Se Zeit ms 8 lt l t 400 e 532 Abbildung 2 27 Position und Richtung eines Neutrons welches sich bei 0 ms in der Spei chermitte befunden hat zum Zeitpunkt weiterer eintreffender ISIS Pul se 50 Hz Betrieb Der Funktionswert gibt die Position des Neutron
102. Reflexion an Neutronenleitern wird in Kapitel 2 n her beschrieben Zur Theorie der Neutronenoptik empfiehlt sich unter anderem 16 1 3 1 Neutronenleiter Die in Abschnitt 2 1 2 beschriebe Totalreflexion unter kleinen Winkeln wird zum Bau von Neutronenleitern guide tubes ausgen tzt Kalte und thermische Neutronen lassen sich mit diesen F hrungseinrichtungen ann hernd verlustfrei ber betr chtliche Distanzen transportieren Da der Grenzwinkel der Totalreflexion Wellenl ngen abh ngig ist werden oft gekr mmte Bauformen verwendet um schnelle Neutronen und y Strahlung vom Ex periment fernzuhalten Speziell geformte fokussierende Spiegel k nnen die Neutronenin tensit t an der Probenposition erheblich steigern Jedoch f hrt dies zu einer Erh hung 22s Einleitung der Divergenz des Strahls Neutronenleiter bestehen in der Regel aus hochglanzpolierten Glasplatten die mit einer d nnen Schicht 1000 A eines Materials mit gro er Kern streul nge etwa Nickel berzogen und zu Leiterteilen mit rechteckigem Querschnitt zu sammengef gt sind F r diese Spiegel liegt das Verh ltnis von Auftreffwinkel zu kritischer thermal neutrons Super SL spiegel z tte e e 5 IN N ZS i 3 I Es U ZG Totalrefl Vielschicht f Spiegel monochromator i fast neutrons y rays Zw N N krit Drage KE a Abbildung 1 4 Prinzip des Transports von Neutronen mittels Leiter links Schemati scher Verlauf der Reflektivitat
103. S Damage to the Hydrogen Moderator system is significant It is likely that repairs will take a minimum of one week to complete 238 21 JUL 2002 21 JUL 2002 21 JUL 2002 20 JUL 2002 20 JUL 2002 20 JUL 2002 20 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 19 JUL 2002 18 JUL 2002 18 JUL 2002 18 JUL 2002 18 JUL 2002 14 10 01 23 17 16 16 15 12 49 11 11 09 08 07 05 03 01 23 22 18 17 17 25 25 27 14 39 04 50 12 12 40 44 04 37 19 23 27 53 32 02 The problem with the Hydrogen Moderator is not trivial Further investigations are continuing The Beam will be OFF until scheduling desicions are made at 12 00hrs tomorrow 22 July Work is progressing on finding a solution to the problem with the Hydrogen moderator Experts are in attendance Further update at 14 00hrs After repairing the H2 control system we are unable to cool down due to a leak The system will be warmed up overnight for repair tomorrow No beam expected before midday Update in morning We have a problem with hydrogen moderator control system One expert is on site and another is on his way in The beam will go off midnight for an unknown period Update 01 00 Beam on at 17 11 The beam will go off for 20 minutes at 17 00 to rectify a
104. STRUMENT IRIS USER mt wsh RUN NUMBER 23306 RUN START TIME 5 DEC 2001 13 48 08 SPECTRUM 1 PLOT DATE Thu 6 DEC 2001 05 34 40 x10 3 TITLE pg002_ offset during vesta installation wH2zadaqon ki asponmunokr anes 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 TIME microseconds x10 Abbildung 3 24 Einfluss des Monochromatorkristalls auf den Incident Beam Monitor von IRIS Es kommt zu einer verminderten Z hlrate bei 57 1 ms im ansonsten glatten Verlauf der TOF Messung w hrend des Betriebs von VESTA Deutlich ist die verminderte Z hlrate bei 57 1 ms im ansonst glatten Verlauf der TOF Messung zu sehen Obwohl an IRIS eine Normierung auf den Beam Monitor erfolgt l sst sich ein Effekt bei der Datenauswertung der Streu daten beobachten Eine Flanke des gestreuten Neutronenpulses weist bei eingebrachtem Monochromator eine kleine Schulter auf Der Grund f r diesen Effekt k nnte einerseits in der Normierungsroutine der Datenauswertung liegen andererseits in der Tatsache dass nur eine H lfte des IRIS Beams bedeckt wird und somit die durch die Kr mmung des Neutronenleiters bereits vorhandene Asymmetrie des einfallenden Neutronenstrahls noch verst rkt wird Inwieweit dieser Effekt die Messungen an IRIS wirklich beeinflusst ist nach wie vor Gegenstand von Diskussionen Da die Position des Monochromators w hrend ei ner IRIS Messung nicht ver ndert wird sollte es eine deutliche Anzahl von Experimenten geben auf die dieser Effekt k
105. T T T T 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 Rotationswinkel Grad Abbildung 5 9 Justierung der Superspiegel Die Z hlrate als Funktion des Rotationswin kels Der Wert 0 bezieht sich auf die Anfangsposition bei der Messung 5 2 2 Flugzeit Messungen Wie in den Abschnitten 3 3 und 4 7 1 beschrieben verwendet VESTA die an ISIS bliche Datenerfassungselektronik Die detektierten Neutronen werden gem der Time Of Flight TOF Methode entsprechend ihrer Ankunftszeit in verschiedene Zeitkan le gez hlt Die Breite dieser Kan le ist softwarem ig einstellbar und betr gt blicherweise 10 us in der untersuchten Region Der Nullpunkt der Zeitachse entspricht dem Entstehungszeitpunkt der freien Neutronen im Spallationstarget die Detektionszeit ist durch ihre kinetischen Energie nach dem Moderator und die Flugstrecke bis zu den Detektoren bestimmt Die Flugstrecke der Neutronen vom Moderator bis zum Graphit Monochromator entlang der IRIS Beamline ist in Abschnitt 3 1 2 beschrieben die weitere Flugstrecke ist in Abb 5 10 dargestellt P lt a KA 534 mm 534 mm 815 mm oo a gt gt 143 584 144 j gt 347 190 584 4 fe a e z bh gt 1405 mm 1349 mm T80 Abbildung 5 10 Flugstrecken der Neutronen im Aufbau f r polarisierte Neutronen Von rechts nach links Graphit Monoc
106. Targets aufgrund hoher Strahlung Besonders erw hnt sei hier die derzeit leistungsst rkste gepulste Spallationsquelle ISIS http www isis rl ac uk am Rutherford Appleton Laboratory RAL welche in Ab schnitt 3 1 1 n her beschrieben wird sowie die geplante sterreichische Neutronenquelle AUSTRON 13 deren Realisierung einen wichtigen Schritt f r die Neutronenforschung in Europa darstellten w rde Detektion von Neutronen Da Neutronen elektrisch neutral sind und sich somit nicht zur direkten Ionisierung eig nen stehen im Wesentlichen zwei M glichkeiten f r ihre Detektion zur Verf gung Zum einen k nnen nach einer Streuung energiereicher Neutronen die R cksto Kerne f r die Detektion verwendet werden zum anderen k nnen die Produkte von Kernreaktionen nach gewiesen werden Da bei einer Neutronenenergie von Ep lt 0 1 keV die bertragene Energie an die Sto partner nicht ausreicht um diese mit herk mmlichen Z hlern zu registrieren eignet sich nur die letztere M glichkeit zum Bau von Detektoren f r langsame Neutronen Im Bereich En lt 0 5 eV existieren drei exotherme Einfangprozesse mit gen gend hohem Wirkungsquerschnitt welche geladene Teilchen freisetzen He n He p 0 76 MeV 6Li n He a 4 78 MeV Bee As Ee MeV 6 ay Li a 2 31 MeV 94 Die Wirkungsquerschnitte dieser Reaktionen im thermischen Bereich 0 025 eV lie gen bei 5327 b 941 b und 3838 b Li entspricht hierbei dem ersten angeregten
107. Unterseite des Vakuum gef es durch je vier Schrauben 2 Position des Speicherkristalls 3 bez glich der Speicherplatten eingezeichnet F r die hintere Platte existiert auch eine Erweiterungsplatte zum Anbringen eines Analysators vergleiche Abb 5 7 4 7 Detektoren und Datenerfassung Das an VESTA II verwendete Detektionsystem besteht derzeit aus vier Z hlrohren Ein Low Efficiency Scintillator der uns von der ISIS Detector Group zur Verf gung gestellt wurde befindet sich direkt nach dem Aluminiumfenster der Monochromatorbox Er er setzt das fr her verwendete Low Preassure He Z hlrohr und wurde zentral in dem vom Graphitkristall reflektierten Strahl montiert ber das Integral der einfallenden Neutronen er ffnet er eine Normierungsm glichkeit bez glich der Neutronenquelle Drei weitere mit 4 Bar He gef llte 1 Zoll Z hlrohre sind zum VESTA Detektor zusammengefasst und be finden sich nahe dem Auslassfenster des Vakuumgef es Sie dienen zum Registrieren der Neutronen nach ihrem Entlassen aus dem Speicher Die Z hlrohre sind dreieckf rmig inner halb einer Borcarbid Paraffin Abschirmung angeordnet Diese Abschirmung ist mit einer IRIS Beam Vesta2 Vestal Vesta3 Ca Abbildung 4 41 Das VESTA Detektionsystem Incoming Beam Monitor 1 sowie der aus drei Z hlrohren bestehende Hauptdetektor 2 4 7 Detektoren und Datenerfassung LA Innenverkleidung aus Cadmium versehen und besitzt ein Detektionsfenster vo
108. VESTA H 4 4 Das Vakuumgef Streuung und Absorption von Neutronen an Gasmolektilen der Luft bedingen dass Expe rimente mit langen Flugstrecken wie der Neutronenspeicher eines darstellt in Vakuum betrieben werden miissen Durch die im folgenden Abschnitt beschriebenen Anforderungen stellte die Konstruktion des Vakuumgef es eine besondere Herausforderung dar sowohl in der Form als auch in der Wahl des Materials Mein Dank gilt hier Herrn Andreas Lichtblau von der Firma Lindeberg Ges mbH Forschungszentrum Seibersdorf f r die ra sche Anfertigung der Box sowie an Herrn Prof Josef Zeman vom Institut f r Apparate und Anlagenbau der TU Wien der meine Konstruktionspl ne auf ihre Umsetzbarkeit berpr fte 4 4 1 Anforderungen F r die Form des Gef es ergeben sich durch die neutronen optischen Komponenten und die Kenndaten des verwendeten Magneten enge Randbedingungen Die minimalen Innen ma e des Vakuumgef es werden durch den Siliziumkristall und den Neutronenleiter sowie die n tigen Justiereinrichtungen vorgegeben Die maximalen u eren Ma e werden durch das Magnetjoch beim Einsetzen des Vakuumgef es und im Bereich des homogen Feldes durch den maximal verwendbaren Polschuh Abstand f r die Erreichung des gew nschten Magnetfeldes von 140 1 T bestimmt siehe Abb 4 6 Im Bereich der Polkerne wurde zu dem Flexibilit t in Form und Material angestrebt um eine Adaption der Anlage etwa zum Bau eines Gradientenflipper
109. Ziel dieser Aufr stung ist derzeit nicht die Neutronenintensit t an ISIS direkt zu erh hen sondern zus tzliche Leistungsreserven f r die in Planung befindliche Second Target Station anzulegen Eine Erh hung der Neutronenzahl an der bereits bestehen den Target Station ist aufgrund der f r 200 uA dimensionierten Strahlungsabschirmung des Target und der einzelnen Beamlines derzeit nicht vorgesehen 70 Statt dessen wird 3 1 Die gastgebende Forschungseinrichtung NT MARI DEVA ECMUON FACILITY PEARL Wen de 29 EMU E ET E i eer EE neo K A K SANDALS 5 HET ROTAX Ki 1 SURF ARGUS Abbildung 3 3 Die Experimenthalle von ISIS mit der Protonenbeamline der Targetsta tion sowie den radial angeordneten Neutronenstrahlrohren Die Farben der Experimente geben hierbei den verwendeten Moderator an Gelb ent spricht dem 25 K Ha Moderator Blau dem 100 K CH4 Moderator und Rot dem 316 K H20 Moderator Neben Neutronen werden auch Myonen Intermediate Target 7 und Neutrinos 8 untersucht geplant jeden f nften Protonenpuls auf das zweite Target zu lenken Somit entsteht ei ne zweite Neutronenquelle mit einer Arbeitsfrequenz von 10 Hz Die Verluste am ersten Target werden durch den h heren Protonenstrom ausgeglichen Auf der Instrumentenseite wurden in letzter Zeit grundlegende Verbesserungen vorge nommen Unter
110. Zu beachten ist jedoch dass nur dessen halbe Amplitude effektiv wirksam ist 1 Bosz E 5 Prot 2 31 Die Resonanzbedingungen des RF Flippers F r den hier diskutierten Resonanzflipper l sst sich Gleichung 2 29 weiter umformen Die Zeit T kann durch diejenige Zeit ersetzt werden die das Neutron f r das Durchqueren der RF Spule ben tigt Sie ist durch die effektive L nge der Spule l und die Geschwindigkeit des Neutrons vn bestimmt l v 53 Unter Verwendung von 2 31 sowie der De Broglie Wellenl nge A h m vn ergibt sich die Flip Wahrscheinlichkeit zu 2 2 Neutronen in Magnetfeldern _ 47 sin ABl Ke eg Wrtip A l Bo Bre w 2 32 Wie aus 2 32 ersichtlich wird eine vollst ndige Invertierung der Neutronenspins W ze erreicht wenn zwei voneinander unabh ngige Bedingungen f r Frequenz und Amplitude des RF Feldes erf llt werden Die so genannte Frequenzbedingung w 27 f ergibt sich zu 2 33 ln 2un B hw WRes Res Bo je 0 2unBo h und f hrt dazu dass sich der Ausdruck in der Wurzel und im Z hler auf 1 reduziert Weiters muss die so genannte Amplitudenbedingung erf llt sein Uu Du l T TVn h SG CUO Bes N U a 2 34 2h Un 2 Hn l 2unlAmn 12 32 Bei kurzen Spulen ndert sich das Hochfrequenz Magnetfeld stark entlang der Achse sodass die effektive L nge einer solchen Spule oft nicht eindeutig definiert ist Betrach ten wir hierzu das Wegintegral
111. Zustand Da der Q Faktor dieser exothermen Reaktionen im Bereich von MeV liegt ist die Energie der Reaktionsprodukte praktisch unabh ngig von der Energie der einfallenden Neutronen Eine energieaufgel ste Messung der Neutronen basiert deswegen meistens auf der Flugzeit Methode in der die Geschwindigkeit eines Neutrons ber den zuriickgelegten Weg und die verstrichene Zeit bestimmt wird Ein weiteres Merkmal dieser Reaktionen ist dass sich der Wirkungsquerschnitt ber weite Bereiche indirekt proportional zur Geschwindig keit der Neutronen verh lt siehe Abb 1 1 Solche Detektoren werden deshalb auch als 1 Z hler bezeichnet Zum Bau von Gas Proportionalit tsz hlers eignet sich hierbei beson ders He sowie BF3 Bei geeigneter effektiver Dicke und F lldruck des Z hlrohres wird wie in Abb 4 42 dargestellt eine sehr hohe Effizienz nahe 100 erreicht Li findet seinen Einsatz oft in Szintillatoren welche sich besonders f r ortsaufl sende Messungen posi tion sensitive detection oder als low efficiency Monitore eignen Ihr Nachteil liegt in der 31 barn 1 10774 cm In Szintillatormaterialien f hrt der Energieverlust durchtretender Teilchen zu einer Anregung die nach kurzer Zeit ber Abgabe von Licht wieder in ihren Grundzustand zur ckkehrt 1 1 Erzeugung und Detektion von Neutronen _ 17 x X Heino D oO 2 lt gt Sin alpha x NM 198 n alpha ze 8 x 5 ER A S H x H e 1x 1077 x 107
112. a 20 ms 2 2 bis 4s Abbildung 5 25 Zeitlicher Ablauf eines Frames Der Ladezyklus entf llt bei der neuen Anlage und Daten bertragung innerhalb der DAE ben tigt bevor die Datenerfassung mit dem n chsten SMP Signal wieder starten kann Daraus ergibt sich die derzeitige Wiederholfre quenz f r Speicherexperimente zu Frames 50 Sekunde 4 cla Geer wobei die Speicherzeit t in ms einzusetzen ist und c x die n chstgr ere ganze Zahl be schreibt Vergleichen wir dieses experimentell best gtigte Ergebnis mit der bisherigen Strahlausn zung Nach dem oben beschriebenen Ablauf folgte bei VESTA I ein Ladezy klus der Kondensatorb nke welcher abh ngig vom aktuellen Ladestand von 2 2 Sekunden 15Zu beachte ist hierbei dass die Dauer der Frames durch die Wahl der Zeiten im Vesta Kontrollpro gramm VCP nicht unn tig verl ngert wird 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS 171 bei kurzen Speicherzeiten 13 ms bis etwa 4 Sekunden bei langen Speicherzeiten 4200 ms ansteigt In Abb 5 26 ist die erreichte Wiederholfrequenz f r beide Versionen des Neutro 10 VESTA H g 8 E Si B 6 a a Q E 4 D 2 H VESTA I 100 200 300 400 500 Speicherzeit ms Abbildung 5 26 M gliche Wiederholfrequenz der Speicherversuche Frames pro Sekunde bei Einfach Puls Speicherung f r den alten und neuen Aufbau bei 50 Hz Betrieb von ISIS nenspeichers aufgetragen W hrend bei 10 Traversen nun 8 3 Fra
113. a a a 1 4 1 Speicherung mit Perfektkristallen e 1 4 2 Artverwandte Experimente e Physikalische Grundlagen 2 1 Der Perfektkristallspeicher oaoa aaa Reflexion an einem Perfektkristall 0 0 000 Reflexion an einem Neutronenleiter 004 Das zusammengesetzte System Neutronen in Magnetfeldern Rein r umlich oder rein zeitlich ver nderliche Magnetfelder Einfluss von statischen Magnetfeldern auf die Reflektivita t Der Radio Frequenz Spinflipper 2 2 2 2 2 nn nn Experimentelle Best tigungen Konzept eines magnetisch geschaltenen Speichers Begriffserkl rung Diskussion des Spinflippers 2 2 2 CC En nn nn Speicherung von Mehrfachpulsen e 3 1 Die gastgebende Forschungseinrichtung 2 2 2 2 2m en Die Neutronenquelle ISIS 2 2 2 Eon nn nn IRIS 2 002 Sera Gl AY gis ae a es ee de ek ee Der Prototyp Suda A ae eae Hen Ren on mAs Bas Fee Ely od BSE Ein Speicher Namens VESTA e 2 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 4 2 3 2 3 1 2 4 2 9 3 VESTA 3 1 1 3 1 2 3 2 3 3 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 3 4 3 3 9 Einfluss der Justierung der Anlage Einbau eines Hochgeschwindigkeits Shutters 2 22 2 2 Gleichzeitige Speicherung mehrerer Neutronenpulse Einfluss von Vibrationen auf die Neutronenspeicherung Limitierungen der Anlage Richtlinien f r eine Neukonstruktion 7 11 13 18 19 20 21 22 24 24 27
114. agert wird und die Linearmotoren an seinem anderen Ende ansetzen Zur Montage des Neutronenleiters Betrachten wir eine m gliche bertragung von Spannungen auf den Neutronenleiter durch die angreifenden Linearmotoren am Beispiel einer Rotation in der y z Ebene um den Dreh punkt am vorderen Ende des Leiters Wird wie in Abb 4 34 skizziert der Neutronenleiter um einen Winkel y gedreht ndern sich der Abstand zwischen den Angriffspunkten von Ay auf Ay Gleichzeitig bewegen sich die Angriffspunkte um Ac bzw 6z2 entlang der Abbildung 4 34 Bewegung der Angriffspunkte der Neutronenleiterhalterung bei einer Ro tation um einen Drehpunkt am vorderen Ende des Leiters L ngsachse des Neutronenleiters Bei einer Linearverschiebung AM der Motoren ndert sich der Radius r der Drehbewegung gem AM 1 Ar r Ar r ae r 1 sin yp cos Y wobei der Drehwinkel durch AM AM y arctan x r gegeben ist Bei einem Radius von 860 mm und AM 12 5 mm ergibt sich somit der maximale Winkel Ymar zu 14 5 mrad 0 833 F r die Bewegung der Angriffspunkte 62 2 entlang des Neutronenleiters folgt weiters A A z Ar tan 622 Ar tan y a 138 _ d VESTA IT wobei sich der Abstand zwischen den Angriffspunkten von Ay auf Ay ndert 1 y Ay din An 1 cos p In dem betrachteten Bereich bewegen sich die Angriffspunkte z1 2 in entgegengesetzte Richtungen bez glich der L
115. ahrscheinlichkeit F r diese Versuche ist der Einbau des Speicherkri stalls nicht unbedingt notwendig Befindet sich der Silizium Perfektkristall allerdings im Strahlengang kommt es auch bei kontinuierlich betriebenem Spin Flipper zur Neutronen speicherung Neutronenspeicherung mit kontinuierlich betriebenem Spin Flipper Passiert ein Neutronenpuls den Spin Flipper wird gem der eingestellten Wahrscheinlich keit im demonstrierten Versuch 40 ein Teil der Spins invertiert und somit die Energie dieser Neutronen in den speicherbaren Bereich verschoben Nach der Reflexion am ersten Kristallspiegel durchqueren die Neutronen neuerlich den Flipper wobei diesmal die Spi ninvertierung unerw nscht ist Erst nach Reflexion an der zweiten Spiegelplatte soll wie derum eine Energie nderung erfolgen Dies f hrt zu der Tatsache dass nur etwa 10 der speicherbaren Neutronen nach einer kompletten Traverse den Detektor erreichen Diese Spin Si Spiegel Flipper Si Spiegel gt 10 Abbildung 5 15 Prinzip des Speicherns mit kontinuierlich betriebenem Spin Flipper Bei einer Flip Wahrscheinlichkeit von 40 erreichen etwa 10 der speicher baren Neutronen den Detektor nach der ersten Traverse Betriebsart stellt keine aktive Speicherung von Neutronen dar bei der das Bef llen und Entleeren des Speichers kontrolliert wird sondern eine passive Neutronenspeiche rung Vergleichbar ist dies mit einem System halbdurchl ssig
116. als sekund re Beamline an der gepulsten Neutronen und Myonen Quelle ISIS UK zur ck Neben einer Beschreibung der Quelle und des gastgebenden Instruments IRIS m chte die ses Kapitel einen berblick ber die wichtigsten Entwicklungen dieses Projekts geben Die Charakterisierung und Optimierung der urspr nglichen Anlage stellt den ersten Teil dieser Dissertation dar Beginnend mit dem nun als Prototyp bezeichneten ersten Neutronenspeicher 35 f hrt der Weg ber den ersten permanent installierten Aufbau 63 bis zu der in Kapitel 4 vorgestellten Neukonstruktion der Anlage Eine umfangreiche Zusammenfassung der Ent wicklung bis 1996 sowie eine ausf hrliche theoretische Abhandlung des ersten permanenten Aufbaues findet sich in 37 An diese Arbeit anschlie end m chte ich die Entwicklung des Speichers in den darauf folgenden Jahren seines Einsatzes bis 1999 aufzeigen Dieser Teil beinhaltet sowohl die an dieser Anlage durchgef hrten weiteren Diplomarbeiten als auch die im Rahmen des EU TMR Projekts PECNO gewonnenen Erkenntnisse Da die in dieser Arbeit vorgestellte Neukonstruktion insbesonders bei den neutronen optischen Komponenten auf dem ersten Neutronenspeicher aufbaut k nnen die in die sem Abschnitt diskutierten Einfl sse verschiedener Effekte meist f r den neuen Speicher bernommen werden Abschlie en m chte ich dieses Kapitel mit einer Diskussion der Gren zen des ersten Speichersystems die neben den Erfolgen als Motiva
117. an 4 2 2 Steuerung des Magnetfeldes Die Steuerung des Magneten erfolgt mittels der Remote Control Unit RCU der Stom versorgung im Inneren der Messkabine in Kombination mit dem Gaussmeter BH15 Das BH15 kann sowohl als reines Messger t als auch als Steuerger t betrieben werden Im Mess Modus Modus 5 des BH15 wird das aktuell herrschende Magnetfeld angezeigt wel ches sich durch den an der RCU eingestellten Strom in Prozent der maximalen Stomst rke Imaz 60 A ergibt Die Messung erfolgt hierbei ber eine Hall Sonde die an der Innen seite des in Flugrichtung der Neutronen linken Magnetfelddeckels des Vakuumgef es angebracht wurde vergleiche Abb 4 23 und sich somit im homogenen Bereich des Ma gnetfeldes jedoch au erhalb des Vakuumgef es befindet Das BH15 ist zus tzlich mittels Diese Warnlampe ist mit dem Hauptschalter der Steuereinheit des Magneten gekoppelt und zeigt somit bereits die Bereitschaft an den Magneten mittels Dr ckens des Power ON Schalters einzuschalten 3Zu beachten ist dass der Strom am Ger t jedoch in Ampere angezeigt wird 110 AL VESTA H einer analogen Signalleitung mit der RCU verbunden und kann sobald es sich in einem seiner Sweep Moden z B Modus 0 befindet die Steuerung des Magneten bernehmen In diesen Sweep Moden kann das gew nschte Magnetfeld direkt in Gauss eingegeben wer den die Stromst rke wird ber das analoge Signal an die gew nschte St rke angepasst Ei
118. andsmessungen k nnen ber die gew hlte Speicherzeit realisiert werden ohne Umbauarbeiten zu bedingen SPIN ROTATOR z POLARISATION FILTER z DETECTOR GIO BG EEE a Abbildung 6 3 Anordnung zur aufeinander folgenden Spinrotation und Messung mit Gleichstromflipper links berlebenswahrscheinlichkeit im f Zustand bei Spinflipp und ZENO Situation Aus 99 Erst k rzlich wurde die Machbarkeit einer solchen Messung untersucht 100 Im Ge gensatz zu einem idealen Gedanken Experiment treten in einer reellen Messung auch Effekte auf die eine Messung behindern Abb 6 4 zeigt die Auswirkungen des rea len Reflexionsverhaltens eines Kristallspiegels F r unterschiedliche Transmissionswahr scheinlichkeiten der 1 Komponente ergeben sich unterschiedliche Wahrscheinlichkeit ein Neutron nach N Spiegeln zu detektieren W hrend f r ideale Spiegel eine m glichst hohe Anzahl von iterativen Messungen anzustreben ist ergibt sich f r nicht ideale Spiegel eine ideale Anzahl von Messungen um einen QZE zu detektieren 1 10 100 1000 1 z N a b Abbildung 6 4 Wahrscheinlichkeit ein Neutron nach N nicht idealen Spiegeln du detek tieren in Abh ngigkeit der Komponente der Transmissionswahrschein lichkeit Ubernommen aus 100 Im Fall von VESTA ergeben sich bei einer Reflektivit t R 1 T 0 9999 eine ideal Anzahl von 157 Reflexionen Dieser Wert liegt mehr als eine Gr enordnu
119. arer N he siehe Abb 3 3 des Neutronenspei chers befindet ist bei den Entwicklungen an VESTA besonders auf Abschirmung elektri scher und magnetischer Felder zu achten 3 2 Der Prototyp Wie bereits in der Einleitung erw hnt wurde der erste Neutronenspeicher im folgenden als Prototyp bezeichnet im Rahmen einer Dissertation von M Schuster entwickelt und an ISIS installiert Das Prinzip beruhte auf dem in Abschnitt 2 2 2 beschrieben Einfluss von statischen Magnetfeldern auf die Reflektivit t einer Perfektkristallplatte und der Tatsa che des ein System von mehreren derart magnetisch geschalteten Perfekt Einkristallen als Speicher f r monoenergetische Neutronen verwendet werden kann 34 51 3 2 Der Prototyp 7H NEUTRON GUIDE PERFECT CRYSTAL VACUUM VESSEL RER PULSED MAGNETS Abbildung 3 7 Die Originalgraphik aus 47 zeigt das Speichersystem mit seinen Grund komponenten dem Speicherperfektkristall und dem Neutronenleiter so wie den beiden gepulsten Magneten Kernstiick der Anlage Abb 3 7 ist der nach wie vor verwendete ein Meter lange Silizium Perfektkristall welcher in Abschnitt 4 1 1 n her beschrieben wird Zwischen den Endplatten dieses Speicherkristalls im weiteren auch als Kristall Spiegel bezeichnet wurde ein Neutronenleiter mit einer L nge von 1000 mm und einem Innenquerschnitt von 26x40 mm eingesetzt der in seinem Zentrum drehbar gelagert war Die Jus
120. as Projekt von E Jericha weiterentwickelt und erhielt sei nen heutigen Namen Im Laufe der n chsten Jahre wurde der Speicher kontinuierlich verbessert Dies f hrte zu einer weiteren Dissertation 37 sowie zu drei Diplomarbeiten 38 39 40 Projektarbeiten und mehreren Anstellungen innerhalb eines EU Forschungs projekts 1998 wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Neukonstruktion begonnen die Ende 2001 an ISIS installiert wurde Auf Grund von Problemen mit der Spallationsquel le sollte es aber noch ein 3 4 Jahr dauern bis VESTA II im Herbst 2002 seinen Betrieb aufnehmen konnte Das Prinzip dieses Speichers wird in Kapitel 2 ausf hrlich behandelt Kapitel 3 widmet sich den Entwicklungen an diesem Projekt 1 4 2 Artverwandte Experimente Durch die Art und Weise der Speicherung von kalten und thermischen Neutronen sowie den erzielten Resultaten stellt der Wiener Neutronenspeicher ein Unikat dar Jedoch gibt es eine Reihe von artverwandten Experimenten aus denen ich zwei vorstellen m chte die selbst in ihrem Inhalt einen Bezug zu VESTA herstellen Weiters wird ein Speicher f r X Rays pr sentiert der auf einem Si Perfektkristall Resonator basiert und einen Speicher nach Abb 1 10 b darstellt 1 4 Speicherung von freien Neutronen _ gt W Mehrfachreflexionen in einem Nutenkristall Eine ber die Anzahl der verwendeten Reflexionen verwandte Messung stellt die Vermes sung von Mehrfachreflexionen in einem Nutenkristall durch Dom
121. beck et al 41 dar Ziel der Arbeit war eine Bestimmung der Reflektivit t von Silizium als vorbereitende Messung f r ein Experiment zur Bestimmung eines etwaigen elektrischen Dipolmoments von Neu tronen In einem speziell geschnittenen Nutenkristall siehe Abb 1 11 werden Neutronen zwischen den einzelnen Lamellen des Kristalls reflektiert Ein Silizium Perfektkristall 50x38x94 mm wurden mit 19 Schlitzen versehen und an schlie end ge tzt Die Orientierung erfolgte hierbei entlang der 440 Ebenen des Kristalls In dem oberen Teil des Kristalls wurde die L nge der durch die Schlitze entstandenen Plat ten auf durchschnittlich 12 4 mm reduziert w hrend der untere Teil der Platten eine L nge von 48 9 aufweist Diese Form des Kristalls erm glicht es bei einem Strahlquerschnitt von Neutrons from reactor Double crystal monochromator Y 1 Cu 220 Cu 220 verticaly focusing Cd sit S SSES Y A 19167A Cd aperture 4mmx4mm e coea p CS ih ote A along 440 Dimensionen 50x 38 x 94 mm b h Reflexionen 325 1300 86 89 Wellenl nge 1 92 A ER 20 mm W Abbildung 1 11 Fotografie des Nutenkristalls von der Austrittsseite gesehen sowie das Schema des Versuchsaufbau aus 41 4x4 mm durch Heben und Senken des Rotationstisches die Anzahl der Reflexionen bei fixem Rotationswinkel zwischen zwei Werten zu ver ndern Durch eine Schr ge von 2 an der Austrittsseite wird gew hrleistet da
122. bnisse ihrer Ausrichtung zueinander abh ngt nicht jedoch von der Art des Befiillmechanismus sollten sich die in Abschnitt 3 3 1 wiedergegebenen Erkenntnisse direkt auf die neue Anlage bertragen lassen Da durch die Position des Polarisators der in Abschnitt 3 3 2 beschrie bene Hochgeschwindigkeits Shutter demontiert werden musste wurden die Speicherzeiten zudem wieder dem Zeitpunkt geringen Untergrunds angepasst Somit fiel die Wahl auf die in der folgenden Tabelle zusammengefassten Speicherzeiten und Traversenzahlen Speicherung polarisierter Neutronen Run Traversen Speicherzeit Neutronen Puls 1641 4 13 493 ms 0 0502 1642 10 33 733 ms 0 0399 1643 16 53 973 ms 0 0297 Erwartungsgem ergibt sich eine um den Faktor 10 reduzierte Anzahl der gespeicher ten Neutronen pro Puls gegen ber fr heren Messungen So lag diese Zahl bei VESTA I bei etwa 0 7 Neutronen Puls bei 4 Traversen Betrachtet man allerdings die gespeicher ten Neutronen in absoluten Zahlen f llt auf dass sich hnliche Z hlraten Counts pro 10 us wie in fr heren Experimenten ergeben Durch eine verbesserte Strahlnutzung war es m glich bei gleicher oder k rzerer Messzeit siehe auch Abb 5 26 eine Erh hung der An zahl der Frames von 1000 auf 10000 zu erreichten wodurch sich die vergleichbare Statistik ergibt Dies wird im n chsten Abschnitt n her diskutiert 5 2 8 Speicherergebnisse mit unpolarisierten Neutronen Nach dem erfolgreichen Speichertest mit pola
123. c pumping down Expect vacuum to be at a level to turn RF power supplies on and therefore beam to target by approx 08 00hrs 31st The dipole is being changed today and it is expected to be able to run at base rate to target overnight Rep rate will be increased in the morning with 50Hz by midday 29 JUL 2002 29 JUL 2002 29 JUL 2002 29 JUL 2002 28 JUL 2002 28 JUL 2002 27 JUL 2002 26 JUL 2002 26 JUL 2002 24 JUL 2002 24 JUL 2002 22 JUL 2002 22 JUL 2002 21 JUL 2002 14 11 08 04 17 16 15 13 13 12 12 17 17 15 22 07 58 17 27 12 16 44 43 45 40 38 35 08 237 There will be no Beam today or tomorrow A water leak has been found on a Synchrotron Dipole magnet The dipole will have to be changed An update on Beam availability will be given tomorrow 11 00 Engineers are still trying to find the problem with the main magnet power supply A new Ion source has been installed and is up and running Target H2 cooling repaired Update at 14 00 We have three problems withh the machine H2 moderator Main magnet P S and Ion Source Cosequently the re start of the User run will be delayed Further update 11 00hrs We have a problem with the main magnet power supply which we are unable to resolve There will no more beam until the experts arrive in the morning ISIS is currently running at 165uA the Hall 3 display is readi
124. ch berechnet Kenndaten der Resonanzspule Material Silber Kupfer Durchmesser 1 5 mm Windungen 14 Induktivit t 5 5 uH L nge 97 mm Breite 44 5 mm H he 55 mm Kaltwiderstand 0 03 Q Magnetfeld einer Rechteckspule Gegeben sei die in Abb 4 14 dargestellte rechteckige Spule der H he h Breite t und L nge 1 deren Symmetriezentrum im Koordinatenursprungs liegt Weiters sei die Windungszahl dichte durch N der Oberfl chenstrom durch J repr sentiert F r das statische Magnetfeld B Bz By Bz an einem beliebigen Punkt u v w ergibt sich nach Wegintegration siehe 90 Anhang A 2 entlang der Rechteckspule 1 _ MoNI ktmtn Bz Ar 1 k m n 0 In I m 2w 4 t 1 2u h 1 2v I 1 22 4 3 Das Hochfrequenzfeld Sid 1 NI By a gt ae k m n 0 In GL 2u 4 t 1 F2u 2 h 1 m2v 2 1 er 1 1 P NI t 1 2 B Ho J arctan G AT A h 1 2v k p 0 4 2 l 1 2w t 1 2u h 1 2u 1 1 2w B G wi 10 5 10 Abbildung 4 15 Das Magnetfeld B der verwendeten rechteckigen Spule entlang der z Achse Die Enden der Spule liegen bei 5 cm Die nach Gleichung 4 2 berechnete theoretische Kurve besitzt keinen freien Fitparamter und stimmt mit den Messwerten Punkte gut berein Bei der verwendeten Spule mit relativ wenigen Windungen und einer hohen Steigung scheint der An
125. ch den Vergleich des Anfangs und Endzustandes der Strahlpolarisation kann man R ckschl sse auf die magnetische Bereichsstruktur der Probe mittlere Dom nengr e Anisotropie etc treffen Eine ausf hrliche Beschreibung des Aufbaus der Anlage sowie Messungen zur Depolarisation finden sich in 96 Die An lage wurde am tangentialen Strahlrohr D aufgebaut welches an das radiale Strahlrohr A anschlie t Da dieses Strahlrohr nicht direkt auf den Reaktorkern blickt k nnen nur Neutronen die bereits einen ablenkenden und dadurch moderierenden Sto hinter sich haben eindringen Direkt au erhalb der Reaktorummantelung befindet sich eine massive Messingplatte mit ber Schrittmotoren justierbaren Drehtellern Auf diesen sind zwei Mo nochromatoren aus pyrolitischem Graphit 2 d 6 704 A mit Mosaikbreiten von 0 52 bzw 0 66 montiert Durch die Ablenkwinkel von 2 dr 28 5 bzw 2 Jp 34 7 ergeben sich die Wellenl ngen der beiden reflektierten Stahlen zu A 1 65 A Strahl 1 sowie 1 99 Strahl 2 Dieser Teil der Anlage ist mit einer massiven Abschirmung aus Schwer beton Borkarbid und boriertem Kunststoff Boral umgeben Noch in dieser Abschirmung eingelassen befinden sich zwei Superspiegel als Polarisatoren Diese bestehen im Inneren aus neun vertikal stehenden Glastr gern mit CoFe TiZr Superbeschichtung und TiZrGd Unterschicht und werden im Inneren mit einem Ferrit Magnetsystem magnetisiert Die Stahlh lle des Spiegels dient
126. cha C J Carlile M J kel and H Rauch Cold neutron storage by perfect crystals Physica B 234 236 1066 1067 1997 E Jericha D E Schwab C J Carlile M R J kel R Loidl and H Rauch Storage of multiple cold neutron pulses with perfect crystals Nuclear Instruments amp Methods in Physics Research A 440 597 603 2000 Victoria Corregidor VESTA Beam Profile and the Increase of Stored Wavelenghts 2000 Steve Stoneham Private Mitteilungen 2001 S F Parker C J Carlile T Pike J Tomkinson R J Newport C Andreani F P Ricci F Sacchetti and M Zoppi TOSCA a world class inelastic neutron spectro meter Physica B 241 243 154 156 1998 Literaturverzeichnis 185 72 73 74 Gees 80 81 82 83 85 ae 86 Z A Bowden M Celli F Cilloco D Colognesi R J Newport S F Parker F P Ricci V Rossi Albertini F Sacchetti J Tomkinson and M Zoppi The TOS CA incoherent inelastic neutron spectrometer progress and results Physica B 98 99 276 278 2000 W G Williams R M Ibberson P Day and J E Enderby Gem General Materials Diffractometer at ISIS Physica B 241 243 234 236 1998 J Kleinfellner et al KARMEN at ISIS The Advantage of a Pulsed Neutrino Source in the Search for Neutrino Oscillations and Neutrino Nuclear Iinteractions Nuclear Physics A A629 507c 516c 1998 B Zeitnitz et al KARMEN neutrino physics at ISIS Progress in Particle and N
127. cheduled to start on Tues 9 July There will be beam until 9am tomorrow Tuesday morning The next update on progress will be on Thursday 4 July Beam off fault in linac Problem with modulator 1 update 14 50hrs User run started 08 30hrs 50hz 104uA Beam running at 50Hz intermittent trips due to Main magnet power supply instability Beam has been re established to the target We are having some problems with the MMPS stability so we have yet to go to 50Hz The CH4 bursting disc has been replaced and the system is now filling The target should be ready to take beam after midnight Due to the failure of a bursting disc on the Methane moderator the Beam will be switched off at approximately 19 00hrs for at least 3hrs Update at 22 00hrs RIKEN beamlines are now cleared for beam The beam current is presently set at approximately 118 uA This is unlikely to change significantely over the next few days and into the start of the user run Pearl Beamline is now cleared for Beam Beamlines cleared for beam Ni N3 N4 N5 N7 N9 S1 S2 83 S6 Muon DEVA MuSR EMU Kicker Present Beam at 50hz 120uA scheduled to run at this level for the weekend with the possibility of a short time off for further tests Beam at 50hz 21 33hrs 120uA 28 JUN 2002 16 28 JUN 2002 11 28 JUN 2002 09 28 JUN 2002 09 27 JUN 2002 11 27 JUN 2002 08 25 JUN 2002 12 25 JUN 2002 10 29 24 JUN 2002 12 24 JUN 2002 02 22 JUN 2002 2
128. cheinlichkeit der theoretischen Kurve bis sie bei etwa 120 mV unter den Erwartungen bleibt 100 HEHEH Flip Wahrscheinlichkeit 100 mV 1 8 G T T 1 0 50 100 150 200 250 Signalausgang mV Abbildung 5 14 Die Flip Wahrscheinlichkeit als Funktion der Spannung des Signalgene ratorsignals in der Resonanzbedingung Parameter der Fitfunktion fres 23 05 MHz Br mV 55 587 Bo 7903G A 6 2712A l 54cm Eine Erkl rung k nnte sowohl in der berschreitung der Durchschlagsspannung als auch in der Qualit t des Resonanzkreises liegen Eine weitere Ursache d rften Wirbel str me sein die in den Magnetfeldfenstern des Vakuumgef es induziert werden Neben einer besseren Isolierung des Kondensators und der Spule sollte eine berarbeitung des Prototypen Schwingkreises erfolgen um die Leistungsaufnahme zu verbessern Wie in Abschnitt 4 3 1 behandelt d rfen diese Werte nur als Anhaltspunkt betrachtet werden 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS SSCS 1 Aus der obigen Messung l sst sich eine Relation der Signalspannung zum Magnetfeld Dr gewinnen Angemerkt sei dass sich diese Umrechnung nur auf exakt diesen Aufbau bei der gew hlten Verst rkungsstufe bezieht weswegen sie hier nur als Anhaltspunkt f r weitere Optimierungen angegeben wird U mV Be 5 2 5 Kontinuierlicher Betrieb des Spin Flippers Der kontinuierliche Betrieb des Spin Flippers diente bereits zur Bestimmung und Opti mierung der Flip W
129. chen werden Der Neutronenfluss im Inneren des Reaktors kann durch geeignete Reflektoren und Absorber auf einem konstanten Ni veau kritisch gehalten werden wodurch eine leistungsstarke kontinuierliche Neutronen quelle entsteht Als Beispiel eines Forschungsreaktors sei hier der mit D2O als Modera tor betriebene europ ische Hochflu reaktor am Institut Laue Langevin ILL Grenoble http www ill fr erw hnt welcher eine thermische Leistung von 58 MW und einen maximalen thermischen Neutronenfluss im Reflektor von 1 2 10 Neutronen cm s be sitzt Im Gegensatz zu herk mmlichen Reaktoren existiert auch das Konzept eines gepul sten Reaktors In diesen Reaktoren wird eine kleine Menge spaltbares Material periodisch durch einen gerade noch unterkritischen Kern gef hrt Durch das pl tzliche Ansteigen der Reaktivit t begrenzt durch einen negativen Temperaturkoeffizienten wird der Reaktor berkritisch bis das spaltbare Material den Kern wieder verlassen hat W hrend dieser Reaktorpulse werden Neutronen mit hoher Intensit t in einem kurzen Zeitraum erzeugt Als Beispiel sei hier der IBR 2 Reaktor des Joint Institute for Nuclear Research JINR Dubna erw hnt welcher bei einer Wiederholfrequenz von 5 Hz und einer mittleren Lei stung von 4 MW ein Spitzenfluss von 1016 Neutronen cm s erreicht Spallationsquellen In den letzten Jahren gewinnen Spallationsquellen immer mehr an Bedeutung Momen tan befinden sich mehrere dieser
130. cher Namens VESTA 717 entfallen und die etwa 1 ms lange erste Sinus Halbschwingung verwendet werden Durch Entfernen des Kurzschlusskreises entfiel auch ein Teil der aufwendigen Schutzbeschaltung Die anderen Kenngr en des Schwingkreises z b Anschwingzeit blieben jedoch erhalten Einsatz an IRIS Im Gegensatz zu den weiteren Experimenten stand der Prototyp im direkten Stahl von ISIS Zu diesem Zweck wurde der letzte Teil des IRIS Neutronenleiters vor dem konvergie renden Endst ck vergleiche Abb 3 5 entfernt Dadurch ergab sich ein zirka drei Meter langer Bereich in dem der Neutronenspeicher installiert werden konnte N DETECTOR COLLIMATING Si CRYSTAL PLATES E SLITS 1 S ee fl NEUTRON i GRAPHIT SILICON CRYSTAL GUIDE TUBE x GUIDE TUBE 4 CRYSTAL PULSED ELECTROMAGNETS 0 76cm 183cm 22cm Abbildung 3 10 Die Graphik aus 36 zeigt die erste realisierte Anordnung des Speicher experiments Der Speicher steht im direkten Neutronenstrahl von ISIS der Graphitkristall wirkt als Analysator Abb 3 10 zeigt diesen ersten realisierten Aufbau 36 Der als Analysator verwendete Graphitkristall reflektiert die Neutronen geeigneter Wellenl nge in Richtung Detektoren Aufgrund der hohen Neutronenzahl des Hauptpulses w re es nicht m glich die gespeicher ten Neutronen im direkten Strahl nachzuweisen Zudem k me es zu einer berlastung der Detektoren Dieser Aufbau bedingte dass IRIS seinen Betrieb f r die Dauer der Messzeit
131. chnische Hilfsmittel an seinen Einsatzort zu bewegen Die in Abb 4 38 dargestellte Konstruktion besteht aus 100x100x4 mm Edelstahl Profilen und wurde von der Firma ETNA Werke Wien gefertigt Der untere Teil des Grundger stes kann wahlweise ber sechs h henverstellbare F e auf die R der abge senkt oder auf Strahlniveau gebracht werden Der oberer Rahmen gleitet auf Kunststoff platten und ist mittels einer Kurbel um 5 cm gegen ber dem unteren Teil entlang der L ngsachse der Ger stes verschiebbar Die Dimensionen des oberen Rahmens entsprechen der Auflagefl che des in 4 2 beschriebenen Magnet Drehgestells Z12 Das Drehgestell ruht hierbei auf einer d nnen Gummischicht um Vibrationen zu d mpfen und eine elektrische Isolierung zu erreichen Auch die F e des Grundger sts sind mittels Gummi Auflagen gegen Vibrationen ged mpft 4 6 2 Untere Plattform und Vakuumgef Halterung Mittels des Grundger stes ist es m glich den Magneten in die ben tigte Position bez glich des Neutronenstrahls zu bringen Die Ausrichtung des Magnetfeldes normal zur Flugbahn der Neutronen erfolgt durch die Rotation des Drehgestells Z12 Da sich das Vakuumgef in einer fixen Position bez glich des Magneten befindet und dieser Rotation folgen soll erfolgen alle weitere Aufbauten auf der in Abb 4 39 dargestellten Unteren Plattform 18T ediglich durch einen schmalen Spalt in der Plattform ber dem VESTA Experimentierbereich kann der Kran m
132. cht des Experiments ohne Grundger st VES UPL001 Die untere Plattform inklusive Vakuumgef Halterung VES FMA001 Die Magnetfelddeckel des Vakuumgef es VES FNIO01 Neutronen Eintrittsfenster VES FNO001 Neutronen Austrittsfenster VES FVA001 Der Adapterflansch f r die Vakuumpumpe VES FHF002 Die Vakuumdurchf hrung der Hochfrequenz Leitungen VES FST001 Die Vakuumdurchf hrung der elektrischen Leitungen Der Experimentierbereich von VESTA an der IRIS Beamline 3D Darstellung des Experimentierbereichs Ma angaben in Millimetern 199 C Konstruktionszeichnungen 200 II WLSHA qoelorzg Tooz 6 L ae PV TOOUNN SAHA OTT o2TS IN quewnsog sTeas ATA quozqg J U6eW ANN teary ILY Texer uTIzZeW IA wu OOFT wu SOZT wu SP wu 9LT wu 098 wu 057 wu 089 Abbildung C 1 Der verwendete NMR Magnet Bruker B E 25 C8 201 II WLSHA qoelorg Tooz 6 T oyeqa PV COOUNN SHA OT T ezts IN Quewnsog eTeos ma eprs doL zeu en AWN een wa Ily ubtseq ANC P wu OOPT g i gt gt r wu OZOT 00T wu 099 wu 008 wu 089 00T Abbildung C 2 Seiten und Aufsicht des NMR Magneten C Konstruktionszeichnungen II WLSHA Deloaa Z00Z S0 9Z2 oyeq WwW TO0Dao SHA ane azts IN qQueunsog eteos
133. cht zug nglich sind Diese in Abschnitt 4 5 n her beschriebe nen Innenaufbauten k nnen au erhalb des Vakuumgef es entwickelt und auf zwei Lochra sterplatten montiert werden um anschlie end in das Vakuumgef eingef gt zu werden Dieser Einbau wird etwas durch den oberen Teil des Magnetjochs behindert Die Breite des vorderen schm leren Teils von 146 mm 158 mm am oberen Ring erm glicht es das Vakuumgef bei eingefahrenen Polschuhen in das Magnetjoch ein zuf hren Die innere Breite des hinteren Teils von 360 mm bietet Platz f r die Justierungs motoren der Neutronenleiteraufh ngung Die H he von insgesamt 418 mm wird durch den Durchmesser der Magnetpolschuhe sowie die notwendigen Materialst rken vorgegeben Die aus den Dimensionen vergleiche Abb 4 24 berechnete Masse des Gef es betr gt 171 kg das Innenvolumen ergibt sich zu 82 Liter Um die n tige Stabilit t auch f r die sp ter diskutierte Option der Vibrationsd mpfung zu gew hrleisten wurde die durchge hende Bodenplatte in einer Dicke von 20 mm gew hlt Die Seitenw nde haben bei einer H he von 380 mm eine St rke von 10 mm Der ober Rand ist mit einem 18x27 mm Fine angedachte Fertigung als Aluminiumguss konnte aufgrund der ben tigten Gussschr gen nicht realisiert werden 128 AL VESTA H 1350 mm 260 1060 400 mm 360 RULL d o o o o 5 o 158 mm
134. ckm igsten Die L ngsachse des Speicherkristalls wird gem dem in Abschnitt 2 3 1 eingef hrten Ko ordinatensystem entlang der z Achse ausgerichtet Bewegung eines Neutrons im Speicher Eine der m glichen Formulierungen der Position eines Neutrons innerhalb des Speicher volumes stellt Gleichung 2 39 dar Sie gibt die von der Mitte des Speichers gemessene Position desjenigen Neutrons an welches sich zum Zeitpunkt t 0 in der Speichermit te befunden hat P Durch Ableiten dieser Gleichung erhalten wir zus tzlich die Richtung des Neutrons 2 40 f r einen beliebigen Zeitpunkt t Positive Werte entsprechen hierbei der urspr nglichen Flugrichtung negative Werte einer Bewegung in die entgegengesetzte Richtung l 2 Pos arcsin sin 2 39 T tr 2m cos t Dir zo x ee 2 40 t 1 sin Sir Die als Traversenzeit bezeichnete Spanne tr entspricht derjenigen Zeit nach der ein Neu tron wieder die gleiche Position und Richtung bez glich der z Achse einnimmt dem Abstand zwischen den Kristallplatten Periodizit t des Systems Durch den Abstand der Kristallplatten und den verwendeten 111 Reflex siehe Abschnitt 4 1 1 ist eine Periodizit t von tr 3 3733 ms vorgegeben Zus tzlich liefert ISIS im normalen 50 Hz Betrieb alle 20 ms einen Neutronenpuls Durch diese Zeitstruktur folgt dass ein gespeicherter Puls nach der 83 sten Traverse ann hernd synchron Abweichung 16u s mit dem nach 280 ms eintreffenden ISIS
135. d der Synchronisations Elektronik SCE Die erste Spalte gibt den Namen des Signals wieder die zwei weiteren Spalten entsprechen der Be schriftung der jeweiligen Signalbuchsen Die Pfeilrichtung gibt die Richtung des logischen Signals an Beschreibung des Signalablaufs Die SCE teilt ber das RUNNING Signal der DAE mit wenn ein Speicherversuch Run begonnen werden soll Ist innerhalb der DAE das Running Flag welches die Bereitschaft der DAE signalisiert aktiv wird ein Run gestartet Dieses RUNNING Signal bleibt w hrend den einzelnen Durchl ufen Frames des Speicherversuchs aktiv Ein Run besteht normalerweise je nach Mess zeit aus mehreren Tausend Frames Sind die Kondensatoren vollst ndig geladen und ist die SCE in ihrem Ausgangszustand wird ein neuer Frame ber FRAME START angefordert Ist keines der existierenden VETO Signale welche zum Beispiel eine 4ISIS Standardexperimente arbeiten entsprechend der ISIS Arbeitsfrequenz von 50 Hz mit Zeitrahmen von 20 ms oder einem Vielfachen 40 80 etc ms davon Ba A VESTA geschlossene Beamline anzeigen aktiv beginnt die DAE mit der ansteigenden Flan ke des n chsten Secondary Master Pulse SMP die Datenerfassung und sendet das Signal DAE zuriick Der SMP zeigt im wesentlichen die Erzeugung eines Neutronenpul ses normalerweise alle 20 ms an ISIS an Das DAS Signal zeigt somit die aktive Datenerfassung an seine ansteigende Flanke dient als Referenz f r alle Timer in nerha
136. d der gew nschten Wellenl nge von 6 27 A muss der Graphitkristall dessen Netzebenenabstand bei 200 Reflexion 3 355 A 3 3 Ein Speicher Namens VESTA N wn zcon asondwosnn3 Abbildung 3 12 Position und innerer Aufbau der Monochromatorbox Graphitkristall 1 x10 42 38 34 32 56 IRIS Beamline 2 Translationsschlitten 3 Achse der Rotation 4 Achse der Verkippung 5 Vakuumbox 6 Sichtfenster 7 1993 SERC INSTRUMENT IRIS RUN NUMBER 23306 SPECTRUM 5 Ki TITLE pg 2_offset during vesta installation 56 5 57 0 57 5 58 0 58 5 TIME microseconds x10 Abbildung 3 13 Flugzeit Messung des Incident Beam Monitors von IRIS aufgenommen w hrend der Installation der neuen Anlage im Dezember 2001 Die vom VESTA Graphitkristall gestreuten Neutronen erscheinen als Senke im Spektrum deren Position durch den Bragg Winkel bestimmt ist F r die optimale Arbeitsstellung ergibt sich eine Position von 57 14 ms 3 79 80 A VESTA betr gt gem Gleichung 2 1 auf einen Braggwinkel von 69 16 ausgerichtet werden Dies geschieht indem man den Kristall in R ckstreurichtung 0 90 bringt wodurch die reflektierte Wellenl nge ein Maximum 6 71 annimmt Diese r ckgestreuten Neutronen erscheinen als Senke im Incident Beam Monitor und Transmitted Beam Monitor von IRIS Im Time Of Flight Spektrum Abb 3 13 bedeutet dies dass die Position dieser Senke j
137. d vom Zentrum mm Abbildung 4 8 Magnetfeld By im Inneren des Speichervolumens Das zentrale Magnetfeld von 1 T f llt am Rand der Magnetpolschuhe rasch ab und erreicht am Ort der Kristallspiegel einen Wert von etwa 50 G Der homogene Bereich im Inneren der Polschuhe betr gt etwa 15 cm weist auf einen m glichen Betrieb hin Die f r den Betrieb notwendige Wasserk hlung wurde an der OSIRIS Wand befestigt und besteht aus zwei getrennten Leitungen f r Magnet und Stromversorgung Der K hlkreislauf an ISIS birgt jedoch gewisse Probleme Zum einen ist die Durchflussmenge stark von den momentan betriebenen Experimen ten abh ngig Je mehr K hlkreisl ufe innerhalb der Experimentierhalle aktiviert werden desto bedenklicher sinkt die zur Verf gung stehende Durchflussmenge an VESTA Zum anderen l sst auch die Wasserqualit t stark zu w nschen brig Der Magnet sollte deswe gen regelm ig auf Verstopfungen kontrolliert werden W hrend die Stromversorgung des Magneten ber einen internen Temperatursensor gesch tzt ist der bei steigender Tempe ratur mithilfe des TEMP Veto Signals eine Stromabschaltung bewirkt ist der Magnet selbst derzeit nicht gegen eine berm ige Erw rmung gesch tzt Zudem musste eine am Ma gneten vorhandene Druckregulierung ausgebaut werden Lediglich die nahe dem Polschuh installierte Hall Sonde der Magnetfeldsteuerung siehe n chster Abschnitt zeigt ber eine Warnlampe an der Magnetfeldsteuerung eine Erw rmung
138. dar Generell l sst sich feststellen das bei jeder Neukonstruktion der Anlage die Option einer effektiven Vibrationsisolierung inkludiert werden sollte 10 Eine weitere Erkl rung der raschen Abnahme gespeicherter Neutronen liefert die von G Evrard durch gef hrte Computersimulation ga A VESTA 3 3 5 Limitierungen der Anlage Richtlinien f r eine Neukonstruktion Die in Abb 3 18 dargestellten kontinuierlichen Frfolge stellten eine Motivation f r den wei teren Betrieb der Anlage dar Jedoch zeigten die durch die bereits beschriebenen Verbes serungen m glichen gewordenen neuen Messung auch grunds tzliche Limitierungen der bestehenden Anlage auf die nur durch einen gr eren Umbau zu beheben gewesen w ren Eine Neukonstruktion der Anlage bot zudem die Chance einen grunds tzlich neuen Weg beim Bef llmechanismus des Speichers zu gehen und neue M glichkeiten der Anwendung zu er ffnen Im Folgenden sind einige der Limitierungen der ersten Anlage aufgezeigt die in die berlegungen der Neukonstruktion einflossen Elektromagnetische St rungen W hrend den gesamten Messungen mit VESTA I waren die durch die Hochspannungs elektronik hervorgerufenen elektromagnetischen St rungen allgegenw rtig Der Zeitpunkt des Pulsens der Magnete war als deutliches St rsignal im TOF Spektrum sichtbar Wei tere Effekte waren unter anderem Systemabst rze des Datenerfassungscomputers sowie St rungen der Bildschirme auch innerhalb der Messkabine
139. den 6 mm dicke Silizium Perfektkristall Platten aufgeklebt deren Oberfl chennormale nicht nahe der f r die Speicherung verwen deten 111 Ebene lag Somit konnten Neutronen mit einer Wellenl nge von ca 6 27 diese Endplatten ann hernd ungehindert passieren Der Verlust beim Durchtritt durch die Platten wird in 37 mit 2 24 angegeben Das Vakuumgef ist mit einem Alcatel Pumpstand verbunden Bei dem Prototypen kam nur eine Rotationspumpe zum Einsatz die sp ter um eine Turbo Molekular 76 d VESTA oo Magnetjoch Silizium legierte 0 35 mm Bleche Spaltbreite 4cm Spalth he 8cm Jochdicke 6cm Magnetspulen Windungszahl 36 Durchmesser a 12cm H he h 7 4 cm Gesammtinduktivit t 0 47 mH Kaltwiderstand 0 01 Q Abbildung 3 8 Die fiir den Neutronenspeicher konstruierten Elektromagnete zur Erzeu gung des gepulsten Magnetfeldes am Ort der Kristallspiegel Das fiir die Verschiebung des Wellenvektors aus der Totalreflexion der Spiegelplatten n tige Magnetfeld wurde mittels zweier Elektromagnete Abb 3 8 erzeugt deren Dimen sionierung in Zusammenarbeit mit der Herstellerfirma Brucker GmbH erfolgte Die An speisung der Elektromagnete erfolgt ber eine eigens entwickelte Leistungselektronik die in 35 beschrieben ist Zum Zeitpunk der Entwicklung stand noch nicht fest ob das Expe riment an einer gepulsten oder kontinuierlichen Quelle betrieben wird Das urspr ngliche SECH Exponentieller Abfall 1 0
140. den H Ionen beim Durchtritt durch eine nur 0 3 um dicke Aluminiumoxydfolie der so genannten Stripping Foil beide Elektronen entfernt Dadurch wird die Bahn im Magnetfeld so ver ndert dass diese Protonen zu bereits im Synchrotron umlaufenden Protonen Paketen addiert werden 3 1 Die gastgebende Forschungseinrichtung 69 g HRPD DEVA EC MUON FACILITY g hi V ups 3D PRISMA ROTAX mis OSIRIS a 70 MeV H Linac Abbildung 3 1 Die Neutronenquelle ISIS mit Ionenquelle 1 Linearbeschleuniger 2 Synchrotron 3 Kicker Magnets 4 Extracted Proton Beamline 5 und dem Target 6 Seit 1998 ist auch die Position von VESTA auf der Nord seite der Experimentierhalle offiziell vermerkt k nnen Uber zirka 130 Uml ufe sammeln sich dabei etwa 2 8 10 Protonen im Synchro tron an Ist dieser Bef llmechanismus abgeschlossen werden die Protonen auf 800 MeV beschleunigt und gleichzeitig zu zwei nur 100 ns lange Pulse verdichtet Nach insgesamt etwa 10 000 Uml ufen im Synchrotron werden die beiden Protonenpulse die einen zeitli chen Abstand von 230 ns zueinander besitzen durch die so genannten Kicker Magnets 4 in die Extracted Proton Beamline EPB 5 gelenkt Um dies zu erreichen muss der Strom in den drei Kicker Magneten in nur 100 ns von 0 auf 5 kA ansteigen Dieser gesamte Mechanismus wiederholt sich mit einer Frequenz von 50 Hz Am Ende der EPB treffen die beiden Protonenpulse auf die Atomk
141. den vorhergehenden Speicherexperimenten bernommen wur den Traverse Als Einheit des Speichervorgangs wird die Traverse verwendet Sie bezeichnet jene Strecke die ein Neutron bei einer kompletten Hin und R ckreflexion zur cklegt Nach je einer Reflexion an den beiden Kristallspiegeln besitzt das Neutron wieder die gleiche Position und Richtung bez glich der z Achse Die f r eine Traverse ben tigte Zeit tr gibt somit die Grundgr sse der m glichen Speicherzeit an Um in den Detek toren registriert zu werden m ssen Neutronen nach einer ganzzahligen Traversen zahl aus dem Speicher entlassen werden Halb zahlige Traversenzahlen w rden ein Entlassen der Neutronen in Richtung Quelle bedeuten Frame Run Diese Bezeichnungen wurden von der ISIS Datenerfassung bernommen Ein Frame bezeichnet einen einzelnen Zeiterfassungsrahmen Er entspricht gem der Periodizit t von ISIS blicherweise einer Zeitspanne von 20 ms kann jedoch je nach Chopper Einstellungen auch ein Vielfaches dieser Zeit betragen An VESTA variiert die Dauer eines Frames je nach Speicherdauer von etwa 40 ms bis zu mehre ren Sekunden Dieser Zeitrahmen wiederholt sich w hrend einer Messung oft meh rere tausend Mal Die Summe aller Frames zwischen Start und Ende einer Messung wird als Run bezeichnet W hrend eines Runs gesammelte Messdaten werden mit einer fortlaufenden Nummer gespeichert Diese Nummer identifiziert eine Messung eindeutig und wird im folgenden durch e
142. der Ver nderung des betreffenden Parameters entsprechen diese Werte der halben Breite bei halber H he HWHM Die unterschiedlichen Werte f r horizontale und vertikale Fehlju 88 A VESTA 10 Traversen 100 Traversen 1000 Traversen Fehljustierung bez glich optimalem Set Up Neutronenleiter Horizontal 0 8 mrad 0 27 mrad 0 122 mrad Neutronenleiter Vertikal 0 92 mrad 0 30 mrad 0 135 mrad Kristall Horizontal 0 80 mrad 0 275 mrad 0 123 mrad Kristall Vertikal 0 90 mrad 0 30 mrad 0 130 mrad Neutronenstrahl Horizontal 3 7 mrad 2 0 mrad 0 8 mrad Neutronenstrahl Vertikal 5 16 mrad 3 12 mrad 1 5 mrad Abweichung von Parallelit t der Neutronenleiterplatten Neutronenleiter Horizontal 1 53 mrad 0 54 mrad 0 25 mrad Neutronenleiter Vertikal 1 76 mrad 0 6 mrad 0 30 mrad Biegung des Silizium Kristalls Kristall Horizontal 0 57 mrad 0 41 mrad 0 23 mrad Kristall Vertikal 0 35 mrad 0 25 mrad 0 18 mrad Einfluss der Kenndaten des Neutronenleiters Abstand zum Kristall 82 4 mm 11 3 mm 1 66 mm Fugenbreite der Platten 4 1 mm 0 51 mm 83 u Welligkeit n a 0 20 mrad 0 067 mrad Micro Rauhigkeit 59 A Tabelle 3 2 Ergebnis der Computersimulation 50 Toleranzwerte einzelner Komponen ten fiir verschiedene Speicherzeiten stierung ergeben sich durch den rechteckigen Querschnitt des Leiters Zus tzlich wurden auch verschiedene Parameter des Neutronenleiter untersucht wie etwa sein Abstand zum Kristall an den Enden der Abstand zwischen den e
143. der Zeiten und ihrer ber die Time Clock Frequenz definierte Genauigkeit Modus 4 eignet sich beispielsweise fiir lange Speicherzeiten mit hoher zeitlicher Genauigkeit T11 kann f r das Pulsen des er sten Magneten und somit das Bef llen des Speichers verwendet werden Status Cycle 1 00011 3 Die Speicherzeit T21 T12 T22 T13 T23 kann durch unterschiedliche Wahl der Timer Frequenzen flexibel zusammengesetzt werden Status Cycle 2 00001 1 Durch Setzen des Status des Cycle 3 auf 5 00101 wird nach dem Ende von T23 der zweite Magnet ausgel st und somit der Speicher wieder entleert Modus 1 kann beispiels weise f r die sp ter beschriebene Mehrfach Puls Speicherung verwendet werden Hierbei kann mit jedem Cycle ein eigener Neutronenpuls gespeichert werden Somit k nnen pro Einschub die notwendigen Signale zur Speicherung von bis zu drei Pulsen generiert werden Werden zwei Einsch be im sogenannten Group Mode verwendet erh ht sich die Anzahl der m glichen Pulse auf Sechs Richtlinien und Anweisungen zum Erstellen eines Parame terfiles VCPxx dat f r das Steuerprogramm finden sich in 82 sowie in 37 ein Beispiel eines verwendeten Steuerfiles findet sich in Anhang B Diese Art der Signalgenerierung ist flexibel genug um mit nur wenig Adaptionen auch im neuen Aufbau des Speicherexperiments verwendet werden zu k nnen Weitere Verbesserungen der Anlage gegen ber dem Prototypen Auch am Speicherexperiment selbst wurden
144. des Vakuumgef es konnten handels bliche Drehkondensatoren verwendet werden um die ben tigte Kapazit t zu bestimmen Der Kondensator besteht aus einer Serie von Al Aluminium Platten 50 x 20x 0 5 mm Teflon Platten 64 x 23 x 0 5 mm Abbildung 4 13 Schematische Zeichnung des Eigenbau Kondensators in Schichtbauweise Pl ttchen 50x20x0 5 mm die abwechselnd auf den gegen berliegenden Kupferschrau ben M3 Abstand 54 mm der Halterung montiert werden Die einzelnen Kondensatorplat ten werden durch Teflon Pl ttchen 64x23x0 5 mm voneinander isoliert Als Abstandhal ter zwischen den Platten dienten M3 Kupfermuttern H he 2 5 mm sowie Beilagscheiben Bei der verwendeten Geometrie ergab sich einer berdeckung der Aluminiumpl tchen von 38x20 mm Die Kapazit t eines solchen Schichtkondensators kann durch Entfernen oder Hinzuf gen von Aluminium Platten ver ndert werden wobei sich die Kapazit t bei n Platten mit der elektrische Feldkonstante eu 8 854187817 107 F m zu A C 2eger n dk ergibt Eine Feineinstellung kann durch ein Verdrehen der Platten und der damit ver bundenen nderung der berdeckung erreicht werden W hrend der Messungen kamen verschiedene Plattenanzahlen 2 bis 12 zum Einsatz Bei der Bestimmung der ben tigten Kondensator Kapazit t sind die Kapazit ten der Zuleitungen sowie diverse Streukapa zit ten zu ber cksichtigen wodurch die Resonanzfrequenz vom berechneten Wert deutlich abweichen kann
145. die Messungen f r die Installati on von VESTA f r den Dezember 2001 geplant Leider legte ein landesweiter Stromausfall und die dabei verursachte Besch digung von Transformatoren das Labor f r mehrere Tage lahm wodurch unsere Messzeit weitgehend verloren ging Danach begann die in Abschnitt 3 1 1 beschriebene Erweiterung des Synchrotrons der Spallationsquelle welche eine Bauzeit von etwa 6 Monaten ben tigte Doch auch der Ersatztermin Ende Juni brachte keine Neu tronen Die Umbauarbeiten am Synchrotron hatten eine Kette von Problemen ausgel st sodass der Gro teil des Cycles entfallen musste Ein weiterer Versuch die Commissioning Time von IRIS im Juli 2002 f r den Betrieb von VESTA zu verwenden schlug ebenfalls auf Grund von Problemen an ISIS und diesmal auch IRIS fehl Erst bei einem weiteren Versuch Ende August gelang es drei Messtage zu erhalten wenn auch die Neutronenquelle ungew hnlich instabil war und nur mit verminderter Leistung betrieben wurde 5 2 1 Experimente mit polarisierten Neutronen Experimente mit polarisierten Neutronen bieten eine elegante M glichkeit die Effizienz des Neutronen Spin Flippers zu testen und sind zum raschen Auffinden der Resonanz bedingung unerl sslich Ihr Nachteil liegt in der verminderten Neutronenz hlrate Durch 101mm d 583 mm Abbildung 5 6 Die Polarisatoren und ihre Halterungen Beide Polarisatoren werden in einem konstanten Magnetfeld gehalten welc
146. e nach Stellung des Kristalls variiert und bei R ckstreuung ein zeitliches Maximum l ngste Laufzeit erreicht Ausgehend von dieser Position kann nun die Laufzeit in eine Wellenl nge umgerechnet und somit der gew nschte Bragg Winkel direkt im IRIS Monitor eingestellt werden Zus tzlich verf gt der Rotationsmechanismus ber einen Inkementalkodierer und ein Anzeigeger t Micro Control CV78 die ebenfalls eine definierte Rotation in 0 01 Schritten erlauben An IRIS ergab sich die maximale Laufzeit zu 61 123 1 ms die Laufzeit f r den Kristall in Arbeitsposition zu 57 139 3 ms Nach der Reflexion am Monochromator treten die Neutronen in einem Winkel von 41 68 bez glich des IRIS Strahls durch ein Aluminium Fenster aus und stehen als sekund rer Strahl f r die weiteren Messungen zur Verf gung Dieser Strahl besitzt anf nglich eine Breite von etwa 20 mm und eine H he von 58 mm Der Neutronenfluss im Strahl wurde mittels Goldfolienaktivierung auf s 2 94 30 10 n s cm bestimmt Weitere Messungen und Rechnungen zu der Intensit t und Divergenz des Strahls finden sich in 37 31 3m from ISIS spallation source to IRIS spectrometer SIDE VIEW e Ge S 3 Abbildung 3 14 Aufbau des ersten permanent installierten Speicherexperiments IRIS Beamline 1 Monochromator Kristall 2 vordere Speicher Kristall platte 3 Einlassmagnet 4 Neutronenleiter 5 hintere Speicher Kristallplatte 6 Au
147. e Anzahl von Messungen wird jedoch bei unpolarisierten Neutro nenstrahlen eine verschwindende Gr e liefern Von einem polarisierten Neutronenstrahl spricht man wenn die Anzahl der in IT ausgerichteten Neutronen von der Anzahl der in ausgerichteten Neutronen abweicht Der Polarisationsvektor P eines Neutronenstrahls l sst sich ber die Summe der Polarisationsvektoren der einzelnen Neutronen definieren gt XP PSS N Betrachten wir nur die lineare Polarisation entlang der angelegten Feldrichtung folgt fiir den Polarisationsvektor 1 9 Neben der bereits erw hnten Polarisation eines Neutronenstrahls durch magnetisierte Kri stalle sowie Superspiegel kommen auch He Filter zum Einsatz Ihr Prinzip beruht auf der Tatsache dass Neutronen mit bez glich der Polarisationrichtung des He entgegengesetz ter Spin Ausrichtung sehr effizient absorbiert werden o 6000 A A barn w hrend die andere Spin Komponente kaum abgeschw cht wird o 5 barn Die Ausrichtung der He Spins erfolgt durch Pumpen eines Infrarot Lasers Der Vorteil dieses Filters liegt in seiner breiten Wellenl ngen Akzeptanz Einen Nachteil stellen die hohen Neutronenver luste im Filter dar Eine verlustfreie Trennung der Polarisationsrichtungen wird durch den Einsatz von Magnetfeldern erreicht etwa dem in Abschnitt 2 2 4 beschriebenen Stern Gerlach Ex periment Doch auch hier geht meist eine Spin Komponente f r die Messung verloren Aufgrund von Abs
148. e Bedeutung als Sonde f r Materialuntersuchungen Die Bedeutung des Neutrons beruht hierbei auf seinen besonderen Eigenschaften Zur Familie der Baryonen geh rend unterliegt es allen vier Wechselwirkungen Es besitzt eine endliche Ruhemasse mp einen Spin der Gr e sh ein magnetisches Moment un und eine verschwindende Gesamtladung In seiner Vorlesung Nuclear Constitution of Atoms wird sowohl die possible existence of an atom of mass 1 which has zero nuclear charge vorhersagt als auch die physikalischen Eigenschaften eines solchen Teilchens und seine Bedeutung bei dem Bau schwererer Atomkern bereits korrekt beschrieben 11 12 Einleitung Aufgrund der schwachen Wechselwirkung zerfallt ein freies Neutron mit einer Halbwerts zeit von etwa 15 Minuten in ein Proton ein Elektron und ein Antineutrino Zusammenge setzt aus zwei down und einem up Quark stellt es ein r umlich ausgedehntes Objekt mit einem confinement Radius von 0 7 fm dar Da Neutronen haupts chlich mit dem Atomkern wechselwirken und sich die Streu querschnitte von einzelnen Atomen und sogar einzelnen Isotopen stark unterscheiden eignet sich das Neutron besonders zur Charakterisierung von Festk rpern Sein magne tisches Moment erm glicht Spin abh ngige Messungen und die Untersuchung von ma gnetischen Strukturen Elektrisch neutral kann es weit in Festk rper eindringen und zur zerst rungsfreien Abbildung jener verwendet werden Aufgrund seiner geringen k
149. e erh hte Neutronenproduktion aus gen tzt werden Im sogenannten Impulsbetrieb wird der Reaktor bei kleiner Leistung mit nur einem der drei Regelst be Absorber kritisch gehalten Der hierf r verwende te Impulsstab kann mittels Pressluft aus dem Reaktorkern geschossen werden wodurch der Reaktor stark berkritisch wird F r kurze Zeit kann somit die Nennleistung um das 1500 fache berschritten werden wobei im zentralen Bestrahlungsrohr Ort der gr ten Flu dichte ein Neutronenfluss von 10 6 cm s erreicht wird Da dieser Leistungsan stieg auch die Temperatur der Brennelemente von normalerweise etwa 200 C auf 360 C Eine Speicherung von thermischen Neutronen unter Verwendung des 333 Reflexes erscheint prinzipiell m glich wird jedoch durch die geringe Intensit t sowie die reduzierten Akzeptanzbereiche des Speicher kristalls siehe Abschnitt 2 1 1 und des Neutronenleiters stark eingeschr nkt Abk rzung f r Trainig Research Isotope Production General Atomics 5 1 Messungen am Atominstitut Wien _ 147 Testdetector 3D Depolarization unit mm 3 3A USANS Detector Detectors ETA EI Optical bench of the ae Beamline C USANS 1 99 Beam 1 1 65 Shielding Detector Supermirro Polarizer le Concretedoor Si Channel cut crystal Collimatoi Bi Filter WV Es Mono d DEZ Thermal chromator column x Collimator 4 Vertically
150. e hat der Druck im Inneren bereits um eine Gr enordnung zugenommen Zwar stellt der erreichte Enddruck noch keine direkte Limitierung der Neutronenspeiche rung dar der fters diskutierte Einsatz eines definierten Testgases zur Bestimmung von Streul ngen verd nnter Gase wurde jedoch in Frage gestellt Immer wieder wurde auch das Material des Vakuumgef es als potenzielle Gefahrenquelle bem ngelt Bei Umbauar beiten in der Umgebung von VESTA mussten besondere Vorsichtsma nahmen zum Schutz des Plexiglastanks gegen ber mechanischer Besch digung herabfallende Teile etc getrof fen werden oder der Betrieb des Vakuumgef es f r die Dauer der m glichen Gef hrdung unterbrochen werden 1800 5 1600 1200 Zeit min Druck Pa Abbildung 3 23 Druckanstieg im Vakuumgef als Funktion der Zeit die seit der Tren nung von den Vakuumpumpen verstrichen ist Entnommen aus 37 M glichkeiten der Wartung und des Umbaus von Komponenten Das Vakuumgef und die darin befindlichen Halterungen spiegeln stark den Experiment charakter des Prototypen wider der urspr nglich f r den einmaligen Einsatz konzipiert wurde Um an Neutronenleiter und Speicherkristall zu gelangen musste das Vakuumgef von seiner Halterung und den beiden Elektromagneten befreit werden und mit Hilfe ei nes Krans vom Justiertisch gehoben werden Danach war es n tig den Plexiglasmantel vom Edelstahlskelett zu l s
151. ehmen da es sonst zu einer Beeinflussung der umgebenden Elektronik kommen kann Erzeugt wird das RF Feld im Inneren einer Spule welche Teil eines RLC Schwingkreises ist der sich komplett innerhalb des NMR Magnetfeldes befindet Die Anregung des Schwing kreises erfolgt hierbei ber einen Signalgenerator einen Verst rker eine Impedanzan passung sowie die n tigen Verbindungen inklusive der in 4 4 2 beschriebenen Vakuum durchf hrung Im folgenden wird die Erzeugung des RF Feldes gem Abb 4 9 diskutiert Messkurven zum verwendeten Signalgenerator und Signalverst rker finden sich im An hang Signal Generator Amplifier SWR Meter 25 MHz 150 mV lt 75 Watt Optional LCR Schwingkreis Symmetriebox Impedanzanpassung 1 1 1 D 1 1 i Erdfrei i 1 Abbildung 4 9 Schematische Darstellung des Hochfrequenzteils Das aktuelle Feld kann ber die Taste FC Field Calculated angezeigt werden 4 3 Das Hochfrequenzfeld _ TD 4 3 1 Frequenzerzeugung Der Signalgenerator F r den Bereich der Radio Frequenzen steht eine breite Auswahl an Signalgeneratoren mit unterschiedlichen Merkmalen zur Verf gung Besonderes Augenmerk ist bei der Auswahl auf die Frequenz Stabilit t des Generators den angebotenen Frequenzbereich sowie die exakte Einstellung der Frequenz zu legen Die Wahl fiel auf einen Rohde Schwarz Signalgenerator des Typs SMY01 der mit einem zus tzlichen Referenz Oszillator Optio
152. ei der derzeit verwendeten 60 Ampere Stomversorgung Bruker BMN 200 60 AG einer maximalen Leistung von 66 bzw 33 4 2 1 Kenndaten des Magnetfeldes Bo Das anliegende Magnetfeld stellt eine Funktion der verwendeten Stromst rke sowie der Spaltbreite zwischen den Magnetpolschuhen dar Neben dem erreichbaren Maximalwert beeinflusst eine Ver nderung des Polschuhabstandes zudem die Breite des homogenen Magnetfeldbereichs Durch Verwendung speziell geformten Polschuhe k nnen auch nicht homogene Magnetfeldverl ufe erzielt werden wie etwa Gradientenfelder mit einer Feld geometrie B dB dx konstant oder dB dx konstant Mittels zweier Kurbeln kann der Abstand zwischen den Polkernen im Bereich 5 150 mm variiert werden wobei eine Umdrehung einer Kurbel einer nderung der Spaltbreite von 4 mm entspricht W hrend die verwendbare Stromst rke nur von den Kenndaten des Magnets und der Stromquelle abh ngt wird die verwendbare Spaltbreite durch die geometrischen Ma e der Versuchsan lage bestimmt Das Verhalten der Magnetfeldst rke als Funktion des Stroms in Prozent des Maximalwertes von 60 A sowie der Spaltbreite wird in Abb 4 5 f r Serien und Par allelschaltung der Haupterregerspulen wiedergegeben Deutlich sieht man dass bei mehr als 2 3 der zul ssigen Stromst rke das Magnetfeld nicht mehr linear dem Strom folgt Das Verhalten bei Ver nderung des Polschuhabstandes ist bei entsprechender Stromwahl ident Kombiniert man nun die Erkenntnis
153. eigt die Entwicklung der Speicherzeiten ber die Jahre Mit dem Prototyp gr ne Messkurve der sich im direkten ISIS Strahl befand wurden Speicherzeiten von 0 26 Sekunden 78 Traversen erreicht Deutlich sieht man den raschen Abfall gespeicherter Neutronen mit zunehmender Speicherzeit Demgegen ber erm glicht der permanent installierte Speicher blau aufgrund seiner Verbesserungen bereits deut lich verl ngerte Speicherzeiten Durch die h here Effizienz der Detektoren wird der ge ringere Neutronenfluss der sekund ren Beamline ausgeglichen Die als Vesta 2 bezeich nete Messserie zeigt den Einfluss der Justierung auf das erreichbare Speicherverhalten Selbst bei einer Speicherzeit von 4 2 Sekunden k nnen die aus dem Speicher entlassenen Neutronen noch als klares Signal Abb 3 18 b registriert werden Diese Speicherzeit ent spricht 2500 aufeinander folgenden Reflexionen am Silizium 1250 Traversen sowie einer zur ckgelegten Flugstrecke von 2 66 km Limitiert wird die erreichbare Speicherzeit nicht zuletzt durch die zur Justierung und Speicherung vorhandene Messzeit Ergebnisse der Computersimulation Der Einfluss der Justierung einzelner Komponenten war auch Teil der von G X Evrard berarbeiteten Computersimulation der Anlage 50 Ausgehend von einer optimalen Ju stierung zeigt Tabelle 3 2 diejenigen Werte bei denen f r verschieden lange Speicherzei ten ein Verlust von 50 der gespeicherten Neutronen auftritt Bei einer Messkurve
154. eine Auswirkungen hat Es liegt somit im Ermessen des 3 3 Ein Speicher Namens VESTA 97 zust ndigen IRIS Instrument Scientist sowie des jeweiligen IRIS User zu entscheiden ob ein Parallelbetrieb m glich und gew nscht ist W hrend der f r VESTA reservierten Mess zeit im August 2002 liefen die Messungen an IRIS erfolgreich weiter und wurden sowohl zur Kalibrierung als auch zur Beendigung des vorhergehenden Experiments genutzt Ob wohl es sicher Experimente gibt bei denen die verminderte Neutronenintensit t oder die unebene Intensit tsverteilung Einfluss auf die erzielbaren Resultate haben k nnte kann man doch guten Gewissens sagen das sich auch Experimente finden lassen die sich ohne Beeinflussung an IRIS durchf hren lassen w hrend der Neutronenspeicher betrieben wird Die Ger uschentwicklung die beim Pulsen der Magnete sowie beim Betrieb des pneu matischen Shutters entsteht f hrte ebenfalls zu Beschwerden des IRIS Instrument Scien tist Inwieweit diese Quellen aus dem durch die nahen Chopper und die seit neuerem betriebenen vier CCR K hlger te IRIS verursachten L rmpegel heraus stechen mag Ansichtssache sein Die Periodizit t der L rmquellen kann jedoch sicher als st rend emp funden werden Generell kann gesagt werden dass der L rmpegel in der Experimentierhalle nahe dem Speicherexperiment ein hohes Ma erreicht hat und eine generelle Reduzie rung sowohl aus experimenteller Sicht z B Reduktion der durch Schallwelle
155. einrichtung des oberen Tisches 6 sowie das nachtr glich angebrachte Kinematic Moun ting System 7 Dargestellt ist jene Version die nun als VESTA I be zeichnet wird als VESTA Beamline bezeichneten sekund ren Neutronenstrahl sowohl das Experiment MUSICAL 80 81 betrieben als auch Neutronenleiter f r das benachbarte Experiment OSIRIS D Martin et al getestet Durch die direkte Ankopplung an den auf etwa 0 1 mbar evakuierten IRIS Leiter muss sich auch der Kristall sowie seine Justiereinrichtungen im Vakuum befinden Zu diesem Zweck wurde an der urspr ngliche Position der Speichers eine Vakuumbox an der IRIS Beamline angebracht und aus dem entsprechenden Neutronenleitersegment eine Glasplatte auf einer Breite von 55 mm entfernt Im Inneren dieser Monochromatorbox Abb 3 12 kann der Kristall 1 ber einen Translationsschlitten 3 bei Bedarf bis etwa in die Mitte des IRIS Strahls eingebracht oder g nzlich aus dem Stahl entfernt werden Dies geschieht ber ein System von mechanischen Zahnr dern Zahnriemen und Stangen die ber eine Vakuumdurchf hrung auf den Translationsschlitten wirken Durch ein hnliches System wird einen Rotation des Kristalls 4 erm glicht Diese Rotation definiert dabei den Bragg Winkel und somit die Wellenl nge der extrahierten Neutronen In seiner Arbeitsposition im Strahl kann der Kristall auch verkippt werden 5 wodurch der horizontale Verlauf der sekund ren Beamline bestimmt wird Entsprechen
156. el zum Strahl ausgerichtet Die Polarisatoren sollten w hrend der Messungen in einem permanenten Magnetfeld gehalten werden Der als Polarisator ver wendete Superspiegel ist entsprechend seiner Verwendung an OSIRIS auf einem Rota tionstisch befestigt und befindet sich in einem U f rmigen Eisenblech mit innenliegenden Magneten welche ein Innenfeld von ca 400 G erzeugen Der als Analysator Betriebene wurde zwischen zwei Eisenblechen fixiert die mittels zehn S ulen aus je dreizehn Neodym Magneten miteinander verbunden sind Diese Magnete Durchmesser 8 mm H he 10 mm verf gen ber ein sehr hohes Magnetfeld an ihrer Oberfl che ca 0 45 T und sind viel seitig einsetzbar Zwischen den Eisenblechen betrug das resultierende Feld 50 55 G Die Polarisator Analysator Magnetfeld Bx G 15 5 10 Abstand cm Abbildung 5 8 Das Aussenfeld B des Analysators und des Polarisators als Funktion des Abstandes von den Stirnfl chen Au enfelder der Polarisatoren Abb 5 8 dienen als F hrungsfelder f r die Neutronen Im Speicher Koordinatensystem von VESTA zeigen sie in r Richtung Zusammen mit dem Streufeld des NMR Magneten welches am Ort der Kristallplatten etwa 50 G und an den Eintrittsfenstern des Vakuumgef es ca 16 G in z Richtung betr gt vergleiche Abb 4 8 reichen sie aus damit die Neutronen keinen feldfreien Raum passieren und der Neutronen spin dem resultierenden Feld adiabatisch folgen kann Beide Au enfeld
157. en den Neutronenleiter von der Justiervorrichtung zu befrei en ihn wieder provisorisch zu befestigen um schlie lich den Leiter zusammen mit dem empfindlichen Kristall aus dem halb zerlegten Gef vorsichtig herauszuziehen Daf r wa ren mehrere Stunden und in der Regel zwei Personen notwendig Diese Arbeiten stellten zum einem ein erhebliches Risiko f r den spr den Siliziumkristall dar zum anderen wurde jedwede Justierung der Anlage Leiter bez glich Kristall Kristall bez glich Neutronen strahl etc zerst rt Ein rascher Tausch des Neutronenleiters oder eine Kontrolle einzelner Komponenten war nicht vorgesehen 96 A VESTA Beeinflussung des gastgebenden Experiments IRIS Die ver nderte Position von VESTA gegen ber dem Prototypen und der Einbau der Mo nochromatorbox sollte einen Parallelbetrieb mit dem Hauptexperiment IRIS erm glichen Prinzipiell k nnte VESTA messen sobald IRIS ber die Chopper Phase Neutronen einer geeigneten Wellenl nge ausw hlt Der zu diesem Zweck durch eine ffnung in den IRIS Neutronenleiter eingebrachte Monochromator Pyrolytischer Graphit bedeckt in seiner Endposition etwa den halben Strahl und entnimmt in einem engen Wellenbereich 0 05 ungef hr ein Drittel der von ISIS kommenden Neutronen vergleiche Abb 3 4 Der Effekt des Monochromators auf die an IRIS eintreffende Neutronenverteilung ist in dessen Incident Beam Monitor ersichtlich Abb 3 24 zeigt die an IRIS eintreffenden Neutronen IN
158. en auch Parameter untersucht werden die nur schwer experi mentell zug nglich sind oder langwierige Umbauarbeiten bedingen w rden siehe Tabelle 3 3 1 Da in der Simulation der exakte Grund des jeweiligen Neutronenverlusts bekannt ist k nnen auch Effekte aufgel st werden die sich in einer realen Messung berlagern Somit ergibt sich ein aussagekr ftiges Werkzeug f r weitere Entwicklungen des Speicher experiments Die Optimierungen der Anlage zeigten deutlich die Grenzen des urspr nglichen Auf baus auf Um die in den Abschnitten 3 3 3 bis 3 3 5 beschriebenen Limitierungen zu ber 175 176 0 8 Speicherzeit s 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 6 Zusammenfassung a Prototyp e Vesta I e Vesta I optimiert 0 6 4 N 04 Je A ke Le A 0 2 4 A CN 0 500 1000 1500 2000 2500 Anzahl der gespeicherten Neutronen pro Frame Anzahl der Bragg Reflexionen Abbildung 6 1 Verbesserung des Speicherverhaltens an VESTA 1 winden sollte der Bef ll und Entleermechanismus des Speichers im Rahmen der Neu konstruktion VESTA I grundlegend ver ndert werden Um sein Potential als Pulse Shaping Tool zu erreichen wurde eine Verringerung der Schaltzeiten angestrebt Nach der kontinuierlichen Verbesserung der erreichbaren Speicherzeiten galt es nun die Zahlraten deutlich zu erh hen und somit die Anwendungsm glichkeiten des Neutronenspeichers in Festk rperphysik und Quantenmechanik zu er
159. ents and Analysis Technical report Rutherford Appleton Laboratory 1999 D Windisch and P Becker Silicon lattice parameters as an absolute scale of lengths for high precision measurements of fundamental constants Phys Stat Sol a 118 379 1990 186 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 Literaturverzeichnis C G Shull and J A Oberteuffer Spherical wave neutron propagation and Pen dell sung fringe structure in silicon Phys Rev Lett 29 871 1972 Y Okada and Y Tokumaru Precise determination of lattice parameter and ther mal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500K J Appl Phys Vol 56 2 314 20 15 July 1984 P Becker K Dorenwendt G Ebeling R Lauer W Lucas R Probst H J Rade macher G Reim P Seyfried and H Siegert Absolute measurement of the 220 lattice plane spacing in a silicon crystal Phys Rev Lett 46 1540 1981 R J Buchelt Spin Dynamics in Polarized Neutron Interferometry PhD thesis TU Wien 2000 Edward M Purcell Berkeley Physik Kurs Bd 2 Elektrizit t und Magnetismus Vieweg Wiesbaden 1989 E Melkonian Slow neutron velocity spectrometer studies of O2 N2 A H2 H20 and seven hydrocarbons Phys Rev 76 1750 1949 Kurt M ller Festigkeitslehre Vogel Fachbuch W rzburg 2 edition 2002 G Knappstein Aufgaben zur Festigkeitslehre Verlag Harri Deutsch Thun und Frankfurt am Main 19
160. er Spiegel zwischen denen ein Teilchen reflektiert wird bis es gem der Transmissionswahrscheinlichkeit der Spie gel entkommt Diese Messung kann jedoch zur Kontrolle der verwendeten Komponenten insbesonders der Position des Speicherkristalls sowie zur Demonstration des Prinzips der Energie nderung durch den Radio Frequenz Flipper in homogenen Magnetfeldern dienen Sie stellt auch gleichzeitig die erste an VESTA I durchgef hrte Neutronenspeicherung dar und sei deswegen in Abb 5 16 wiedergegeben Fin Maximum von 14 8 ergibt sich brigens bei einer Flip Wahrscheinlichkeit von 66 6 162 5 Experimentelle Ergebnisse INSTRUMENT VESTA USER JMR EJ RUN NUMBER 1602 RUN START TIME 6 DEC 2001 03 35 01 SPECTRUM 3 NO GROUPING OF BINS INSTRUMENT VESTA USER JMR EJ RUN NUMBER 1603 RUN START TIME 6 DEC 2001 04 10 52 SPECTRUM 3 NO GROUPING OF BINS TITLE CONTROLRUN_FLIPPER_OFF naes N unzaon naes x unzaon Abbildung 5 16 Erste mit der neuen Anlage gespeicherte Neutronen Links Neutronen nach einer Traverse erreichen den Detektor bei 57 5 ms Rechts Kontroll versuch mit ausgeschaltetem Flipper Da keine Neutronenspins invertiert werden ist die Z hlrate nach dem Analysator h her es fehlt jedoch das Speichersignal Passiv gespeicherte Neutronen erscheinen bez glich des bei 54 4 ms eintreffenden Haupt pulses gem ihrer um etwa zwei Meter verl ngerten Flugbahn im TOF Spektrum um 3 3733 ms verz ger
161. er emittierten Leistung reflektiert werden Mit dem an VESTA verwendeten SWR Meter welches die emittierte Leistung Forward sowie die reflektierte Leistung Reflected in Watt anzeigt ergibt sich das SWR zu Reflected 1 q flected Forward SWR 1 Reflected Forward 2 10 o o 2 1 8 2 8 Ei Ei D D 2 1 6 2 6 ZS cp 1 4 bN 4 ZS ZS S L 2 5 2 a a 2 4 6 8 10 10 20 30 40 50 60 70 Reflektierte Leistung Reflektierte Leistung Abbildung 4 11 Das Stehwellenverh ltnis SWR als Funktion der reflektierten Leistung in Prozent der Ausgangsleistung in den Bereichen von 0 bis 10 Links sowie von 0 bis 70 Rechts In Abb 4 11 ist das Stehwellenverh ltnis als Funktion der reflektierten Leistung aufge tragen Die reflektierte Leistung ist von Bedeutung da sie wieder an den Amplifier abgege ben wird und dort zu einer W rmeentwicklung und einer Belastung des Ausganges f hren kann Zwar stellt das SWR das Ma f r die Antennenanpassung dar jedoch ist zu beach ten dass dies nicht bedeutet dass sich der Resonanzkreis bei minimalem SWR in Resonanz befindet Im Falle des gew hlten Parallel Schwingkreises geht die in den Schwingkreis ein gebrachte Leistung in der Resonanz gegen Null wodurch sich ein h heres SWR ergeben kann als bei nahe liegenden Sekund r Resonanzen siehe Abschnitt 4 3 4 Das SWR Meter kann im Prinzip nach Einstellung des Resonanzkreises entfernt werden W hrend der Testphase
162. er klingen rasch ab und betragen im Abstand von 25 cm weniger als 2 G Nachdem das Vakuumgef unter Verwendung von Pinhole Blenden an Eintritts oder Austrittsfenster bez glich des Neu tronenstrahls justiert war wurden die Polarisator Superspiegel eingerichtet Im Falle des Polarisators geschah dies mit seinem Rotationstisch 2000 steps 1 f r die Justierung des Analysators wurden die Schrittmotoren der Neutronenleiterjustierung Abb 4 36 ver wendet die in einem Abstand von etwa 345 mm mit entgegengesetzten Fahrtrichtungen unter dem Analysator angebracht wurden Hierbei entspricht eine Bewegung von 3 mm beider Motoren jeweils beide positiv oder beide negativ in etwa einem Drehwinkel von 1 In Abb 5 9 ist die Neutronenz hlrate detektierte Neutronen pro 10 Sekunden als Funkti on des Rotationswinkels in Grad wiedergegeben Der Nullpunkt der Skala entspricht dem Anfangswert der Justierung Zu beachten ist dass sich der Polarisator vor dem Vakuum gef befindet wogegen der Analysator kurz vor den Detektoren montiert ist Dies spiegelt sich in der unterschiedlichen Breite der Messkurven der baugleichen Polarisatoren wider Beide Superspiegel wurden auf das Maximum des Gauss Fits eingestellt 156 D Experimentelle Ergebnisse O Polarisator Age oes o e Analysator Er o 10 ee o o 3 d j a o e o 5 8 a KZ e o E S 5 e o o 6 o 5 E o 5 D 4 e Wi Z o R o LU o e Do 2 D S g o o e E gt s K ove T T T
163. er minimalen Breite eines Neutronenpulses in Laufzeitexperimen ten 1 2 Energie von Neutronen 19 jedoch ber der Temperatur des Moderators liegen Ist man an der Wellenl ngenverteilung des Neutronenflusses im Bereich IA A dA interessiert nimmt 1 5 die Form ht h2 T 1 6 B A O an deren Maximum bei h Amaz SS V 5MnkgT liegt Entsprechend den Temperaturen der verwendeten Moderatoren werden die Neu tronen in verschiedene Kategorien eingeteilt Die Grenzen der einzelnen Kategorien sind hierbei jedoch flie end und werden oft leicht unterschiedlich angegeben Eine Tabelle mit der Energie und Wellenl nge als Funktion der Temperatur f r einige Moderatoren findet sich in Abschnitt 3 1 1 1 7 Einteilung der Neutronen nach ihrer Energie Ultrakalt lt 105 eV 10 eV lt Kalt lt 5 107 eV 5 10 23 eV lt Thermisch lt 0 5 eV 0 5 eV lt Epithermisch lt 10 eV 10 eV lt Mittelschnell lt 10 eV 100 eV lt Schnell lt 5 107 eV 5 10 eV lt Sehr Schnell 1 2 1 Selektion von Neutronen Eine der gro en St rken der Neutronen ist die Tatsache dass sich ihre kinetische Energie und somit ihre De Broglie Wellenl nge an das jeweiligen Experiment anpassen l sst Die Wellenl ngen reichen hier von gt 90 A f r ultrakalte Neutronen ber 4 A f r kalte und 0 4 f r thermische Neutronen weiter bis zu h her energetischen Neutronen mit sehr kurz en Wellenl ngen F r die Untersuchung vo
164. erbereiches und Signalerzeugung im Inneren der Messkabine stellt besondere Anforderungen an die Signal bertragung insbesonders ihrer Abschirmung F r die Signalleitungen au erhalb der Vakuumbox werden Halb Zoll Festmantel Koaxialkabel verwendet die ber N Typ Stecker miteinander verbunden sind Innerhalb der Vakuumbox kommen spezielle Luftkammer Koaxialkabeln zum Einsatz Um die Emittierung elektromagnetischer Wellen der Kabel 4 3 Das Hochfrequenzfeld Sai zu minimieren wurden alle Koaxialkabel au erhalb der Vakuumbox zus tzlich mit einem weiteren flexiblen Metallschlauch umgeben der mit Masse verbunden wurde Bei der Wahl der Kabell ngen ist zu beachten dass sich eine optimale Antennenanpassung realisieren l sst wenn die Kabell nge inklusive des Verk rzungsfaktors etwa 0 6 Festmantel 0 9 Luftmantel Kabel einer halben Wellenl nge des zu bertragenden Signals entsprechen Optionales SWR Meter Zur berpr fung der G te einer Antennenanpassung kann nach dem Verst rkerausgang die sogenannte Standing Wave Ratio SWR gemessen werden Sie gibt das Verh ltnis der in den Schwingkreis eingebrachten Leistung zur tats chlich abgestrahlten Leistung an Einer ideal angepassten Sendeanlage ohne jede Reflexionen w rde ein praktisch nicht zu erreichendes SWR von 1 entsprechen Bei Frequenzen unterhalb von 200 MHz gilt ein SWR lt 2 0 als akzeptabel Wie in Abb 4 11 ersichtlich wird dies erreicht wenn weniger als 10 d
165. eren muss sichergestellt werden dass es zu keiner Beeinflussung be nachbarter Experimente IRIS OSIRIS kommt Abb 4 8 zeigt das gemessene Magnetfeld B entlang der Neutronenflugbahn entlang der z Achse als Funktion des Abstands zum Magnetzentrum Ein zentrales Feld von 10000 G 1 T klingt auf zirka 400 G am u eren Rand der Erregerspulen 700 mm ab Am Ort der Kristallplatten betr gt das Ma gnetfeld etwa 50 G wobei sich ein Gradient von etwa 3 G ber die Dicke der Kristall platte ergibt und klingt bis zum Ort der Eintrittsfenster des Vakuumgef es auf etwa 16 G ab Somit ist die Bedingung eines kontinuierlichen F hrungsfeldes ber den gesamten Speicherbereich erf llt Au erhalb des Vakuumgef es oder von der z Achse entfernt erge ben sich nur geringe Magnetfelder An der Experimentwand von OSIRIS konnte auch bei vollem Betrieb des Magneten kein nennenswertes Magnetfeld Messwerte lt 1 G gemessen werden Installation an ISIS Da das Streufeld des Magneten gering ist und der Magnet keine freiliegenden elektrischen Anschl sse aufweist konnte auf eine Sicherung des Magneten mittels Interlock Systems verzichtet werden wodurch der Zugang zum Experimentbereich auch w hrend des Magnet betriebs m glich bleibt Lediglich eine Warnlampe beim Eintritt zum Experimentierbereich 4 2 Das Statische Magnetfeld Du LU RF Flipper Magnetspulen Perfektkristall Spiegelplatten 50 G Mag Feld G o Abstan
166. erne des Targets 6 Dabei werden die Atomkerne so stark angeregt dass sie diese Energie durch ein Abdampfen von Nukleonen abgeben F r Wolfram entstehen hierbei pro einfallendem Proton etwa 15 freie Neutronen Diese Neutronen haben bei ihrer Freisetzung hohe Energien und Geschwindigkeiten und m ssen vor einem Einsatz zur Untersuchung von Festk rpern zuerst in einen geeigneten Energie bereich transformiert werden Dies geschieht durch im Schwerpunktsystem elastische St e in den so genannten Moderatoren Die Intensit tsverteilung im thermischen Gleichgewicht ist ann hernd durch die Maxwell Boltzmann Verteilung darstellbar DE 6 eT kpT wobei du der gesamte Neutronenfluss und kel die thermische Energie des Moderators sind Die Energie die die Neutronen beim Verlassen des Moderators am wahrscheinlichsten einnehmen ergibt sich zu kgT 2 An ISIS kommen neben einem Umgebungstemperatur Wassermoderator H20 43 C ein Fl ssig Methan Moderator CH4 100 K sowie ein 70 _ d VESTA Fl ssig Wasserstoff Moderator Ha 25 K zum Einsatz Gem der Beziehung hk h h2 Qn Annie A BEZ 2kpTm 31 ergeben sich je nach verwendeten Moderator die in der folgenden Tabelle dargestellten Wellenl ngen und Geschwindigkeiten der Neutronen Moderator Temperatur Energie Wellenl nge HO 43 C 27 23 meV 1 73 CH 100 K 8 62 meV 3 08 A Hs 25 K 2 15 meV 6 16 A E ik 50 emperatur f g TT Sel SE I EnergielmeV x
167. erschiedlicher Speicherzeit pro Puls konnte aber zum ersten Mal die M glichkeiten zur zeitlichen Manipulation von Neutronenpulsen an VESTA demon Ga A VESTA striert werden Durch mehrfaches Entleeren eines einzelnen gespeicherten Neutronenpulses konnten zudem die Aussagen ber die Transmissionswahrscheinlichkeit verifiziert werden 3 3 4 Einfluss von Vibrationen auf die Neutronenspeicherung Eine nach wie vor offene Frage stellt der Einfluss von Vibrationen auf das Speichersystem dar Erste Messungen hierzu beschr nkten sich auf Messungen mit einem mechanischen Bewegungsabnehmer am Grundger st sowie am Vakuumtank 37 In 40 wurde diese Messungen durch den Einsatz eines Laser Messger ts erweitert Zum ersten Mal konnten die Vibrationen an einer Siliziumplatte direkt vermessen werden Bei den an VESTA gemessenen Vibrationen kann man grunds tzlich zwischen fremd und eigeninduzierten Vibrationen unterscheiden Quelle f r fremd induzierte Vibrationen sind unter anderem die im Umfeld des Experiments betriebenen Vakuumpumpen und Motoren Sie wirken haupts chlich als K rperschall indem sich sich ber den Boden auf das Experiment ausbreiten Um die Auswirkungen auf die Neutronenspeicherung minimal zu halten verf gt der Justiertisch sowohl an seinen h henverstellbaren F en als auch zwischen oberem und unterem Justierteil ber Gummid mpfer Zudem tr gt eine gerin ge Auflagefl che und die hohe Masse des Instruments zur Vibrationsisolie
168. ert wichtige Beitr ge zur Messung der Lebensdauer freier Neutronen Tr 887 s und erlaubt exakte Messungen eines m glichen elektrischen Dipolmoments EDM 33 F r thermische oder kalte Neutronen sind diese Methoden jedoch nicht praktikabel Die sehr kleinen Totalreflexionswinkel von Neutronenleitern w rden gro e Durchmesser km bei Speicherringen bedeuten ihre vergleichsweise hohe kinetische Energie macht den Einschluss mittels Multipolfelder ebenfalls unm glich Es musste deshalb nach anderen Wegen der Speicherung gesucht werden 1 4 1 Speicherung mit Perfektkristallen Ein M glichkeit der Speicherung f r kalte und thermische Neutronen stellt die Verwen dung von Perfektkristallen dar Hierbei werden monoenergetische Neutronen unter den in Abschnitt 2 1 1 vorgestellten Bedingungen an den Ebenen eines Kristalls reflektiert Auf grund der hohen Anforderungen an die Ausrichtung der Kristallspiegel zueinander bietet sich eine Anordnung mit zwei fixen Platten an Die wohl einfachste M glichkeit einen Speicher zu realisieren stellt die geometrische Anordnung der Platten nach Abb 1 10 a Will man etwa zum F llen und Leeren eines Speichers die Platten zueinander verkippen m sste die Ausrichtung der Platten zuverl ssig in kurzen Zeiten lt ms mit einer Genauigkeit von lt 0 2 mrad wieder hergestellt werden 28s Einleitung dar Speicherzeiten lassen sich tiber den Einfallswinkel und der daraus resultierenden Flug bahn eins
169. ertem Stahl bestehende dem Moderator zugewandte Teil des Neu tronenleiters wurde durch einen Ni Ti Supermirror ersetzt GA d VESTA IRIS NEUTRON FLUX DISTRIBUTION Abbildung 3 6 Das White Beam Neutronenspektrum an der IRIS Probenposition 76 aus dem mit Hilfe der beiden Chopper ein 2 A breites Wellenband ent nommen wird Das benachbarte Experiment OSIRIS Neben dem eigentlichen Gastexperiment IRIS ist auch das Schwesterexperiment OSIRIS 79 f r den Betrieb des Speicherexperiments von Bedeutung Beide Instrumente teilen sich den Beamport N6 an der Targetstation Dies bedeutet dass beide Instrumente den glei chen Main Shutter verwenden Der Main Shutter ist ein Schwerbetonblock der innerhalb der Targetabschirmung mittels Motoren vor den Beamport bewegt werden kann Durch Schliessen dieses Shutters werden beide Instrumente gleichzeitig von der Neutronenquelle abgeschnitten wodurch ein Arbeiten an den Instrumenten w hrend des Betriebs von ISIS erm glicht wird Zwar existierten seit neuestem an den einzelnen Beamlines je ein Inter mediate Shutter der kleinere Arbeiten am jeweiligen Instrument ohne Beeinflussung des anderen Experimentes erm glicht jedoch ist f r einen Zugang zum Speicherexperiment VESTA aufgrund von Strahlenschutzbestimmungen nach wie vor ein Schlie en des Main Shutters notwendig Da sich OSIRIS im Endausbau auch Messungen mit polarisierten Neutronen widmen will und sich das Experiment in unmittelb
170. eser entkommenen Neutronen bei h heren Speicherzeiten sowie ein Vergleich mit den Ergeb nissen der Computersimulation ist erstrebenswert Bei den scharfen Peaks bei 60 ms und 80 ms in Abb 5 23 handelt es sich schnelle Neutronen Diese energiereichen Neutronen k nnen w hrend des Betriebs von ISIS alle 20 ms in der gesamten Messhalle nachgewiesen werden Sie d rften beim Auslenken des Protonenstrahls aus dem Beschleunigerring oder dem Auftreffen des Protonenstrahl auf das Target entstehen 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS COCO 109 x 4 Flipper 300 4 250 4 x lb x7 200 4 150 4 Neutronen 10 us 100 4 x2 Detektionszeit Abbildung 5 23 Aus dem Speicher ausgetretene Neutronen durch ihre Traversenzahl ge kennzeichnet Beschreibung siehe Text 5 2 10 Ein Vergleich von neuer und alter Anlage bei kurzen Speicher zeiten Ein Vergleich mit einem an VESTA I gemessenen Wert aus 38 anhand einer Messung bei 4 Traversen siehe auch Abb 5 24 zeigt deutlich die St rken und Schw chen des neuen Systems bez glich seines Vorg ngers auf Vergleich der Speichersysteme bei 4 Traversen Run Counts Frames Counts Puls Messdauer s Counts s 610 703 977 0 719 2167 0 324 1659 4053 10029 0 405 1208 3 300 Die Werte fiir den Run 610 geh ren zu den besten an VESTA I erreichten Ergeb nissen Sie reflektieren sowohl die exakte Justierung der Anlage beziiglich des einfallenden Neutronenstrahls als auch die
171. esonderer Stellenwert zu 1 3 Neutronenoptik Al emt oiam be n ch Sen 045m A 204 20528 we xe I f BF CouNT R VC SE eee ibe ENTRANCE SLIT STRAIGHT t EDGE s a S x BERG sie if 150um 200mm um 20 ge Tu 60mm 60mm JO pm 100mm SLOW NEUTRON BEAM 120 QUARTZ PRISM His ERON HER S EVACUATED FLIGHT TUBES COLO SOURCE ei L 4 4 _ i ajai 200 0 200 400 250 0 250 400 200 o 200 400 SCANNING SLIT POSITION um Fig 1 1 Neutron diffraction by a a straight edge b a single slit and c a double slit from Klein and Zeilinger 1984 Abbildung 1 3 Beugung von Neutronen an einer Kante a einem Spalt b sowie an einem Doppelspalt c Ubernommen aus 17 Neutronen optische Ph nomene entstehen durch die koh rente elastische Streuung von Neutronen an Festk rpern und k nnen durch die Schr dinger Gleichung h2 Mn A V r t U t Ets 0 1 8 beschrieben werden in der E die Energie des einfallenden Neutrones m seine Mas se und V r t das optische Potential darstellt welches die effektive Wechselwirkung des Neutrons mit dem System beschreibt Da neben koh renter Streuung auch inkoh rente diffuse Streuung und Absorption auftreten k nnen nimmt das optische Potential meist eine komplexe Form an Im Rahmen dieser allgemeinen Einf hrung m chte ich nur einige Beispiele neutronen optischer Werkzeuge vorstellen Die Reflexion an Perfektkristallen sowie die
172. etrieben werden konnte Da die ser Speicher jedoch im wesentlichen aus dem verbesserten Prototypen bestand waren die M glichkeiten Adaptionen mit vertretbarem Aufwand durchzuf hren nicht gegeben 99 100 4 VESTA H Im Gegensatz dazu stellt VESTA II ein flexibles und expandierbares System dar Dies spiegelt sich insbesonders bei der Konstruktion des Vakuumgef es und der einzelnen Arbeitsplattformen wider Komponenten sollten f r verschiedene Anwendungen oder Op timierungen rasch entfernt und installiert werden k nnen Ein weiteres Ziel war die bes sere Ausnutzung der Neutronenquelle und damit der gespeicherten Neutronen pro Mess zeit Insbesonders in Hinblick auf m gliche Anwendungen in der Festk rperphysik oder Quantenmechanik stellten die bisher niedrigen Z hlraten eine Limitierung dar Durch die Speicherung von Mehrfachpulsen mit gleicher Intensit t sollten neue M glichkeiten in der Beam Manipulation er ffnet werden Der Bef ll und Entleermechanismus sollte zudem m glichst flexibel gestaltet werden um dem Experimentator gr tm gliche Freiheit bei der Wahl der gespeicherten Neutronen zu erm glichen Gliederung dieses Kapitels Die Gliederung dieses Kapitels folgt im wesentlichen der Entwicklung und Konstruk tion der Anlage Als zentrales Element des Neutronenspeichers fungieren die aus dem Vorg ngerexperiment bernommenen neutronen optischen Komponenten Siliziumkristall und Neutronenleiter die einen direkten Ver
173. eugeometrie angeordneten und die Intensit t des transmit 32 Einleitung tierten Strahl nach dem Resonator gemessen F r einen Plattendicke von 292 um ergab sich eine minimale Transmission von 17 bei einer Halbwertsbreite der relativen Ener gieskala AE E von 7 4 1077 Abb 1 14 zeigt das Ergebnis der Transmissionsmessung 1 1 er N Paes E 1 10747 0 Without crystal D 108 5 456 um r 5 425 um 10 7 388 um A T 342 um 5 104 4 292 um H 243 um bh 10 T P 2 5 104 2 amp 10 i 10 HI i 10 14 dr P 10 2 T a T T Time ns Abbildung 1 14 Speicherung von X Rays in einem Siliziumresonator nach 43 Schemati sche Zeichnung des Resonators berechnete Transmission T und Refle xion R als Funktion der Energieabweichung f r eine Plattendicke von 292 um sowie das Speicherergebnis f r verschiedene Plattendicken f r verschiedene Plattendicken Die Zeitstruktur des einfallenden Photonenpulses wird durch die Kurve Without crystal gezeigt bei der der Resonator aus dem Strahl entfernt wurde Das Maximum dieser Kurve entspricht den Nullpunkt der Speicherzeit die Halb wertsbreite von 500 ps entspricht dem Ansprechverhalten des Detektors Befindet sich der Resonator im Strahl zeigt sich zus tzlich eine Reihe weiterer Maxima im Abstand von jeweils 1 ns deren Intensit t exponentiell abklingt Hierbei handelt es sich um Photo nen die 1 2 3 N mal an beide
174. eugung wurden erfolgreich getestet Abschnitt 5 2 6 Die daraus resul tierende hohe Flexibilit t des Bef llmechanismus er ffnet zahlreiche neue M glichkeiten der Beam Manipulation Obwohl aufgrund der geringen Messzeit die Speicherung von LIT Mehrfachpulsen nicht explizit demonstriert werden konnte wurden doch mit der Beein flussung von aufeinander folgenden ISIS Pulsen und der gezeigten freien Wahl der L nge des Auslass Mechanismus die Grundlagen einer Mehrfachspeicherung bewiesen Eine In tensit tserh hung durch das Ansammeln mehrerer Pulse im Speicher und ihr gemeinsames Entlassen wurde somit prinzipiell erm glicht Widmeten sich bisherige Verbesserungen des Speichers haupts chlich einer Verl nger ung der erreichbaren Speicherzeiten wurde mit dieser Anlage eine deutliche Erh hung der gespeicherten Neutronen pro Messzeit durch eine gesteigerte Wiederholfrequenz er reicht Diese Verbesserung der Strahlnutzung ist in Abb 6 2 dargestellt und durch den Vergleich einer Messung an VESTA I Messzeit von 36 Minuten mit einer Messung an VESTA I Messzeit von 20 Minuten als Insert verdeutlicht Im Bereich der f r die Ju 20 0 t 07 VESTA II A 20 min 17 5 S 20 an z VESTA I 5 S 36 mi 2 15 5 f po aay N 5 E 12 5 SS EE EE el p 67 0 67 5 68 0 68 5 ms n 10 0 Detektionszeit o p D a 1 n 5 5 0 gt Speicherbereich 2 5 1000 2000 3000 4000 Speicherzeit ms Abbildung 6 2
175. faltete Aluminiumfolie welche ein alternierendes Magnetfeld B senkrecht zu einem statischen Feld Bo erzeugt 25 26 Durch die Bewegung der Neutronen wird aus dem r umlich alternierenden Ma gnetfeld ein im Ruhesystem des Neutrons zeitlich oszillierendes Feld dessen Frequenz mit der Geschwindigkeit des jeweiligen Neutrons variiert Wegen der lediglich impliziten Zeitabh ngigkeit der Neutronen Magnetfeld Wechselwirkung bleibt die Energie der Neu tronen unver ndert 26 Einleitung Abbildung 1 8 Aufbau eines M ander Flipper f r Neutronen bernommen aus 23 Nichtadiabatische Flipper Durch eine u erst rasche extrem nichtadiabatische Umkehr der Richtung des magneti schen F hrungsfeldes innerhalb einer Distanz die klein ist im Vergleich zur Strecke die das Neutron w hrend einer vollen Lamorrotation zur cklegt kann ebenfalls ein Spin Flipper realisiert werden Da die r umliche Orientierung des Polarisationsvektors erhalten bleibt ist die Orientierung bez glich des Magnetfeldes invertiert Der Wirkungsgrad ist hierbei praktisch unabh ngig von der Neutronenwellenl nge In einer einfachen Bauform besteht dieser Flipper aus einer d nnen stromdurchflossenen Folie Stromblattflipper Eine wei tere Bauform der sogenannte Leningrad Flipper vermeidet Material im Neutronenstrahl und besteht aus zwei koaxialen einander entgegengesetzt gepolten Ringspulen Radiofrequenz Spin Flipper Der RF Spin Flipper ist der einzi
176. faulty power supply in the ring which is causing beam loss Beam running well at 166uA The ion source output has dropped drasticaly and is presently being adjusted we hope to resume normal beam within the next 30 minutes 50hz Beam restored at 12 05 The Beam will be off for approximately 20 minutes to flush the Ion source Hydrogen line We expect to come back on at 50Hz The problems with the Kickers and Hydrogen supply have been resolved We are Beaming to Target at low rep rate to condition the new Foil We anticipate being at 50Hz by 12 00hrs Work is continuing with the Kicker p s problem A repair is also being made on the Hydrogen supply to the Ion source Earliest Beam expected at 11 30hrs Update at 11 00hrs Work is progressing on the Kicker supplies Experts are in attendance Further update 09 30hrs Fault diagnosis continuing on kicker 2 PS Update on progress at 08 30hrs The problem with the kicker power supply is still being investigated The next update will be at 0700 Still investigating kicker ps fault Update at 04 00 Foil changed waiting for vaccum We also have a fault on kicker 2 power supply update at 02 30 The foil has failed We will be off for approx 2 hrs to replace it Update 01 00 We have a large loss injection We will be off for at least half an hour while we check the new foil Update 23 30 Beam on at 18 30 hrs 0165 microamps The CH4 moderator is now operational and almost cold
177. ffekte dargestellt in Abb 4 2 b c wirken sich im betrachteten Bereich linear auf die 4 1 Die Neutronenoptischen Komponenten 103 a rrr AL mm b x a b Kl th 5 0 02 a d 0 01 LO 3 5 5 0 5 10 S St WW CS AT K E kk 5 L L J 0 02 E En Jr 4 S m s Yn ke a 1k 4 3 e 630 835 lt 5 o i S 6300829 5 0 5 10 4 the 630 815 ATIK re a Ae ee eee ee bag 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Temperatur K Abbildung 4 2 Linearer Ausdehnungskoeffizient von Silizium gem 88 a sowie die nderung des Abstandes der Kristallplatten b und die nderung der Neutronengeschwindigkeit c in Abh ngigkeit der Temperaturabwei chung am Siliziumkristall von der Normtemperatur von 22 5 C Traversenzeit tr aus womit sich der Gesamteffekt folgenderma en beschreiben l sst as Io AL _ Io 1 agAT 8 Lomn2d 1 os AAT tn 1 tag AT Un Aun et h 4 1 Die Traversenzeiten f r 12 33 Celsius sind in Abb 4 3 dargestellt F r l ngere Speicherzei ten ist somit eine Korrektur der Traversenzeit in der Berechnung des Auslasszeitpunktes sowie eine Messung oder Stabilisierung der Kristalltemperatur im Vakuum notwendig 3 3735 3 3734 3 3733 3 3732 Speicherzeit pro Traverse ms Temperatur C Abbildung 4 3 Zeit f r eine Traverse tr in Abh ngigkeit von der Temperatur des Silizium Kristalls gem Gleichu
178. fr ie Gp Oe yy 4 graphite erystal 2 0 03 02 0 0 or 02 0304 Ti2 spin turn Wi oo shielding H wo BEon B 4964T v lt 57289 MHz te 02827005 ye KG Km ER ties analyzer E Si crystal 3 detector 1 Si crystolls 2 1 ee ee Die Sos Tage Feuer er er er o7 aE pe Abbildung 2 17 Aufbau und Ergebnis des Nachweises der Energieverschiebung bei ma gnetischer Resonanz aus 53 Der gezeichnete Aufbau entspricht bereits dem Vorschlag einer weiterentwickelten Version des Experiments 2 3 Konzept eines magnetisch geschaltenen Speichers Mittels der in den beiden vorhergehenden Abschnitten pr sentierten Grundlagen lassen sich verschiedene Arten des in Abb 2 1 dargestellten Neutronenspeichers realisieren Zum einen besteht die M glichkeit den Wellenvektor eines Neutrons durch ein statisches Ma gnetfeld zu beeinflussen Beim Durchqueren des Magnetfeldes ndert sich die potentielle Energie des Neutrons um den Betrag AE u B Aufgrund der Erhaltung der Gesamt energie bei statischen Feldern ist dies mit einer Ver nderung des Wellenvektors verbunden Befindet sich nun dieses Magnetfeld am Ort der Kristallplatte ergibt sich die Transmis sionswahrscheinlichkeit der Neutronen gem Abb 2 13 Zum anderen kann durch den in Abschnitt 2 2 3 vorgestellten RF Spinflipper die Energie der Neutronen permanent um den Betrag AE 2 u B ver ndert werden Neutronen die sich vor dem Spinflipper au erhalb des Darwin gaps be
179. funden haben k nnen so in den Totalreflexionsbereich verschoben wer den Die Transmissionswahrscheinlichkeit durch den Kristallspiegel ergibt sich analog zu Abb 2 13 jedoch wirkt sich das Magnetfeld in doppelter St rke aus Ein Vergleich diese M glichkeiten findet sich in Abb 2 18 Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen dass die Neutronen die sich nach der Wech selwirkung mit den Magnetfeldern jeweils im Darwin gap befinden aus unterschiedlichen Bereichen des einfallenden Neutronenspektrums stammen Dank der relative breiten Re flexionskurfe des Graphit Monochromators und der sehr geringen Energiedifferenzen er gibt sich an VESTA keine Auswirkung auf die Anzahl der zur Speicherung verf gbaren Neutronen Eine Aneinanderreihung von n RF Flippern kann jedoch zur Trennung der einzelnen Spinkomponenten um AF n 4 u B verwendet werden 21 Eine Kombination von RF Flippern mit unterschiedlichen statischen Magnetfeldern eignet sich wiederum zur energetischen Fokussierung eines Neutronenspektrums 60 F r den Neutronenspeicher bedeutet Abb 2 18 dass die Art der Energie nderung be reits den Ort der nderung festlegt W hrend sich die statischen Magnetfelder am Ort der Kristallplatte befinden m ssen kann das RF Spinflipper beliebig zwischen den Kri stallplatten angebracht werde Aufgrund des Streufeldes des Magneten eignet sich jedoch die Mitte des Speicherkristalls f r das Anbringen des Magnetfeldes besonders 52 Kinetische Ene
180. ge dem explizit zeitabh ngige Wechselwirkung zugrunde liegt und der zwar die Energie aber nicht den Bewegungszustand des Neutrons ver ndert Beim Eintritt in ein station res F hrungsfeld wird sowohl der Erwartungswert der kinetischen Energie des Neutrons ver ndert Beschleunigung bzw Abbremsung als auch jener der potentiellen Energie Zeeman Aufspaltung Findet nun eine Wechselwirkung mit einem zeitabh ngigen Potential durch Wechsel der Zeeman Niveaus im Falle des HF Spin Flips statt bleibt die Impulsverteilung konstant nicht jedoch die potentielle Energie siehe Abschnitt 2 2 1 Die neue Gesamtenergie bleibt beim Verlassen des F hrungsfeldes wiederum erhalten Da die potentielle Energie auf ihr urspr ngliches Niveau zur ckgeht folgt daraus die in Abb 2 11 rechts dargestellte nderung der kinetischen Energie Gradienten Feld Flipper Eine Erweiterung des RF Flippers stellt der Gradienten Flipper dar Zus tzlich zu dem f r die Zeeman Aufspaltung verantwortlichen Magnetfeld Bo wird ein wenige Gauss star kes paralleles Zusatzfeld erzeugt dessen St rke r umlich konstant zunimmt Dies kann zum Beispiel durch eine eigene Spule oder durch geeignete Gradienten Polschuhe erreicht werden Der Gradienten Feld Flipper zeichnet sich durch eine h here Wellenl ngenunab h ngigkeit aus und eignet sich insbesonders f r kalte und ultrakalte Neutronen da hier aufgrund der geringen Intensit ten oft ein breiter Energiebereich verwendet wird
181. gerung mit der Energie der Neutronen Neutronen nahe der Bragg Bedingung erfahren eine hohe Anzahl an Reflexionen und tragen nur zu sp teren Pulsen bei SE much DE DEI 20 9 uch ba owns x 10 direct transit 22 3 ps Tp 7 158 5 ps Pulse intensity 1e il Aas 0 200 400 pm Time ips Abbildung 1 13 Ergebnis der Monte Carlo Simulation bei kurzen Pulsen Atp lt Tp Speicherung von X Rays in einem Siliziumresonator Ein passiver Perfektkristallspeicher nach Abb 1 10 b wurde von Liss et al 43 fiir X Rays realisiert Ein Si Kristall mit einer Oberfl chennormale entlang der 111 Ebene wurde so geschnitten dass zwei freistehende Platten im Abstand von 15 cm entstanden Abb 1 14 deren Dicke aufgrund einer leicht keilf rmige Form zwischen 50 um und 500 um variiert Dies erm glichte die Reflektivit t dieser Platten durch eine horizontale Verschiebung zu ver ndern Als X Ray Quelle diente der Undulator der Beamline ID28 des ESRF Greno ble Die Monochromatisierung des Strahl erfolgte mittels eines 888 Si Reflexes und einem Bragg Winkel von 89 865 wodurch sich eine Energie von 15 817 keV bei einer Aufl sung von 3 7 meV und einer Divergenz von 10 mrad Divergenz ergab ber den linearen Aus dehnungskoeffizienten von Silizium siehe Abschnitt 4 1 1 lies sich die Photonenenergie mittels Temperatur nderung variieren und so die Bragg Bedingung bestimmen Der Reso nator wurde in exakter R ckstr
182. gleich der Speichersysteme erm glichen Wei ters wurde ein bereits am Atominstitut vorhandener NMR Magnet verwendet Aus diesen Rahmenbedingungen zusammen mit dem Wunsch der Wartungsfreundlichkeit und Er weiterbarkeit entwickelt sich die Form des Vakuumgef es Der zur Verf gung stehende Experimentierbereich sowie die Position des Neutronenstrahls legten die Transport und Justiereinrichtungen sowie die Grenzen der Arbeitsplattfomen fest Der Hochfrequenzteil der Anlage musste ebenfalls an den zur Verf gung stehenden Platz im homogenen Mag netfeldbereich angepasst werden Da sich der Spin Flipper au erhalb des Neutronenleiters befinden muss wird seine Form durch den rechteckigen Querschnitt des Leiters definiert 4 1 Die Neutronenoptischen Komponenten Wie in Abschnitt 2 3 beschrieben definiert die Kombination aus Silizium Perfektkristall und Neutronenleiter das Speichervolumen sowohl im Orts als auch im Impulsraum W hr end des Speichervorgangs sind Neutronen einer Vielzahl von Reflexionen an diesen beiden Komponenten ausgesetzt Die Qualit t dieser Komponenten sowie ihre Abstimmung zu einander sind somit f r den eigentlichen Speichervorgang zwischen Bef llen und Entleeren des Speichers bestimmend 4 1 1 Der Perfektkristall Der Silizium Perfektkristall 36 37 38 stellt den dienst ltesten Teil der Anlage dar und wurde praktisch unver ndert aus dem Vorg ngerexperiment bernommen Um etwaige Oberfl chenverunreinigungen d
183. h ngigkeit des Magnetfeldes von Stromst rke a b und Spaltbreite c d bei serieller Schaltung a c sowie paralleler Schaltung b d der Spu len Die Abh ngigkeit von der Spaltbreite wurde bei I 20 12 A c bzw I 40 24 A d bestimmt 10 g o 2 v 2 5 S a a Strom Imax Abbildung 4 6 Die 1 Tesla Bedingung Durch Spaltbreite und Stromst rke definierter Arbeitsbereich in dem das gew nschte Magnetfeld von 1 0 1 T erreicht werden kann 108 _ 4 VESTA H 11x10 D 10 pt de o 9 ae 8 LA 7 27 6 Amp Mi zu 0 9 Tesla g 6 amp 5 d Se rs 4 SC a 2 sooo 3 3 Ze amp 2 1 D 27 0 strom A o T T T T T T T T o 5 10 15 20 25 30 35 40 Strom A Abbildung 4 7 Hysteresekurve in der Mitte des Spalts bei einer Spaltbreite von 9 cm aufgenommen mit der Hallsonde des BH15 Sonden ergaben sich bei einer Stromst rke von 27 6 Ampere 42 folgende Werte Sonde Position Magnetfeld Gauss AB Bell Spaltmitte 8990 8945 45 BH15 Spaltmitte 9000 8954 46 Bell Polschuh 8978 8932 46 BH15 Polschuh 9032 8986 46 Magnetfeldverlauf entlang der Neutronenflugbahn Neben dem Magnetfeld innerhalb des homogenen Bereichs welches f r die Energieaufspal tung der Neutronen Zeeman Effekt zust ndig ist ist auch das Streufeld des Magneten von Bedeutung Zum einen dient es als F hrungsfeld f r Experimente mit polarisierten Neutronen zum and
184. h direkt nach dem fokussierenden Endst ck befindet von Bedeutung Es sei hier angemerkt dass an VESTA kaum eine Zunahme an speicherbaren Neutronen messbar war Zwischen den Messwerten des Jahres 1996 vor dem Einbau und den Messwerten der deutlich besser justierten Speicheranlage im Jahre 1998 liegen nur etwa 10 Zunahme 3 1 Die gastgebende Forschungseinrichtung 73 Hydrogen moderator at Converging 36 37m from sample supermirror Diffraction detector bank guide Ad d 0 0025 Mica analyser bank Spectra 105 to 114 Spectra 54 to 104 or3to 12 Resolutions Mica 002 IueV Mica 004 4 ue Mica 006 I1ueV en Incident beam monitor Spectrum 1 Graphite analyser bank Spectra 3 to 53 Resolutions PG002 15peV PG004 50ueV Transmitted beam monitor Spectrum 2 E y In each detector bank the smallest spectrum number is associated with the smallest scattering angle Detectors at 175 eur Abbildung 3 4 Das Layout des gastgebenden Instruments IRIS bernommen aus 76 Disc choppers 10 50Hz Ni Ti Supermirror guide insert e Converging Ni Ti 13 Si Supermirror Guide es SB Tr Gain x 2 9 at 5A a Sample Position Moderator guide Pil Curved glass guid HO poe urved glass guide matched 25 jal 32mm 43mm io Om 1 7m 6 4m 33m 35 5m 36 54m Abbildung 3 5 Schematische Darstellung der IRIS Beamline aus 76 Der urspriinglich aus poli
185. hes beim Analysator aus zwei Eisenblechen und S ulen von Neodym Magneten 1 besteht Der Polari sator befindet sich in einem U Blech mit innenseitigen Magneten 2 und ist auf einem Drehtisch montiert 3 einen Polarisator werden Neutronen einer Spinrichtung absorbiert oder gestreut wodurch bereits 50 der Neutronen des urspr nglichen unpolarisierten Strahls f r die Messung verloren gehen Zus tzlich sind bei den verwendeten Polarisatoren nur etwa 50 der Ein trittsfl che f r Neutronen durchl ssig wodurch sich die Neutronenzahl jeweils weiter um die H lfte verringert Zusammen mit der etwas verl ngerten Flugstrecke ergibt sich so mit eine auf etwa 1 10 reduzierte Neutronenz hlrate am Ort der Detektoren Wird f r Im Anhang findet sich das au ergew hnliche Protokoll des ISIS Main Control Room MCR dieses Cycles das selbst langj hrige Benutzer erstaunte 154_ 5 Experimentelle Ergebnisse eine Messungen z B diverse Justierungen der gesamte vom Graphit Monochromator re flektierte Neutronenpuls verwendet ist diese Z hlrate v llig ausreichend und verhindert gleichzeitig ein berlastung der Detektoren Speicherexperimente die aus diesem prim ren Puls nur wenige Neutronen ausw hlen k nnen allerdings nur mit einem unpolarisierten Strahl effizient durchgef hrt werden da sich bei gleicher Statistik die Messzeit gem der verringerten Z hlrate verl ngert IRIS Beamline Abbildung 5 7 Adaptierung der
186. hirmung besteht aus einem Ni Ti Superspiegel Neutronenleiter vergleiche Abb 3 5 Danach durchlau fen die Neutronen zwei Disc Chopper im Abstand von 6 3 Meter bzw 10 Meter vom Moderator Diese Chopper bestehen aus einer mit neutronenabsorbierendem Material be schichteten drehbaren Scheibe in der ein ver nderliches Segment Blende f r Neutro nen durchl ssig ist Diese Chopper besitzen eine Arbeitsfrequenz von 50 25 16 6 und 10 Hz und eine variable Phase zueinander Dadurch l sst sich die durch ISIS vorgegebene Wiederholfrequenz von 50 Hz unterteilen und durch Einstellung von Phase und Blende jene Neutronen ausw hlen deren Energie in einem 2 breiten Wellenband liegen Nur diejenigen Neutronen durchdringen die Blenden und k nnen somit zur Probenposition ge langen deren Geschwindigkeit Energie ausreicht um seit ihrer Erzeugung den Abstand zu den Choppern zur ckzulegen Der zweite Chopper bei 10 Meter hat die Aufgabe zu verhindern dass schnelle oder langsame Neutronen eines vorhergehenden bzw nachfolgen den Neutronenpulses ebenfalls die Probe erreichen k nnen Frame Overlap Nach den Choppern treten die Neutronen in einen gekr mmten Neutronenleiter ein Die einzelnen Segmente des Leiters bestehen dabei aus 1 Meter langen Nickel beschichteten Glasplatten die zu rechteckigen Elementen mit 65x43 mm Innenma zusammengef gt sind Durch den Kr mmungsradius von 2 35 km tragen Gamma Strahlen und schnelle Neutronen die nich
187. hromator Beam Monitor Polarisator Speicherkristall mit Spinflipper im Magnetfeld Analysator Detektoren Nach dem Graphit Monochromatorkristall treffen die Neutronen beim Beam Monitor ein Wie in Abb 5 11 dargestellt liegt hierbei das Puls Maximum bei einer Zeit von 50 045 ms die Halbwertsbreite betr gt etwa 400 us Entsprechend der weiteren Flug strecke von 135 cm durchqueren die Neutronen bei 52 215 ms Pulsmaximum die Mitte TBei langen Speicherzeiten m ssen die mittleren Zeitkan le oft breiter gew hlt werden um mit der vorhandenen Anzahl an Kan len auszukommen Siehe auch Abschnitt 3 7 aus 38 Genau genommen dem korrespondierendem SMP Signal 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS 157 des Spin Flippers um nach insgesamt etwa 275 cm bei einer Zeit von 54 470 ms am Haupt detektor einzutreffen Die absolute H he der einzelnen Signale Counts microsecond ist INSTRUMENT VESTA USER JMR RUN NUMBER 1613 RUN START TIME 20 AUG 2002 15 08 03 SPECTRUM 1 2 3 4 PLOT DATE Mon 26 AUG 2002 14 40 46 TITLE Startup Cycle 02 02 c i 0 H U 2 N a Hauptdetektor S3 T SS 54470 ps S d A E m i i S i Nebendetektoren S2 S4 o Beam Monitor S1 s 50045 us e J c o I i n i d i 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 TIME microseconds vig Abbildung 5 11 Time Of Flight Spektrum Die Detektionszeit der ann hernd monoener getischen Neutronen in den verschiedenen Detektoren spiegelt ihre Flug
188. ht aus reichend geschirmtes Kabel vom Reaktortank zur Reaktorwarte In diese Leitung induzier te Radiofrequenzen wurden von der Sicherheitselektronik als Temperaturanstieg des Re aktors interpretiert was wiederum die sofortige Abschaltung Outlet Temperature Scram zur Folge hatte Auch die Tatsache dass in der Reaktorhalle alle Ger te die gleiche Erde benutzen erschwerte die Abschirmung der Anlage Als erfolgreichste Abschirmung wirkte ein gebogenes Aluminiumblech um den Resonanzkreis innerhalb des Magnetfeldes welches nur mit dem Ausgang des Signalgenerators verbunden war W hrend der Resonanzkreis au erhalb der Reaktorhalle mit voller Leistung betrieben werden konnte war trotz dieser teilweisen Abschirmung innerhalb der Halle nur ein Betrieb mit eingeschr nkter Leistung m glich Die sich daraus ergebende geringere Flip Wahrscheinlichkeit war aber f r die Bestimmung der Resonanzbedingung und den prinzipiellen Test der Komponenten ausrei chend F r die verschiedenen Resonanzmessungen wurde der Sweepmode des Signalgenera tors verwendet bei der die Frequenz nach At automatisch um die Schrittweite Af erh ht wird bis die obere Grenze des gesetzten Sweep Bereichs erreicht ist Anschlie end beginnt die Messung wieder bei der unteren Grenze Zeitgleich mit dem Signalgenerator wurde die MCSII Multichannel Messung der DEPOL Anlage gestartet Beide wurden auf eine Intervallzeit von 5 Sekunden dem Maximum des Signalgenerators eingestellt
189. ht mehr aufgel st werden k nnen und ber sie gemittelt werden kann 2 3 vereinfacht sich in diesem Fall zu 1 DIER Bezieht man zus tzlich die Absorption in die Berechnung der Reflektivit t des Si Perfekt kristalls ein erh lt man die in Abb 2 4 wiedergegebene Funktion Mit der in 37 verwen deten Definition von A nach 2r Nbe Ak 2 B 2 8 l sst sich 2 6 weiters schreiben als elle Darin driickt sich die Tatsache aus dass nur die Komponente des Wellenvektors parallel zum Gittervektor G in die Beschreibung des Reflexionsverhalten eingeht Dies hat die Konsequenz dass eine senkrecht zu G angreifende Kraft z B Gravitation keine Anderung der Reflexionswahrscheinlichkeit bewirkt 37 2 1 Der Perfektkristallspeicher 37 1 0000 0 99984 Ry 0 9996 Abbildung 2 4 Reflektivit t des Silizium Perfektkristalls unter Ber cksichtigung der Ab sorption Ubernommen aus 47 2 1 2 Reflexion an einem Neutronenleiter Bei Neutronenleitern verwendet man die aus der Lichtoptik bekannte Tatsache dass es aufgrund von unterschiedlichen Brechungsindizes zur Totalreflexion unter kleinen Einfalls winkeln kommen kann Der Brechungsindex f r Neutronen der Wellenl nge A welche auf ein Material der Streul nge b und der Atomzahldichte N auftreffen ist durch v 3 A Nbe aN n gt n E y 2 10 definiert In 2 10 ist die Tatsache ausgedr ckt dass die Absorption o au er bei stark absorbiere
190. hubkarte des Typs C 842 und entsprechenden LabView NI Treibern 4 6 u ere Justierung und Halterungen 139 Abbildung 4 36 Die Linearversteller des Typs M 126 bernommen aus dem Produkt katalog der Firma PI Kenndaten der Linearmotoren M 126 DC Fahrbereich 25 mm Max Geschwindigkeit 1 5 mm s Min Schrittweite 0 1 um Max Gewichtsbelastung 20 kg Bidir Wiederholbarkeit 2 um Max Zug Druck Kraft 50 N Unidir Wiederholbarkeit 0 2 um Encode Aufl sung 2000 Umdr Material Al St Masse 0 9 kg Fiir die Angriffspunkte der hinteren Neutronenleiterhalterung werden Schrauben mit federunterst tzten K pfen der Firma WDS Limited UK verwendet wodurch sich die Kraft bertragung auf den Leiter minimieren l sst Diese Schrauben sind in zwei Aus WDS 606 WDS 823 abe L 3 L GY m Vi VT ee k s Bi L 18 i te Abbildung 4 37 Die Halterungsschrauben des Typs WDS 606 und WDS 823 f hrungen lieferbar Der Typ 606 besteht aus einer Stahlk rper mit Kunststoffkopf bei dem sich die Federkraft mittels einer Imbus Innenschraube variieren l sst Bei dem Typ 823 bestehen sowohl Kopf als auch K rper der Schraube aus Edelstahl eine Einstellung der Federkraft ist nicht m glich Beide Typen wurden mit unterschiedlichen Gewindeweiten bestellt um einen m glichst flexiblen Aufbau zu gew hrleisten 4 6 u ere Justierung und Halterungen Die verschiedenen Halterungen dienen zum Ausrichten der Komponenten des Experiments
191. hwerbeton N Ny Abbildung 5 2 Die modifizierte DEPOL Anlage des Forschungsreaktors in Wien Um den bestehenden Versuchsaufbau m glichst wenig zu st ren wurde der Magnet hinter der optischen Bank positioniert und die Neutronen mittels einer Helmholtz artigen Spule zum Magneten gef hrt Es wurde der Strahl 2 mit einer Wellenl nge von 1 99 verwendet Homogener Position der a Magnetfeldbereich Spulenwindungen z cm 10 Abbildung 5 3 Berechnetes F hrungsfeld der rechteckigen Helmholtzspule Links Das resultierende Magnetfeld B als Summe der Einzelfelder Bei einem Spu lenabstand von 8 cm ergab sich ein homogener Bereich von ca 4 cm Rechts B des Spulenpaares in x z Ebene im Bereich von 5 bis 12 G Grau dargestellte Fl chen liegen ausserhalb dieses Bereichs 150 D Experimentelle Ergebnisse beiden Einzelfelder berechnet und somit der optimale Abstand der beiden Spulen bestimmt siehe Abb 5 3 F r einen Abstand der Einzelspulen von 8 cm ergab sich ein ausreichend homogener Bereich von einer H he von 4 cm Bei einer Stromversorgung von 6 A 15 5 V ergaben die je 20 Windungen ein gemessenes F hrungsfeld von 9 6 G Der verwendete Polarisator besitzt an seiner Stirnfl che ein Magnetfeld von zirka 220 G Die F hrungsspule wurde so positioniert dass sie wenige Zentimeter nach dem Polarisa tor begann und bis zu der u eren Spulenkante des NMR Magneten reichte Der Ana lysator wurde in einem geeigneten Abstand hi
192. i j IT Wellenl nge I i I Vesta 150 200 300 400 500 1000 1500 2500 Geschwindigkeit m s E Abbildung 3 2 Relation von Temperatur Energie Geschwindigkeit und Wellenl nge von Neutronen gem Gleichung 3 1 Abh ngig von der ben tigten Neutronenenergie wird f r ein Instrument ein Strahlrohr gew hlt welches Neutronen von einem bestimmten Moderator an das Instrument weiter leitet Dies spiegelt sich in der Anordnung der einzelnen Instrumente an ISIS wieder In Abb 3 3 sind die verwendeten Moderatoren farblich gekennzeichnet Neben der Produktion von Neutronen werden an ISIS auch Myonen siehe Abb 3 3 erzeugt Bevor der Protonenstrahl auf das Haupttarget trifft durchdringt er noch ein Graphit Target Intermediate Target 7 Ein kleiner Teil der Protonen trifft dabei auf Kohlenstoffatome und erzeugt kurzlebige Pionen die mit einer Halbwertszeit von 26 ns in Myonen zerfallen Diese Myonen werden in zwei Beamlines der EC Muon Facility und RIKEN Japan verwendet Zus tzlich gab es noch ein deutsches Projekt KARMEN 8 das sich der Untersuchung der bei der Spallation entstehenden Neutrinos widmete Entwicklungen an ISIS Derzeit finden an ISIS grundlegende Neuerungen statt Neben einer Erneuerung der Ionen quelle und einer Aufr stung des Linearbeschleunigers wird auch das Synchrotron durch den Einbau zweier zus tzlichen Segmente Second Harmonic RF Cavities auf 300 wA h aufger stet
193. ich diese Spaltprodukte f r einen Nachweis mit herk mmliche Detektoren Die Detektion von schnellen Neutronen basiert zu einem gro en Teil auf den bereits beschriebenen Methoden Oft werden diese Neutronen durch St e mit einem Moderator material thermalisiert um anschlie end mit einem herk mmlichen Detektor f r langsame 18 Einleitung Neutronen registriert zu werden Eine m gliche Bauform ist hierbei die so genannte Bon ner Kugel die aus einem 20 25 cm dicken kugelf rmigen Moderator besteht der einen He Detektor oder Szintillator in seinem Zentrum umschlie t Durch Verwendung verschieden dicker Moderator Kugeln lassen sich hierbei Aussagen ber das vorherrschende Neutro nenspektrum treffen Im Rahmen dieses Projekts kommen sowohl He Z hlrohre und Szintillator Detektoren als auch die Bestimmung des Neutronenflusses mittels Goldfolienaktivierung zum Einsatz 1 2 Energie von Neutronen Obwohl die Masse des Neutrons grundlegend f r seine Eigenschaften ist wird im allge meinen mit dem Begriff Energie nur die kinetische Energie des freien Neutrons verbun den Da die meisten Experimente in der Neutronenoptik mit relativ langsamen Neutronen durchgef hrt werden f r die v c lt 107 gilt sind relativistische Effekte meist zu ver nachl ssigen Die Energie eines Neutrons ergibt sich somit zu Mnv2 2 see 1 2 Diese Energie ist gem der von De Broglie aufgestellten Theorie mit einer Wellenl nge A h h
194. icht die von je einer Kondensatorbank gespeist werden Nach einem Magnetpuls wird mit Hilfe der in 3 2 beschriebenen R ckschwingspulen die Energie Ladung dieser Kondensato ren zu etwa 80 wiedergewonnen und steht f r weitere Magnetpulse zur Verf gung Ein kontinuierliches Laden der Kondensatoren ist nicht vorgesehen die Spannung am Kon densator nimmt zudem mit zunehmender Zeit seit dem Laden ab Dies bedeutet dass f r gO A VESTA einen nachfolgenden Puls aufgrund der reduzierten Kondensatorladung nur ein verringer tes Magnetfeld erzeugt werden kann Abb 3 20 a zeigt den zeitlichen Verlauf von sechs hintereinander ausgel sten Magnetpulsen am Ort des hinteren Kristallspiegels W hrend 1 2 lt 1 0 D E e uls Fa Puls 3 1 0 5 F 7 Puls A Vi Puls5 m H Vi Puls6 os 4 s z T 06 4 a E os bh E 0 4 4 0 2 4 D 0 0 T T T T T 1 0 0 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5ms 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 Zeit B T Abbildung 3 20 Zeitlicher Verlauf des Magnetfeldes an der Position des zweiten Silizium spiegels f r sechs aufeinander folgende Magnetpulse a Theoretische Kurve und Messwerte der Transmission Wahrscheinlichkeit T B von Neutronen durch den Siliziumspiegel in Abh ngigkeit der Magnet feldst rke b bei dem ersten Puls noch ein Magnetfeld von 1 1 Tesla erreicht wird steht f r den zweiten Puls nur noch ein Maximalwert von 0 8 Tesla f r die Enerigie nderung der Neutronen zur Verf gung Mit jedem weiteren
195. iden jedoch noch vor dem Atzen des Kri stalls durchgef hrt F r diesen Fall reduziert sich die Reflektivit t signifikant zu 0 9964 Dies zeigt die Bedeutung des Atzens bei dem die durch das Schneiden verursachten Span nungen im Kristall behoben werden Speicherung von Neutronen innerhalb eines vibrierenden Siliziumkristalls Einen v llig anderen Weg der Speicherung von Neutronen mit Perfektkristallen gehen Hock et al in 42 Ein 10 cm langer Si Kristall 30 mm wurde in 111 Geometrie ge schnitten und mittels zweier Piezokeramikscheiben zu Schwingungen angeregt Die Eigen frequenz des Kristalls wurde mit 44 78 kHz vermessen was einer Schallgeschwindigkeit von 8956 m s entspricht Die Energieverteilung der einfallenden Neutronen wurde mit Hilfe eines 111 Si Kristall Doppler Drives zwischen AE 0 35 ue Monochromator in Ru he und AF 7 4 eV 6 Hz Betrieb ver ndert Es wurden sowohl Neutronenpulse mit a4 Mt i mpe re le gem Ja puha with when e AG sum of ahen pulse responses nt Pulsintensit t Counts 10 sm SE SD Time us Time us Abbildung 1 12 Transmittierte Intensit t eines rechteckigen Pulses mit einer Pulsl nge Atp 3 ms gt Tp 22 3 us und einer Energiebreite von AF 0 35 weV Bei Resonanzanregung wird das Maximum der transmittierten In tensit t 250 us sp ter als bei ruhendem Kristall erreicht Analog erh ht sich die Intensit t am Ende des Pulses f r etwa 250 us
196. ie Auswirkungen der durch 2 18 beschriebenen Energie nderung von Neutronen in statischen Magnetfeldern auf das Reflexionsverhalten an Perfektkristallen Beim Eintreten der Neutronen in das Magnetfeld wird ihre kinetische Energie gegenl ufig zu der nderung ihrer potentiellen Energie ver ndert F r den Wellenvektor k bedeutet dies eine Verschiebung gem p fag h2 Reflektivit t y Parameter Abbildung 2 11 Darstellung der Verschiebung des Reflexionsparameters im Magnetfeld Neutronen die sich ohne Magnetfeld im Totalreflexionsbereich befinden werden aufgrund der nderung ihrer Wellenvektoren aus diesem Bereich verschoben Wie in Abb 2 11 dargestellt bedeutet dies dass Neutronen die urspr nglich im To talreflexionsbereich des Perfektkristalls gelegen sind durch das Magnetfeld aus diesem Bereich verschoben werden Aus der Sicht des Perfektkristalls bedeutet dies dass seine Re flexionskurve zu h heren bzw niederen Energien verschoben wird Abb 2 12 Ausgehend von 2 9 ergibt sich die nderung des y Parameters Magnetfeld in Richtung Flugrich tung der Neutronen in 2 zu D Mn Us B kp Ay y y sho ee 2 2 y y y Hoes ND k 2 25 F r dicke Kristalle folgt aus 2 7 unter Vernachl ssigung der Absorption R T 1 T ist 2 2 26 Da sich durch Anlegen des Magnetfeldes der y Wert der Neutronen um den Betrag Ay ndert muss auch T y durch T y Ay ersetzt werden Die integrale Transmi
197. ie im verwendeten NMR Magneten B E 25 bereits vorhandenen Zusatzerregerspulen erfolgen Durch Abschalten der Zusatzspule wird der Resonanzfall wieder hergestellt Mit dieser Methode lassen sich beliebige Schalt folgen realisieren die vom Anschwingverhalten des Resonanzkreises unabh ngig sind Bei einem m glichen Einsatz von VESTA an kontinuierlichen Neutronenquellen erscheinen die daraus resultierenden M glichkeiten besonders interessant Allerdings ist zu beachten dass sich die zur Stabilisierung des Magnetfeldes verwendete Hallsonde derzeit im nun ver nderlichen Magnetfeld Bo Bpc befindet und ein l ngerer Betrieb des Spin Flippers die Notwendigkeit einer K hlung mit sich bringen kann Die verwendete Arten des Pulsens Bei VESTA II wird derzeit das Austasten des Signalgeneratorpegels mittels seines BLANK Eingangs verwendet Generiert wird das hierf r n tige 5 V Signal durch die von VE STA I bernommene Steuerelektronik SCE siehe Abschnitt 3 3 sowie 37 Abschnitt 5 5 Durch die hnlichkeit der Experimente konnte die Hardware weitgehend unver ndert bernommen und durch ein adaptiertes Steuerprogramm VCP 2 1 f r das neue System eingesetzt werden In Analogie zu den gepulsten Elektromagneten werden die Signale MS1 und MS2 nun zur Generierung des BLANK Signals verwendet Hierzu war es jedoch not wendig die differenziellen MS Signale auf TTL zu konvertieren Dies geschieht durch die in Abb 4 21 skizzierte Konverterbox Togg
198. ie sich durch den jahrelangen Einsatz und die Lagerung an Luft gebildet haben k nnen zu beseitigen wurde der Kristall vor seinem neuerlichen Einsatz von E Seid am Atominstitut neu ge tzt Als zentrale Komponente gibt der Kri stall die Rahmenbedingungen f r jede Neukonstruktion vor Es entbehrt nicht einer gewissen Ironie dass sich der Prototyp eine ganze Dekade an ISIS behaupten konnte w hrend die Zukunft von VESTA I nach seiner erfolgreichen Installation noch immer ungewiss ist 4 1 Die Neutronenoptischen Komponenten _ IM 1063 mm Abbildung 4 1 Die neutronen optischen Komponenten der Anlage Der Silizium Perfekt kristall 1 sowie der Neutronenleiter 2 mit der Cut Out Sektion 3 zur Aufnahme der RF Spule Siliziumkristalle werden gro technisch hergestellt und sind in L ngen von mehr als einem Meter und Durchmessern von mehreren Zoll verf gbar Diese Kristalle erf llen die Bedingung eines Perfektkristalls n mlich au er punktf rmigen keine Gitterfehler aufzu weisen Dadurch wurde es m glich die f r den Speicher n tigen parallelen Kristallspiegel aus einen monolithischen Kristall zu gewinnen Der von M Schuster S Kemisso und E Seidl am Atominstitut der sterreichischen Universit ten geschnittene und bearbei tete Speicherkristall besteht aus zwei freistehenden Endplatten mit einer Plattenfl che von 30x52 mm die durch eine gemeinsame Kristallbasis 30x20x
199. ieder entlassen werden Im sogenannten Puls Modus wird die Dauer des freigegebenen Anregungssignals mittels eines Potentiometers in der Signalkonverter Box f r alle Pulse gleich eingestellt Der Vorteil liegt in der Tatsache dass nur die H lfte der Signale ben tigt wird Daher eignet sich diese Methode besonders f r die gleichzeitige Speicherung mehrerer Neutronenpulse Im folgenden werden beide Betriebsarten demonstriert 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS 163 4 amp r B 14000 20000 4 Flipper inaktiv aod Flipper Be inaktiv x g EI S 10000 2 15000 4 a Flipper aktiv 2 8000 4 2 5 2 10000 4 E sooo z Flipper aktiv zZ Z 4000 4 5000 4 2000 4 2 ga T T T 1 50 60 70 80ms 53 5 54 0 54 5 55 0 55 5ms Detektionszeit Detektionszeit Abbildung 5 17 Die Wirkungsweise des gepulsten Spin Flippers Der Flipper wird f r 500 us w hrend des ersten eintreffenden Pulses betrieben Der nachfolgende Puls kann als Referenz herangezogen werden und ist rechts mit einem zeitlichen Offset von 20 ms grau eingezeichnet Der Monitor gr n be findet sich vor dem System soda seine Z hlrate unbeeinflu t bleibt Demonstration des Toggle Modus Die Wirkungsweise des Toggle Modus kann durch den Versuch 1634 demonstriert wer den in dem zwei aufeinander folgende ISIS Pulse unterschiedlich beeinflusst werden W hrend sich der bei 54 ms eintreffende Neutronenpuls im Spin Flipper befand wur de die A
200. in gekennzeichnet Speicher Koordinatensystem F r die Beschreibung des Speichervorgangs insbeson ders in der Computersimulation wird das in 37 eingef hrte Koordinatensystem verwendet In ihm entspricht die z Achse der Bewegung der einfallenden ISIS Pul ses und gleichzeitig der L ngsachse des Neutronenspeichers Die x Achse weist in Richtung der Gravitation Die y Achse verl uft horizontal positive Werte entspre chen eine Bewegung vom IRIS Leiter weg vergleiche Abb 3 25 Auch das statische Magnetfeld Bo verl uft entlang der y Achse 2 4 Diskussion des Spinflippers Im Folgenden m chte ich die Einfl sse verschiedener Variablen auf die Flip Wahrscheinlich keit betrachten Wie aus 2 32 ersichtlich ist die Flip Wahrscheinlichkeit im wesentlichen eine Funktion des statischen Magnetfeldes Bo der Wellenl nge A der Geschwindigkeit der Neutronen der Frequenz und der Amplitude des RF Feldes Dt sowie der Spulenl nge l Als Ausgangspunkt wird eine Spule mit einer L nge von 10 cm angenommen die sich in einem homogenen Magnetfeld von 1 T befindet und ein Radiofrequenzfeld von 2 2 G produziert Die zum Finden der Resonanzbedingung ma gebliche Beziehung ist die in 2 33 enthal tene Frequenzbedingung Der lineare Zusammenhang zwischen Frequenz und Magnetfeld Res 29 165 10 Bo erm glicht es frei zu w hlen ob die Frequenz oder das Magnetfeld ver ndert wird Da der zur Erzeugung des Hochfrequenzfeldes verwendete Schw
201. in Gleichung 2 32 erfolgen In der Praxis stehen die Parameter Bo By sowie w zur Verf gung Neben der zuverl ssigen Wiederherstellung der Resonanzbedingung ist vor allem die er reichbare Schaltzeit On Off von Bedeutung Da die Beeinflussung der Neutronenenergie zum F llen und Leeren des Systems durch die selbe Spule in der Speichermitte stattfin det m ssen diese Schaltzeiten unter jener Zeit liegen die die Neutronen brauchen um nach der Reflexion an dem Siliziumkristall wieder in den Spin Flipper einzutreten lt 1 5 ms Bei der gleichzeitigen Speicherung mehreren Neutronenpulse verk rzt sich diese Zeit auf die Spanne bis zum Eintreffen des n chstm glichen Pulses Je nach Zahl und Ab stand der gespeicherten Pulse kann dies im Bereich von einigen hundert us liegen Um die in Abschnitt 2 5 beschriebene Mehrfachpulsspeicherung zu erm glichen wird von dem verwendeten Pulssystem eine hohe Flexibilit t verlangt Im folgenden werden verschie dene realisierbare M glichkeiten des Pulsens diskutiert Bei hohen Anforderungen an die gew nschten Schaltzeiten k nnen diese Schaltarten auch miteinander kombiniert werden 5Insbesonders die Chopper sowie die CCR K hlaggregate von IRIS tragen zu einem relativ hohen St rungspegel nahe dem Messplatz bei 4 3 Das Hochfrequenzfeld Ss Unterdriickung des Signalgenerator Ausgangs Der verwendete Signalgenerator SMY01 verfiigt iiber einen TTL Eingang BLANK welcher ein Austasten des Ausga
202. inetischen Energie die sich an das jeweilige Experiment anpassen l sst eignet sich das Neutron zur Messung von Phononen und angeregten Zust nden Durch seine De Broglie Wellenl nge die etwa im Bereich von 1 bis mehrere hundert liegen kann lassen sich Neutronen her vorragend zur berpr fung von quantenmechanischen Aussagen verwenden So wurde es beispielsweise durch die Entwicklung des Neutroneninterferometers 6 m glich die Phase zwischen zwei Wellenzust nden zu messen und zu kontrollieren Die gro e r umliche Tren nung der beiden Beam Pfade erlaubt hierbei jeden Zustand getrennt durch magnetische Felder oder sogenannte Phasenschieber zu beeinflussen Das wohl gr te Problem bei der Forschung mit Neutronen liegt in ihrer geringen Fluss dichte Selbst modernste Forschungsreaktoren oder Spallationsquellen bieten im Vergleich zur Synchrotronstrahlung nur bescheidene Intensit ten Eine Erh hung der Neutronen anzahl durch Verst rkung der Quelle ist mit hohen Kosten und technischen Problemen wie W rmeabfuhr Strahlenschutz verbunden Obwohl sich derzeit weltweit mehrere leistungsstarke Quellen in Bau befinden bedeuten die geringen Intensit ten und die daraus resultierenden langen Messzeiten nach wie vor eine Einschr nkung der Forschungsm glich keiten Ziel der Instrumentierung an Neutronenquellen ist daher nach immer neuen Wegen zu suchen die vorhandenen Neutronen effizienter zu nutzen Grundgr en des Neutrons Mn
203. ingkreis jedoch auf eine spezielle Frequenz optimiert ist und bei Ver nderung dieser Frequenz der 5S0 werden bei einem 25 Hz Betrieb der Chopper meist 40 ms lange Frames verwendet 2 4 Diskussion des Spinflippers 55 Abbildung 2 20 Flip Wahrscheinlichkeit fiir ein konstantes Magnetfeld Bo von 1 Tesla Spulenl nge 10 cm in Abh ngigkeit der Resonanzfrequenz in MHz und der Amplitude des RF Feldes De in Gauss LRRD BRE Ro N SS RR Lav SC 77 S R Le Wy eat RR H VW WW WA NN RS INS ek MM Gi SC 3 LOM wee LA RR d SL d nt dt d X x IN d 7 k i Ly SC RN DR i MR N de IN AN N AR Adr NIX NN EH K n OR N YY BO OR LAM N N N IN RL OR Ko A Rs Q ae LY 2 Q Abbildung 2 21 Abh ngigkeit der Flip Wahrscheinlichkeit vom Magnetfeld Bo in Gauss am Beispiel der sp ter verwendeten 23 05 MHz und der effektiven Spu lenl nge in cm f r ein B r von 2 2 Gauss 56 A Physikalische Grundlagen Stromfluss innerhalb der Spule beeinflusst werden kann ist eine Variation des Magnet feldes nahe liegend Wie in Abb 2 22 dargestellt ergibt sich fiir die oben angegebenen Variablen eine Halbwertsbreite der Resonanzbedingung von 1 8 G bez glich Bo Dies ent spricht einer Halbwertsbreite von 5 kHz Diese Bedingung stellt hohe Anforderungen an die Stabilit t des Systems 1 0 1 0 S og Z 08 E 3 E 3 E o 3
204. inkels Werden Vibrationen auf den Neutronenleiter iibertragen kann es zudem zu einer Anderung der Richtung und der Energie eines an ihm reflektierten Neutrons kommen Dieser zweite Effekt diirfte fiir den Einfluss auf die Neutronenspeicherung der dominierende sein Abb 3 22 zeigt das an der Kristallplatte vermessene Frequenzspektrum aufgenommen mit einem Lasermessger t der Firma Ometron Vibrometer VH300 welches die Dopp lerverschiebung eines Lasers zur beriihrungsfreien Messung verwendet und bei einem Ein fallswinkel von 90 arbeitet Aufgrund der geringen Masse der Siliziumplatten und den am Ort der Platten herrschenden hohen Magnetfeldern war eine Messung der Vibrationen mit Ber hrungssensoren oder Messungen die auf kapazitiven oder induktiven Verfahren beru hen nicht m glich Auch die Triangulationsmessung bei der ein Laser unter einem Winkel von dem vibrierenden Objekt auf einen positionsaufl senden Detektor gelenkt wird konn te aufgrund der Position der Elektromagnete nicht verwendet werden Zum Zwecke der 3 3 Ein Speicher Namens VESTA 93 Abbildung 3 22 An einem Kristallspiegel gemessenes zeitaufgel stes Frequenzspektrum Die durch das Pulsen der Magnete induzierte Hauptfrequenz bei 1690 Hz klingt innerhalb von etwa 200 300 ms ab Nebenfrequenzen zeigen sich bei 1770 Hz sowie 2150 Hz bernommen aus 40 Vibrationsmessung an den Siliziumspiegeln mussten die Endst cke des Vakuumgef es entfernt werden Dies
205. inzelnen Glasplatten sowie seine Wel ligkeit und Micro Rauhigkeit siehe Abschnitt 4 1 2 3 3 2 Einbau eines Hochgeschwindigkeits Shutters Da die Breite der Reflexion des Pyrolitischen Graphits deutlich gr er als die des Silizium kristalls ist treten die meisten vom Monochromator reflektierten Neutronen ungehindert durch den Speicher durch Im TOF Spektrum treffen diese ISIS Pulse im Abstand von 20 ms bei den Detektoren ein und verursachen einen hohen Untergrund der nur f r etwa zwei Millisekunden auf einen relativ geringen Wert sinkt Um eine Detektion gespeicherter Neu tronen zu erlauben muss die Speicherzeit sorgf ltig gew hlt werden sodass die Neutronen in diesem Zeitfenster bei den Detektoren eintreffen Das sich dieser Bereich geringen Unter grunds durch nderungen an den IRIS Chopper Phase Settings verschiebt 38 muss die geeignete Traversenzahl f r jede Messung neu bestimmt werden Um diese Einschr nkung in den Speicherzeiten aufzuheben wurde im Rahmen einer weiteren Diplomarbeit 39 von D E Schwab ein Hochgeschwindigkeits Shutter HISS zwischen Monochromator und erster Speicherplatte installiert Im Vergleich zu einem Chopper bietet ein Shutter den Vorteil dass ffnen und Schlie en zu einem beliebigen Zeitpunkt durch zwei unabh ngige Signale erfolgen kann Somit kann ber zwei Parameter im Steuerprogramm f r jeden Versuch ein geeignetes Schaltverhalten des Shutters frei gew hlt werden Eine eigene Syn chronisation
206. ion Detection and Measurements John Wiley and Sons New York 2000 E Fermi and W H Zinn Reflection of neutrons on mirrors Phys Rev 70 103 1946 V F Sears Neutron Optics Oxford University Press 1989 A G Klein and A Zeilinger Wave optics with cold neutrons ILL Workshop on Reactor Based Fundamental Physics J physique 45 C3 239 1984 181 182 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Literaturverzeichnis F Mezei Novel Polarized Neutron devices Supermirror and Spin Component De vices Communications on Physics 1 81 85 1976 R Hock T Vogt J Kulda Z Mursic H Fuess and A Magerl Neutron backscatte ring on vibrating silicon crystals experimental results on the neutron backscattering spectrometer IN10 Z Physik B 90 143 153 1993 W Gavin Williams Polarized Neutrons Clarendon Press Oxford 1988 G Badurek H Rauch and A Zeilinger Dynamic Concepts in Neutron Polarization Z Physik B 38 303 311 1980 S M ller and G Badurek Loss free polarization of pulsed neutron beams Applied Physics A 74 231 2002 Gerald Badurek Habilitation Physik polarisierter Neutronen Technische Univer sit t Wien 1982 G Badurek Fast Inversion of Neutron Spin Nuclear Instruments amp Methods 189 543 553 1981 G Badurek A Kollmar A Seeger and W Schalt Use of a drabkin spin resonator in inverted geometry
207. is Wie in Abb 4 32 skizziert k nnen bei der Berechnung der Biegelinie die auf den Speicherkristall wirkenden Kr fte in einzelne 14Der Kristall sollte prinzipiell nur in dem Kristallbett transportiert werden Bei Trennung von Kristall und Kristallbett ist auf die korrekte Positionierung der Auflagefl chen zu achten 15Es ist zu berlegen ob das Material des Kristallbetts auf Kunststoff oder Kohlefaser ge ndert werden sollte 134 4 VESTA HU Se Aluminium d 10mm KS Peal GE M8 Raster M4 Se Gee Bi SE E e 34 x 34 mm 44 e S S Geer 37 6 400 mm 220 mm 180 mm Aan Abbildung 4 30 Die Dimensionen der inneren Auflageplatten welche mit einem 34x34 mm M4 Lochraster versehen wurden Die M8 Schrauben dienen zum Befestigen der Kristallbetthalterung die blau gezeichneten 6 mm L cher zur Befestigung am Boden des Vakuumgef es Y 630 mm 53 Le gt i j amp Y 4 2 ee See Q a 100 150 150 100 y gt Le y Gummi Auflage Si Kristall a 8 a eH 1 4 i R i HS EE an Ha 200 200 e _ 1200 a N P an Auflage Kristallbett Kristallbett Abbildung 4 31 Aufsicht und Seitenansicht des Messing Kristallbetts zur Aufnahme des Speicherkristalls sowie Seitenansicht der Aluminiumhalterungen Die Po sition der Auflagepunkte
208. ischer Energie F r den Impuls P hV sowie die potentielle Energie gilt hierbei BUM bm BR 40 E Biet ae D e BE V 40 2 2 Neutronen in Magnetfeldern _ A Im Falle einer reinen Zeitabh ngigkeit des Magnetfeldes wird auch der Hamilton Operator zeitabh ngig H t V jt B 2 24 OH d dE Fe Gin x0 folgt dass die Gesamtenergie in rein zeitabh ngigen Feldern nicht erhalten bleibt w hrend der Impuls unter der Annahme der r umlichen Homogenit t VB t 0 erhalten bleibt Aus F Se S PHO Lag SV ug BOQ 0 Die nderung in der Energie E muss somit aus einer nderung der potentiellen Energie stammen 2 LE BOHA A BUNT 0 Die Erkenntnisse aus diesem Abschnitt lassen sich in Abb 2 10 zusammenfassen Ekin Energie gt tn mm 2 16 EIS Energie _ gt Abbildung 2 10 Energie nderung in r umlich oder zeitlich ver nderlichen Magnetfeldern Links In zeitlich konstanten Magnetfeldern bleibt die Gesamtenergie er halten Eine nderung der potentiellen Energie erfolgt auf Kosten der kinetischen Energie Rechts In zeitlich ver nderlichen r umlich konstan ten Magnetfeldern bleibt die kinetische Energie erhalten Eine nderung der potentiellen Energie f hrt somit zu einer nderung der Gesamt energie 44 2 Physikalische Grundlagen 2 2 2 Einfluss von statischen Magnetfeldern auf die Reflektivitat Betrachten wir nun d
209. ist die Abweichung des Wegintegrals entlang z f r m gliche y Werte bez glich einer Integration entlang der z Achse als Kontur Plot in 0 1 Schritten eingezeichnet Querschnitts des Leiters Die in Abb 4 16 zus tzlich angedeutete Kurve 4 entspricht bei dem derzeit verwendeten Neutronenleiter keiner m glichen Flugbahn illustriert jedoch die Abh ngigkeit des Magnetfelds vom Abstand zur z Achse eindrucksvoll Der Neutronenlei ter beschr nkt somit die Abweichungen von verschiedenen Kurven zueinander Entscheidend f r den Wert der Flip Wahrscheinlichkeit ist jedoch nicht der eigentliche Verlauf des Magnetfeldes sondern das Integral f B x y ds welches das Neutron entlang seiner Flugbahn versp rt 53 Insbesonders die Abweichungen verschiedener Flugbahnen zueinander k nnte die erreichbare Flip Wahrscheinlichkeit des Spin Flippers beeinflussen Eine Berechnung des effektiven Magnetfeldes kann nur in einer frequenzabh ngigen Ana lyse des Schwingkreises erfolgen Um diesen Effekt jedoch absch tzen zu k nnen wurden die statischen Wegintegrale entlang z f r verschiedene Werte von z y numerisch berechnet und mit dem Wegintegral entlang der z Achse verglichen In Abb 4 16 sind diese Abwei chungen f r im Inneren des Neutronenleiters m glichen Werte als Kontour Plot in 0 1 Schritten eingezeichnet Es zeigt sich dass die Abweichungen weniger als 0 4 betragen und somit keinen ma geblichen Einfluss auf die Flip Wahrscheinlichkeit haben s
210. itor P S 1000 Se 5 800 Polarisiert 5 5 600 b a 400 Pa 200 oe o oi en Kant degen tte nn P e ne en T T T T T T T Uu T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T 1 50 60 70 80ms Detektionszeit 400 5 400 a b 300 4 300 s 2 200 4 I 200 2 2 100 4 100 Un nam Seege P 57 5 58 0 58 5ms 67 7 67 8 67 9 68 0 68 1 68 2 68 3 68 4ms Detektionszeit Detektionszeit Abbildung 5 22 Speicherung polarisierter und unpolarisierter Neutronen Die Bereiche der entkommenen Neurtronen a und der gespeicherten Neutronen b sind hervorgehoben Analysator nicht durchdringen Erst Neutronen deren Spin beim Entleeren des Speichers erneut invertiert wurde erreichen somit den Detektor Die in der unpolarisierten Messung entkommenen Neutronen treten alle 3 37 ms auf ihre Anzahl nimmt aber in den ersten 3 4 Traversen stark ab siehe Abb 5 23 Traversen xl x2 x3 x4 Flipper Neutronen 1451 308 237 4040 Ein deutlicher Peak entkommener Neutronen findet sich auch bei 78 ms Hierbei handelt es sich um eine berlagerung der nach 7 Traversen entkommenen Neutronen mit Neutro nen welche aus dem zweiten ISIS Puls 75 ms stammen und somit nur eine Speicherzeit von einer Traverse besitzen x 1b 6 Traversen 20 24 ms Auch ohne den Betrieb des Spin Flippers besteht eine gewisse Chance f r Neutronen aus den R ndern des Aktzep tanzbereichs f r wenige Reflexionen im Speicher zu verbleiben Eine Untersuchung di
211. ittels langer Schlingen genutzt werden 4 6 u ere Justierung und Halterungen e Al Diese besteht aus einer 15 mm dicken Aluminiumplatte 1 die durch zwei 40x40x4 mm Edelstahl Profilrohre 3 zus tzlich versteift wurde Die untere Plattform ruht auf dem drehbaren Teil des Magnetdrehgestells 2 und kann somit gemeinsam mit dem Ma gneten um 360 rotiert werden Fixiert wird die Plattform am Drehgestell mittels vier Eu ees EE u ee si oF u 3 vi Abbildung 4 39 Die untere Plattform und Vakuumgef Halterung in verschiedenen An sichten Aluminium Platte 1 Drehgestell Z12 des Magneten 2 Stahl prohilrohre 3 R der zum Einf hren des Vakuumgef es 4 Gewindeschrauben Auf der Aluminiumplatte wird ein Gestell aus ITEM Profilen 80x 40 mm montiert bestehend aus zwei Rahmen auf beiden Seiten des Magneten sowie einem 80x80x1400 mm Balken der durch das Joch des Magneten ragt Dieser Balken ist mit einer Serie von 2x14 R dern versehen die es erm glichen das Vakuumgef bei eingezo genen Magnetpolschuhen in den Magneten einzuf hren Durch verstellbare F e an den Rahmen kann das Gef auf die Mitte des Magneten angehoben werden Dadurch werden die R der entlastet und der Balken mit den Transportr dern kann entfernt werden Option Vibrationsd mpfung Momentan
212. k nnte bei geeigneter Verz gerung der erste und zweite Puls der Magnete zur standardm igen Doppelpuls Speicherung verwendet werden Messungen mit parallel und antiparallel gepolten Magne ten zeigten keinen Einfluss der Feldrichtung auf die gespeicherte Neutronenintensit t Qualit t des Vakuums Obwohl der Vakuumpumpstand der Anlage f r Hochvakuum ausgelegt war konnte in Verbindung mit den restlichen Komponenten nur ein Enddruck von etwa 1 1073 mbar erreicht werden Der Grund daf r liegt zum einen im Vakuumgef selbst Insbesonders die aufgeklebten Si Endplatten wurden bei Lecksuchen regelm ig bem ngelt Durch die geringen Toleranzen innerhalb des Magnetjochs musste der aufgebrachte Kleber bis auf ein Minimum reduziert werden um zu gew hrleisten dass sich Vakuumgef und Magnet joch nicht ber hren Zum anderen liegt der Grund sicher in der zu langen und zu engen Verbindungsleitung L nge ca 2 m Innendurchmesser 40 mm zwischen Pumpstand und 3 3 Ein Speicher Namens VESTA e HN Vakuumgef die das tats chliche Saugverm gen drastisch reduzierte Auch die insgesamt sechs O Ringe die jeweils zwischen Plexiglas und Edelstahl dichten mussten reduzierten den erreichbaren Enddruck Die beschr nkte Dichtheit des Vakuumgef sses wird auch durch Abb 3 23 verdeutlicht in der der Druckanstieg im Inneren nach Schlie en eines Ventils zwischen Gef und Pumpe als Funktion der Zeit aufgetragen ist Innerhalb der ersten Stund
213. kuumgef befestigt das an dieser Stelle mit einem 22 mm hohen und 25 mm breiten Edelstahlring verst rkt ist Im Bereich der Dichtungsnut und der Schraubenl cher besitzen die Magnet feldfenster eine Dicke von 16 mm Im Bereich der Polschuhe betr gt die Dicke 8 mm wodurch sich der minimale Polschuh Abstand zu 84 mm ergibt und somit innerhalb der 1 Tesla Bedingung Abb 4 6 liegt Gleichzeitig ergibt sich dadurch der innere Ab Bei Anbringen der Hallsonde erh ht sich der minimale Polschuh Abstand auf etwa 90 mm 130 _ d VESTA HU stand zwischen den Magnetfeldfenstern zu 68 mm Die Magnetfeldfenster erlauben einen Zugang zu den Stirnfl chen der Magnetpolschuhe ohne das Vakuumgef zu entfernen Dies erm glicht sowohl den Polschuh Abstand zu kontrollieren als auch die f r die Steue rung des Magneten notwendige Hallsonde anzubringen Weiters wird die Option er ffnet speziell geformte Zusatz Polschuhe oder Zusatzspulen anzubringen um das homogene Ma gnetfeld zu beeinflussen Bei Bedarf kann sowohl die Dicke als auch das Material der verwendeten Fenster ver ndert werden Um Neutronen den Durchtritt zu erm glichen besitzt das Vakuumgef an beiden Enden spezielle Aluminiumfenster Abb 4 26 2 3 Sie bestehen aus je einem 15 mm Al Flansch in dessen Mitte ein entsprechender rechteckiger Bereich auf 2 mm Dicke reduziert wurde Die Dimensionen des Eintrittsfensters betragen 56x65 mm die des Austrittsfen sters 60x80 mm Z
214. l sung verwenden zu k nnen Der Steuercomputer wurde auf eine DEC 3000 Model 400 aufger stet Durch das Betriebssystem Upgrade auf VMS V7 2 1 ist die Node vesta nd rl ac uk nun ein vollwertiger Teil des ISIS VMS Clusters Die Steuerelektronik SCE wurde ebenfalls mit den in Abschnitt 4 3 5 beschriebenen nderungen vom Vorg ngerexperiment bernommen Diese nderungen spiegeln sich ins besonders in der neuen Version 2 1 des Steuerprogramms VCP Vesta Control Program wider Die ehemals f r getrennte gepulste Magnete verwendeten Signale MS1 und MS2 steuern nun beide ber die Konverterbox den Spin Flipper an Eine Beschreibung des ur spr nglichen Steuerprogramms findet sich in 37 Anleitungen zum Erstellen der neuen Steuerfiles VCP21 dat findet sich in 82 Ein Beispiel eines kompletten Steuerfiles mit einer kurzen Beschreibung der einzelnen Eintr ge findet sich zus tzlich im Anhang B Experimentelle Physik ist das was noch nicht funktioniert Deswegen braucht man Physiker H Rauch Experimentelle Ergebnisse In diesem Kapitel werden die mit der neuen Anlage gewonnen Messwerte vorgestellt Die im Rahmen dieser Arbeit durchgef hrten vorbereitenden Messungen mit der urspr nglichen Anlage sind in Kapitel 3 eingegliedert Da sterreich derzeit ber keine leistungsstarke Neutronenquelle verf gt werden die Mes sungen des Atominstituts in der Regel an entsprechenden Gro forschungsanlagen in Euro pa durchgef hrt Im
215. l 2w IE t 2u l 2w h 2v t 2u h 2v 1 2w Gg t 2u l 2w h 2v t 2u h 2v 1 2w 192 t 2u 1 2w A Formelsammlung h 2v t 2u h4 2v EE t 2u lI 2w h 2v a t 2u h 20 l 2w ee t 2u I 2w h 2v 4 t 2u h 2v l 2w a t 2u 1 2w h 2v 4 t 2u h 2v 1 u A t 2u 1 2w h 2v 4 t 2u h 2v 1 u H h 2v l 2w SS GG 2at 4 2u h 2v l at ee h 2v l 2w j t 2u 4 t 2u h 20 l 2w 2 h 2v l 2w t 2u t 2u h 20 l 2w DR h 2v I 2w t 2u t 2u h4 2v 4 14 2w e h 2v l 2w SH t 2u 1 t 2u h 20 l 2w une h 2v l 2w ae t 2u t 2u h 2v 4 l 2w See h 2v l 2w bo t 2u t 2u 4 h 2v 14 2w an h 2v l 2w t 2u 4 t 2u PAS 20 20 Zusammengefasst l sst sich dies schreiben als B poNI An 1 arctan k m n 0 t 1 2u 5 1 2v l 1 2w E t 1 2u h 1 2v l A 3 B 1 Verwendete Konstanten Allgemeine Naturkonstanten Tabellen Die f r Berechnungen verwendeten Naturkonstanten Soweit nicht anders vermerkt sind diese Werte aus CODATA 98 bernommen asi 6 62606876 52 1 054571596 82 299 792 458 1 60217646
216. l umgewandelt und an das Instrument Crate der DAE weitergegeben wird Gem ihres zeitlichen Eintreffens bez glich des ISIS SMP Signals werden die Detektionssignale nun in Zeitkan le eingeteilt und ber das DAE System Crate an den Hauptrechner weitergegeben Die Breite der Zeitkan le kann softwarem ig eingestellt werden VESTA Detektorsystem Detektor Spektrum Beschreibung Art Hochspannung V Vestal 3 Hauptdetektor He 3 Gas 1225 Channel 16 Vesta2 2 Side Detector Fence He3 Gas 1340 Channel 17 Vesta3 4 Side Detector Beam He3 Gas 1340 Channel 17 Vesta4 1 Beam Monitor Scintillator 1050 Channel 18 4 7 1 Datenerfassung und Steuerelektronik Fiir die Datenerfassung der TOF Spektren wird die bereits an VESTA I erprobte und im Abschnitt 3 3 beschriebene DAE Data Acquisition Electronic verwendet Hierbei handelt 144 VESTA H KC 1 E200mV OFF 1 1 NOTRIG H200m 0C 1 BH SVOFF1i 1 MAN 28008 01Y TRIG Ar 2D1Y MANUAL USE Sun PREVIOUS NEXT USE Sun PREVIOUS NEKT SETUP SCREEN SCREEN SCREEN SETUP SCREEN SCREEN SCREEN Abbildung 4 43 Detektionssignal vor links und nach des Diskriminatorkarte rechts Man beachte die unterschiedliche Zeitskala es sich um eine ISIS spezifische Elektronik die an den meisten Experimenten zum Einsatz kommt Im Vergleich zu fr heren Beschreibungen 37 38 wurde lediglich der Speicher des System Crate erh ht um bei l ngeren Speicherzeiten eine feinere Zeitauf
217. lb der SCE Wenn aus der Sicht der SCE ein Frame beendet werden kann im Allgemeinen wenn die Neutronen nach ihrer Speicherung wieder entlassen wurden fordert sie die DAE mittels des FRAME STOP Signals zur Beendigung des Durchlaufs auf Wieder mit dem n chsten SMP synchronisiert deaktiviert die DAE darauf das DAS Signal unterbricht die Datenaufnahme und wartet auf das n chste FRAME START Signal bis das RUN Signal von der SCE deaktiviert wurde Ausgehend von dieser Synchronisation mit der DAE bernimmt nun die SCE den eigentli chen Steuerprozess des Neutronenspeichers Zu diesem Zweck kann jeder der 3 Einsch be der SCE mit Hilfe von je 30 Z hler Bausteinen 16 Bit sowie eines 10 MHz Oszillators eine Reihe von zeitlich geordneten Signalen generieren Fin Teil der Z hler wird hierbei zum Unterteilen der Board Basisfrequenz 10 MHz verwendet um l ngere Zeitinterval le zu erm glichen Die Generierung der Signale im Steuerprogramm ist wiederum in 3 Untergruppen Cycle eingeteilt Mit einem Parameterfile k nnen die verschiedenen zur Verf gung stehenden variablen Zeiten Txy sowie die Clock Frequenzen mit denen sie realisiert werden sollen eingestellt werden Um gr tm gliche Flexibilit t zu erreichen kann ber eine Reihe von Steckern Jum per das SCE Board in einen von vier Moden gesetzt werden Dies beeinflusst den Beginn der einzelnen Zeiten zueinander Je nach dem gew hlten Modus 1 4 beziehen sich die Werte von T01 bi
218. le und Puls Modus Die von E Jericha entwickelte Konverterbox erm glicht das BLANK Signal auf zwei ver schiedene Arten Toggle Puls zu erzeugen Im Toggle Mode wird das BLANK Signal von einem beliebigen MS Signal MS1 oder MS2 aktiviert und von dem darauf folgenden MS Signal deaktiviert Die Dauer des Signals ist somit durch die Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden MS Signalen definiert Im Pulse Mode wird das BLANK Signal eben falls durch ein beliebiges MS Signal aktiviert jedoch deaktiviert sich das Signal nach einer gewissen Zeitspanne selbst Die Dauer des Signals wird hierbei mittels eines Potentiome ters im Inneren der Konverterbox eingestellt Jeder dieser Moden bietet Vorteile Kann bei der ersten Methode die Dauer jedes einzelnen Spin Flipper Pulses frei gew hlt werden kommt man bei der zweiten Methode mit der H lfte der zu sendenden Signale aus Beides ist von Bedeutung wenn man mehrere Pulse gleichzeitig speichern will In Abschnitt 5 2 6 werden beide Moden demonstriert und ihre Verwendung diskutiert Eine weiterf hrende Beschreibung der Konverterbox insbesonders Anmerkungen zum Einstellen der verschie denen Moden findet sich in 82 Die Signale CHARGE und CCS Signal entfallen die Signale FRAME START FRAME STOP sowie DAS bleiben in ihrer urspr nglichen Bedeutung erhalten 4 3 Das Hochfrequenzfeld DG SEQ BLANK De S TM amp Mode gt PM BM lt Mode gt SM AOPO TMS
219. leichzeitig ist die Orts und Impulsverteilung der gespeicherten Neutronen zu einem beliebigen Zeitpunkt zug nglich In Kombination mit dem Experiment welches die Ergebnisse der Simulation verifiziert l sst sich somit der gesamte Speichervorgang analysieren 2 1 1 Reflexion an einem Perfektkristall Betrachten wir die Reflexion eines Neutrons an einer Perfektkristallplatte Unter der An nahme dass die f r die Reflexion verantwortlichen Netzebenen parallel zur Oberfl che orientiert sind ihr Normalvektor senkrecht auf die Oberfl che steht ist die Voraus setzungen f r den symmetrischen Bragg Fall gem Abb 2 2 gegeben k sowie k seien die Wellenvektoren des einfallenden und des reflektierten Neutrons In erster N herung wird die Reflexion von Neutronen durch die aus der klassischen Optik bekannten Bragg Bedingung n B 2 dnt sin Op 2 1 beschrieben Sie verbindet den Gitterebenenabstand dru der fiir die Reflexion verantwort lichen Netzebenen mit dem Einfallswinkel 0g und der reflektierten Wellenl nge Ag n steht f r die Ordnung der Reflexion Die Bragg Bedingung besagt somit dass ein Neutron mit Wellenl nge Ag genau dann reflektiert wird wenn es unter einem Winkel von dr einf llt und bei jedem anderen Winkel transmittiert wird F r die Neutronenspeicherung wird der Einfallswinkel nahe 90 gew hlt wodurch sich der Betrag des Wellenvektors kg welcher 2 1 Der Perfektkristallspeicher 35 z 0 Abbild
220. len oder sehr langsamen Neutronen eines vorhergehenden oder nachfolgenden Pulses Kontinuierliche Neutronen quellen lassen sich mit Hilfe von Choppern in gepulste Quellen verwandeln Da jedoch 20s Einleitung _ Energy Selector Nimonic Disc Fermi Chopper Chopper Chopper Abbildung 1 2 Schematische Zeichnung verschiedener Neutronenchopper Bauformen links sowie eines Energieselektors rechts ein Chopper einen gro en Anteil der Neutronen absorbiert und den Strahl zerhackt kommen an kontinuierlichen Quellen oft Energieselektoren zum Einsatz deren Prinzip in Abb 1 2 dargestellt ist Durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit kann die Energie der transmittierten Neutronen ausgew hlt werden die Breite des Spektrums FWHM nach dem Selektor liegt typischerweise bei 10 20 Wird ein schm lerer Energiebereich ben tigt kommen oft Monochromatoren zum Ein satz welche die Reflexion von Neutronen an Kristallen ausnutzen Die Untersuchung dieser Reflexionen erfolgt im Rahmen der Neutronenoptik 1 3 Neutronenoptik Optische Ph nomene wie Reflexion Brechung Beugung und Interferenz sind keineswegs auf Licht beschr nkt Unter geeigneten Bedingungen lassen sich diese Ph nomene mit jeder Art von Strahlung erzeugen Beginnend mit der Beobachtung der Reflexion von Neutronen durch Enrico Fermi und Walter Zinn 1946 15 wurden in den folgenden Jahren praktisch alle Ph nomene der klassischen Optik f r Licht oder R ntgenstrahlen
221. lle Ergebnisse 5 2 3 Bestimmen der Resonanzbedingung Die Resonanz Beziehung zwischen Frequenz und statischem Magnetfeld ist durch Glei chung 2 33 gegeben Die Bestimmung der Resonanzbedingung kann wie in Abschnitt 2 2 3 behandelt sowohl durch Variation der Anregungsfrequenz fres oder durch Variation des statischen Magnetfeldes Bo ermittelt werden Im folgenden werden beide Messar ten demonstriert In einem zweiten unabh ngigen Schritt kann danach der Spulenstrom Amplitudenbedingung siehe n chster Abschnitt angepasst werden Als Ausgangspunkt f r die Messung der Resonanzbeziehung dient der aus 2 33 be rechnete Wert 23 05 MHz 7903 G Jedoch ist zu beachten dass die Messung des Magnetfeldes au erhalb des Vakuumgef es nahe dem Polschuh stattfindet und sich somit eine Abweichung AB des angezeigten Wertes zum tats chlichen Feld am Ort der Spule ergibt Zus tzlich kann noch eine systematische Abweichung der Hallsonde beste hen wodurch der Korrekturterm abh ngig von dem angelegten Magnetfeld sowie von der Temperatur wird Somit ergibt sich die Gleichung f r die Resonanzbedingung der Anlage zu 5 1 in der AB B T die anlagenspezifische Korrektur des gemessenen Magnetfeldes widerspiegelt Ze Lin AB B T res h F r die folgenden Messungen wurde der Ausgang der Diskriminatorkarte des Hauptde tektors Vestal S3 mit einem Z hler Philips PM665 timer counter verbunden und die Impulse f r je 10 Sekunden addiert
222. ls Speicherung besonders die Abst nde 60 ms und 80 ms sowie die Abst nde 200 ms und 220 ms Die Pulse bei 60 ms und 200 ms werden gerade an den Kristallplatten reflektiert w hrend die Pulse 80 ms und 220 ms jeweils gerade auf eine Kristallplatte zulaufen und sich erst nach ihrer Reflexion wieder in Richtung Speichermitte bewegen werden Sollen drei oder mehrere Pulse gespeichert werden ist zu beachten dass sich bei jedem Befiillen kein bereits gespeicherter Puls der Speichermitte n hert Abb 2 32 zeigt den Fall dass der Speicher mit drei Pulsen im Abstand von je 40 ms befiillt wird Dies entspricht etwa dem 25 Hz Betrieb von IRIS W hrend der dritte Puls gerade die Speichermitte erreicht berlagern sich die beiden bereits gespeicherten Pulse r umlich Da sich die ein zelnen Komponenten allerdings in unterschiedliche Richtungen bewegen kommt es dabei zu keiner Erh hung der Phasenraumdichte Eine halbe Millisekunde sp ter bewegen sich alle drei Pulse wieder r umlich getrennt in Richtung Detektoren Der in Abb 2 32 oben bereits gespeicherte Doppelpuls 40 80 ms stellt gleichzeitig den in Abb 2 26 skizzierten Fall dar Beide Pulse befinden sich au erhalb des Flippers in der der Quelle zugewandten Speicherh lfte und k nnen durch einen langen Flipperpuls in Richtung Detektoren entlassen werden Die Entwicklung des Viennese nEutron STorage Apparatus Das Speicherexperiment VESTA blickt auf eine langj hrige Entwicklungsgeschichte
223. ls auch bei VESTA I der Fall war ein nicht zu untersch tzendes Problem dar Freistehende Platten erm glichen zudem eine flexible Weiterentwicklung der Anlage wie das nachtr gliche Anbringen zus tzlicher Magnetfelder zur Beeinflussung der Reflek tivit t Der Nachteil des gew hlten Einkristalls liegt in der dadurch fixierten Geometrie Ein Ver ndern des Plattenabstandes und die damit verbundene Variation der Neutro nenflugzeiten ist nicht m glich Auf Grund seiner speziellen Form ist beim Hantieren mit dem Speicherkristall u erste Vorsicht geboten Dies gilt insbesonders beim Einsetzen und Entfernen des Neutronenleiters Die f r die Speicherung von Neutronen charakteristischen Gr en sind im Abschnitt 2 4 von 37 berechnet und werden in Tabelle 4 1 mit den jeweils angegebenen Literaturquellen wiedergegeben Charakteristische Gr en Silizium Gitterkonstante Si dog 5 43102032 34 A 86 Teilchenzahldichte Ng 4 99396741 94 Ju 16 Koh rente Steul nge be 4 150 2 fm 87 Reflexion hkl 111 333 Netzebenenabstand d 3 1356014 20 1 04520035 7 A Wellenl nge A 6 27120209 39 2 09040070 13 A Wellenvektor kg 1 00191083 6 3 00573250 19 A Geschwindigkeit UB 630 82487 39 1892 4746 12 m s Energie Ep 2 0800479 15 18 720431 14 meV Debye Waller Faktor ce 0 9886 3 0 9021 21 Therm Gitterfaktor foc 1 43049 36 1 5676 36 Charakt Lange A 11 006 6 36 184 85 um Pendell sungsl nge Ao kg 34 577 19
224. m glich zumal dank dem flexiblen Innenaufbau des Speichers nur geringe Umbauarbeiten notwendig sind Dies h tte weitreichende Konsequenzen Da der Abstand der Kristallplatten nun nicht mehr ein fixes Vielfaches des Kristallebenenabstandes betragen w rde k nnte eine vergleichen de Messung einen Beitrag zur Diskussion des Resonator Charakters des Speichers liefern Auch k nnten verschiedene Kristalle eingesetzt werden die nicht in der f r den kompletten Speicherkristall ben tigten Dimension erzeugt werden k nnen etwa Ge Kristalle oder ver schiedene Dotierungen siehe auch 69 Wellenl nge und Speicherzeit w ren somit ber den verwendeten Kristall Reflex und Kristall Abstand auf unterschiedliche Experimente einstellbar Da insbesonders bei der Konstruktion des Vakuumgef es auf Flexibilit t und War tungsfreundlichkeit Wert gelegt wurde k nnen Umbauarbeiten nun rasch und ohne Beein flussung mancher bereits get tigter Justierungen erfolgen Der gesamte innere Versuchsauf 179 bau ist ber einen einzigen Deckel zug nglich und kann bei Bedarf auch als Ganzes aus dem Gef entfernt werden Der erreichbare Druck wurde dank des neuen Vakuumgef es und der verbesserten Pumpenanordnung um 3 Gr enordnungen auf 1076 mbar gesenkt Ne ben einer Reduzierung der Streuung von Neutronen an Luft Molek len erm glicht die ver besserte Dichtheit des Vakuumgef es auch die Verwendung von kontrollierten d nnen Testgasen All dies
225. m glichen Status Bits findet sich in der folgenden Tabelle Diese Bit Folge muss vor dem Einsetzen in das Steuerprogramm noch in eine Dezimalzahl konvertiert werden 5Genau genommen bezieht sich der SMP auf die mit ISIS synchronisierten IRIS Chopper welche wie derum durch den ISIS Master Puls gesteuert werden Ein SMP unterbleibt wenn sich der Chopper nicht in korrekter Phase befunden hat 6Mit einem 16 Bit Z hler lassen sich Zeiten von 2 f MHz us realisieren 3 3 Ein Speicher Namens VESTA Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Monitor Enable Abbildung 3 15 Schema der Z hler bei den vier verschiedenen SCE Moden Die Zeitin tervalle T11 T02 T03 starten alle synchron mit dem ersten SMP Signal nach Erhalt des RUNNING Signals Mode 1 hebt die Unabh ngigkeit der verschiedenen Cycle hervor T12 und T13 starten mit dem n chsten SMP nach TOx In Mode 2 ist T12 an T21 gekoppelt Cycle 3 bleibt unabh ngig Mode 3 verbindet T13 mit T22 w hrend T12 mit dem betreffenden SMP Puls beginnt Mode 4 schlie lich verkn pft alle drei Cycle T12 startet nach T21 und T13 nach T22 Die Signale TM und TE sind unabh ngig der Wahl des Modus 83 84 A VESTA Signalabgabe entsprechend dem Cycle Status Bit Beschreibung DO Aktivierung des Cycle D1 Sendet Signal fiir Magnet 1 nach Tli D2 Sendet Signal fiir Magnet 2 nach T2i D3 Sendet Detector enable Signal nach TMi Ziel dieser Aufteilung ist eine hohe Flexibilit t in der Wahl
226. m Wechselfeld stellen die Bedingungen in Wien h here Anforderungen an den Reso nanzkreis Bei gleicher Spulengeometrie und Resonanzfrequenz werden deutlich h here Str me innerhalb der Spule ben tigt um eine entsprechende Spininversion zu erhalten Wird bei 2 A eine Flip Wahrscheinlichkeit von ca 30 der Neutronen erreicht kann man gem Gleichung 2 34 davon ausgehen dass das f r den normalen Betrieb von VESTA notwendige Wechselfeld erreicht ist 5 1 1 Der Forschungsreaktor Wien Der seit 40 Jahren erfolgreich in Wien betriebenen Forschungsreaktor ist ein TRIGA Mark II der Firma General Atomics der f r die Ausbildung Forschung und Isotopenpro duktion konzipiert ist Bei diesem Reaktortyp handelt es sich um einen pulsbaren For schungsreaktor in Schwimmbeckenbauweise der in seinem Kern etwa 80 Brennelemente tr gt Durchmesser 3 75 cm L nge 72 24 cm die aus einer homogenen Mischung von jeweils etwa 8 Gew Uran 20 70 Anreicherung an U2 1 Gew Wasserstoff und 91 Gew Zirkonium in Form von Zirkonhydrat bestehen Die Moderation der schnel len Spaltneutronen findet sowohl im Tankwasser als auch im Zirkonhydrat statt Dieses hat die Eigenschaft mit zunehmender Temperatur schlechter zu moderieren wodurch der Reaktor einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und die Kettenreaktion der U Spaltung zum Stillstand kommt Diese Eigenschaft bietet nicht nur einen hohen Schutz gegen Reaktorunf lle sondern kann auch f r di
227. m gebauten Signalsteuerungs elektronik f r das neue System und der Unterst tzung bei den Messungen in England Durch sein st ndiges Interesse an diesem Projekt sein immer offenes Ohr f r meine Ideen und durch unz hlige Diskussionen hat er ma geblich zum Gelingen dieser Arbeit beige tragen Mein Dank gilt auch meinen Kollegen Dagmar Elisabeth Schwab und Rudolf Loidl f r ihre wichtigen Beitr ge zu diesem Projekt im Rahmen ihrer Diplomarbeiten Guillaume Evrard f r seine Arbeiten an der Computersimulation sowie P Katrik f r seine Unterst tzung bei dem Hochfrequenzteil der Anlage Bei meinen weiteren Kollegen am Atominstitut Mario Villa Yuji Hasegawa Hartmut Lemmel Menekse Bast rk Matthias Baron bedanke ich mich f r die Schaffung eines sehr guten Arbeitsklimas und den zahlreichen Diskussionen die zur Erweiterung meines physikalischen Weltbildes beitrugen Am Rutherford Appleton Laboratory gilt mein Dank John Tomkinson f r seine Betreuung und administrative Unterst tzung im Rahmen meiner Anstellung Stellvertretend f r die jeweiligen Arbeitsgruppen m chte ich mich bei Kevin Knowles Computersupport Julian Norris Datenerfassung Nigel Rodes Detektoren sowie Zoe Bowden User Support be danken Mark Telling danke ich f r den Beweis dass eine Koexistenz von VESTA und IRIS partnerschaftlich m glich ist Ein besonderer Dank geht an Colin Carlile der als ehemali ger Instrument Scientist von IRIS die Installation des Ne
228. magnetic fields Phys Rev B 4142 1973 A Zeilinger and C G Shull Magnetic field effects on dynamical diffraction of neu trons by perfect crystals Phys Rev B 19 3957 1979 B Alefeld G Badurek and H Rauch Longitudinal Stern Gerlach Effect with Slow Neutrons Physical Letters 83A 1 32 1981 D E Schwab Neutron Energy Focusing by means of Magnetic Fields PhD thesis TU Wien 2002 S Ikeda and J M Carpenter Wide energy range high resolution measurements of neutron pulse shapes of polyethylene moderators Nucl Instr and Meth A 239 536 1985 M R Jakel C J Carlile E Jericha D E Schwab and H Rauch New Measurements with a Perfect Crystal Cavity for Neutrons In EUV X Ray and Neutron Optics and Sources page 353 SPIE Vol 3767 1999 E Jericha H Rauch M Schuster and C J Carlile VESTA A new beamline for cold neutron storage experiments on ISIS ICANS XII 1 118 Rutherford Appleton Laboratory Report 94 025 1994 M Schuster E Jericha C J Carlile and H Rauch A cold neutron storage device and a neutron resonator Physica B 180 181 997 1991 M Schuster C J Carlile E Jericha and H Rauch Towards a perfect crystal resonator SPIE Neutron Optical Devices and Applications 1738 406 1992 E Jericha C J Carlile and H Rauch Performance of an improved perfect crystal neutron storage cavity Nuclear Instruments amp Methods in Physics Research A 379 330 334 1996 E Jeri
229. mes pro Run betrachtet Werfen wir dazu einen Blick auf den Ablauf eines Gleichzeitig spiegeln sie aber auch die mit den gepulsten Magnetfeldern erreichte Transmissionswahr scheinlichkeit von etwa 70 wieder 170 D Experimentelle Ergebnisse 400 VESTA II 20 min 300 200 Neutronen 10 us VESTAI 36 min 100 T T T T T T T T T T T T T T T T 1 66 0 66 5 67 0 67 5 68 0 68 5 69 0ms Detektionszeit Abbildung 5 24 Vergleich einer Messung bei 4 Traversen mit neuer 1659 und alter 610 Anlage Die ben tigte Messzeit ist in Minuten angegeben Die unterschiedliche Position der Neutronenpeaks 1 ms ergibt sich durch die etwas verl ngerte Flugstrecke der neuen Anlage im aktuellen Aufbau Frames Der Speicherversuch beginnt mit dem ersten erzeugten ISIS Puls SMP Signal nach dem die Synchronisationselektronik ihre Bereitschaft zur Datenaufnahme signalisiert hat W hrend sich der ISIS Puls entlang des Neutronenleiters bewegt passieren zwei Pulse die bereits vorher erzeugt wurden das Instrument Die Datenerfassung erlaubt im Moment allerdings keine Nutzung dieser Pulse Mit dem Eintreffen des Neutronenpulses an VESTA bei 54 ms beginnt die Speicherzeit die zwischen wenigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden betragen kann Etwa 20 ms wird nach der Speicherung f r die Synchronisation ISIS Pulse 20 ms Intervall IL ITT NM TTT NM See Laufzeit Speicherzeit Datenerfassung Ladezyklus 54 ms ms s c
230. mes pro Sekunde erreicht werden bewegten sich die Werte des alten Speichers im untersuchten Bereich 10 bis 4200 ms zwischen 0 435 und 0 122 Frames pro Sekunde Dies entsprach 2 3 bis 8 2 Sekunden pro Frame F r kurze Speicherzeiten konnte somit eine verbesserte Strahlausnutzung um den Faktor 19 erreicht werden Die relative Verbesserung der Strahlausnutzung als Funktion der Speicherzeit ist in Abb 6 2 wiedergegeben 5 2 11 Zeitliche Variation des ersten Speicherpulses Abschlie end m chte ich noch eine weitere Messung pr sentieren die mit polarisierten Neutronen durchgef hrte wurde Bei dieser Messung wurde der Spinflipper zum Bef llen des Speichers f r 300 us betrieben Der Anfangszeitpunkt der Flipperpulse wird f r jede Messung um jeweils 100 us nach hinten verschoben Nach jeweils 4 Traversen werden die Neutronen durch einen 700 us langen zeitlich fixen zweiten Puls aus dem Speicher entlassen In Abb 5 28 ist das Ergebnis dieser Messung dargestellt Die h here gr ne Kurve ent spricht dem ISIS Puls aus dem die gespeicherten Neutronen entnommen wurden Deutlich ist die Wirkung des Spinflippers dessen Ein und Ausschaltzeitpunkt jeweils durch verti kale graue Linien symbolisiert werden auf die Form dieses Neutronenpulses sichtbar Um einen direkten Vergleich zu erm glichen werden die gespeicherten Neutronen die gem ihrer Speicherzeit um 13 493 ms verz gert bei den Detektoren eintreffen mit einem zeitli chen Offset in de
231. n Zur Erzeugung von Neutronen kann die Bremsstrahlung von Elektronen aus Beschleu nigern wie Synchrotron oder Betatron verwendet werden Die auf diese Weise erzeug ten Photoneutronen weisen eine kontinuierliche Energieverteilung auf Ein Beispiel ist der e n Prozess in Uran der 107 Neutronen pro Elektron mit 30 MeV erzeugen kann Durch Erh hung der Elektronenenergie kann diese Ausbeute deutlich gesteigert werden Typische Neutronenausbeuten sind in der Gr enordnung von 10 Neutronen pro Sekunde Eine weitere Methode ist die Beschleunigung leichter Kerne Bereits mit kleinen elektro statischen Laborbeschleunigern lassen sich die d n Reaktionen in Deuterium und Tritium zur Neutronenproduktion einsetzen d H gt He n 3 26 MeV d H tHe n 17 59 MeV So wird etwa mit Deuteronen im Niedrigenergiebereich von 100 300 keV eine Aus beute von Neutronen der Gr enordnung 10 pro Sekunde erreicht Da die Energie der unter einem Winkel 0 emittierten Neutronen En durch den Zusammenhang 4 En Ea 2 2 Eq En cos 0 3Q mit der Energie der auftreffenden Deuteronen Ey korreliert lassen sich mit dieser Methode monoenergetische Neutronen erzeugen Beispielsweise liefern 300 keV Deuteronen unter einem rechten Winkel bei Verwendung eines Deuteriumtargets Neutronen mit einer Energie von 2 5 MeV bei Verwendung eines Tritiumtargets Neutronen mit 14 MeV Da mit steigender Energie des beschleunigten Deuteriums auch der Untergrund von
232. n Mit den in Abb 4 25 angegebenen Dimensionen und ei ner Dichte von 2 7 g cm ergibt sich seine Masse zu 15 5 kg Mit etwas bung kann der Deckel unter Verwendung der beiden abnehmbaren Griffe von einer Person entfernt wer den Da sich die Nut f r den Dichtungsring im oberen Ring des Vakuumgef es befindet ist der Deckel auf seiner Unterseite plan gefr st Beim Abnehmen und bei der Lagerung des Deckels ist somit besonders darauf zu achten dass die Unterseite nicht besch digt wird Neben dem Hauptdeckel an seiner Oberseite besitzt das Vakuumgef an seinen Sei tenw nden zwei Fenster f r Neutronentransmission zwei Magnetfeldfenster einen Blind flansch einen Adapterflansch zum Anschluss der Vakuumpumpe sowie zwei Durchf hrungen elektrischer Leitungen Die Position der Seitenfenster ist dabei so gew hlt dass eine opti sche Kontrolle der Speicherkristall Platten in Abb 4 24 blau eingezeichnet nach Abnah me eines einzelnen Flansches erm glicht wird Die Aluminium Fenster 110 mm II D Abbildung 4 26 Die Aluminiumfenster des Vakuumgef es Ein Magnetfeldfenster 1 sowie das Austrittsfenster 2 und Eintrittsfenster 3 des Neutronen strahls Die in Abb 4 26 1 dargestellten Magnetfeldfenster aus Aluminium dienen zum Dichten des Vakuumgef es im Bereich des homogenen Magnetfeldes Bo Sie haben einen u eren Durchmesser von 360 mm und werden von innen mit 16 M6 Schrauben am Va
233. n entsprechenden Anpassungswiderstand besitzt In beiden Jochschenkeln ist ein Weicheisenzylinder eingepa t auf den je drei mitein ander parallel geschaltete K hlscheiben aufgeschraubt sind Durch die gro en Durchfluss kan le besteht nur eine geringe Verkalkungs bzw Verschmutzungsgefahr Zus tzlich kann 106 4 VESTA HU die Durchflu menge der einzelnen Spulen mittels der durchsichtigen Verbindungsstiicke optisch kontrolliert werden F r die K hlung des Magneten ist normaler Wasserleitungs druck ausreichend Der maximale Betriebsdruck des Magneten liegt bei 3 bar werksm ig gepr ft auf 6 bar bei einer maximalen Durchflu menge vom 20 l min Als praktisch aus reichende Durchflu menge wird 10 15 l min bei ca 1 5 kg cm angegeben Auf der R ckseite des Magneten ist am unteren Steg ein Schaltkasten angebracht der die Zu und Abflu leitungen des K hlwassers enth lt Auf der Vorderseite des selben Steges befindet sich ein gleichgro er Schaltkasten in dem die elektrischen Anschl sse in einer Schraubenklemmleiste zusammengefasst sind Nach Abnahme des Deckels auf dem das Datenschild angebracht ist kann die Schaltung der Magnetspulen durch Auswechseln der berbr ckungsdr hte zwischen parallel und seriell variiert werden Bei Parallel schaltung der beiden Hauptspulen darf der maximale Strom Imax im Dauerbetrieb 40 Ampere nicht berschreiten Bei Serienschaltung reduziert sich Imar auf 20 Ampere Dies entspricht b
234. n 54x72 mm Die Effizienz eines solchen Detektors f r Neutronen einer bestimmten Wellenl nge l sst sich aus der Effizienz der einzelnen Z hlrohre sowie der effektiven Dicke der An ordnung ableiten Abb 4 42 a zeigt die Effizienz verschiedener Gasz hlrohre als Funkti on des Gasdruckes der effektiven Dicke sowie der Neutronen Wellenl nge Durch ihre in Abb 4 41 dargestellte Anordnung der drei Z hlrohre ergibt sich eine effektive Dicke des gesamten Detektors gem Abb 4 42 b Bei einer Detektordicke von mindestens 2 cm und a wor b 5o EFFICIENCY fe d mm MESSER PERS j 0 l l PRR dra zu fi SE 20 10 0 10 20 Ype mm Abbildung 4 42 Effizienz eine Z hlrohrs als Funktion des Gasdruckes der effektiven Dicke und der Neutronen Wellenl nge 35 a effektive Detektordicke der drei Z hlrohre als Funktion des Horizontalabstandes von der Detektormitte YDet b einem F lldruck von 4 Bar betr gt die Detektionswahrscheinlichkeit f r 6 Neutronen ann hernd 100 ber das gesamte Detektionsfenster ber ihre Vorverst rker sind die Detektoren sowohl mit der Hochspannungsversorgung als auch mit der Datenerfassung DAE verbunden Als Hochspannungsquelle dienen die Kan le 16 18 des an IRIS verwendeten LeCroy HV4032A High Voltage Power Systems Die in unmittelbarer N he zum Detektor montierten Vorverst rker bertragen das Detek torsignal an die Diskriminator Karten wo es in ein logisches Signa
235. n Festk rpern eignen sich besonders kalte und thermische Neutronen deren Wellenl nge im Bereich der Gitterabst nde und deren Ener gien im Bereich der Phononen liegen Aufgabe der Instrumentierung an Neutronenquellen ist nun dem jeweiligen Experiment genau denjenigen Energiebereich zur Verf gung zu stellen der gerade ben tigt wird Hierbei reichen die Anforderungen von einem mehrere breiten Bereich bis hin zu ann hernd monoenergetischen Neutronen Nachdem das Neutronenspektrum durch den Moderator in den gew nschten Energie bereich transformiert wurde treten die Neutronen mit ihrer jeweiligen Geschwindigkeit aus diesem Moderator aus In einem ersten Schritt k nnen nun so genannte Chopper oder Energieselektoren verwendet werden um aus diesem Spektrum den gew nschten Bereich herauszuschneiden Ein Neutronenchopper besteht in der Regel aus ein oder zwei ro tierenden Scheiben aus absorbierendem Material in denen ein oft variabler Bereich f r Neutronen durchl ssig ist Diese Blende w hlt nun jene Neutronen aus die aufgrund ihrer Geschwindigkeit genau zu demjenigen Zeitpunkt eintreffen an denen der Chopper f r Neutronen durchl ssig ist Geschwindigkeit und Phasenbeziehung der Chopperscheiben sowie der Blenden ffnung sind meist einstellbar An gepulsten Quellen k nnte im Prinzip zwar eine zweite Chopperscheibe entfallen jedoch verhindert die zweite Scheibe das so genannte Frame Overlap also das Durchtreten von sehr schnel
236. n Graphen gezeichnet Somit erscheinen die gespeicherten Neutronen an ihrem zeitlichen Ort im urspr nglichen ISIS Puls 16Ejn Verhalten ber 4 2 Sekunden ist nicht dokumentiert es kann aber angenommen werden dass die Ladezeit einem Maximalwert von etwas ber 4 Sekunden zustrebt 172 5 Experimentelle Ergebnisse x10 10 1652 7007 10 o we n nau Ly un E 10 1651 Sien Ki o GE Meet CS a gt 5004 S 10 1650 3 J bD Ge 5 ES 4004 10 1 1649 E 3 07 D 3 5 300 E Z 10 1648 g u o 4 KI 200 4 J 1645 19 Lo 100 4 7 L 10 4 1644 se 0 Hannan n n D 0 Lo T T T 1 T T T T T 67 6 67 8 68 0 68 2 68 4 54 0 54 2 54 4 54 6 54 8 Detektionszeit ms Detektionszeit ms Abbildung 5 27 Links Die Form der verschiedenen gespeicherten Neutronenpulse Rechts Das Integral der gespeicherten Neutronenpulse verglichen mit ihrem einfallenden ISIS Puls Die n here Beschreibung erfolgt im Text Durch diese Messung l sst sich zeigen wo im urspr nglichen ISIS Puls speicherbare Neutronen in welchem Ausma vorkommen Dies wird besonders in Abb 5 27 deutlich Hier wurde das Integral des resultierenden gespeicherten Neutronenpulses am mittleren Zeitpunkt des 300 us breiten Spinflipper Pulses eingezeichnet Der Wert der Integrale ist auf der linken Skala wiedergegeben Zus tzlich wurde ein unbeeinflusster ISIS Puls eingezeichnet dessen Z hlraten sich auf der rechten Skala finden Die
237. n Mehrfachpulsen 61 Pulsform gespeicherter Neutronen Wie bereits im vorhergehenden Abschnitt erw hnt ist auch die Kenntnis der Form eines gespeicherten Neutronenpulses f r das Timing des Flippers notwendig Die Form wird zum einen durch die Moderation der bei der Spallation erzeugten schnellen Neutronen im 25 K Ha Moderator bestimmt zum anderen durch seine komplexe Bewegung entlang der Flugbahn im IRIS Leiter und dem Verhalten im Speichervolumen F r den Zweck einer raschen Berechnung des Speicherinhaltes wird eine Funktion gesucht die die Form der gespeicherten Neutronen ann hernd beschreibt Die Wahl fiel auf die in 2 41 angegebene Epithermische Funktion Obwohl wie der Name anzeigt diese Funktion streng genommen 1 x 2 53 meV A 63 3 meV 124 meV 364 meV 648 meV 0 75 0 8 Intensity 0 50 0 6 Intensity 0 4 0 2 0 0 5 0 10 0 15 0 V T TO cm Abbildung 2 28 Untersuchung der von einem H Moderator emittierten Pulsformen f r unterschiedliche Energien aus 61 F r Energien im Bereich von 1 meV n hert sich die Pulsform wieder der Form epithermischer Neutronen an f r Neutronenpulse einer h heren Energie gilt n hern sich die Pulsformen f r kalte Mode ratoren an gepulsten Neutronenquellen 61 ph nomenologisch wieder dieser Gleichung an Wie aus Abb 2 28 ersichtlich werden thermische Neutronenpulse durch diese Gleichung nicht ausreichend beschrieben t to falt Io t
238. n Platten reflektiert wurden Die Intensit t der einzelnen Pulse zueinander zeigt ein Verhalten das dem an VESTA gemessenen sehr hnlich ist Nach einem raschen Abfall w hrend der Monochromatisierung 8 Reflexionen flachen die Unterschiede deutlich ab Es konnten bis zu 14 Hin und R ckreflexionen gemessen werden Abh ngig von der Plattendicke variiert die Transmissionswahrscheinlichkeit und somit die Anzahl der Photonen die in den Resonator eindringen oder ihn pro Reflexion am Kristallspiegel wieder verlassen Als Dicke f r eine optimale Speicherung wurde 150 um berechnet Dies entspricht der Pendell sungsl nge der 888 Reflexion 00 6 O Theory 243 um 456 um 425 um 388 um 342 um 292 um 243 um Intensity ratio between successive bounces O 2 00000 0 001 T T T T T T T D 2 4 6 8 10 12 14 Number of bounces Abbildung 1 15 Relative Intensit t aufeinander folgender Pulse gespeicherter Photonen Everything should be made as simple as possible but not simpler A Einstein Physikalische Grundlagen der Perfektkristall Neutronenspeicherung Der erste Teil dieses Kapitels m chte einen berblick ber die physikalischen Grundlagen des Neutronenspeichers geben Nach der Reflexion von Neutronen an Perfektkristallen und Neutronenleitern werden die Einfl sse verschiedener Magnetfelder auf die Energie von Neutronen diskutiert Der zweite Teil dieses Kapitels widmet sich dem Konzept ei
239. n Punktes u v w ergibt sich durch Wegintegration des Biot Savart Gesetzes Hol dix F An P entlang der Spule dl 90 Weiters seien 7 und die Integrationsvariablen entlang der x y und z Richtung Hierbei verl uft jeweils eine Integration entlang der Stomrichtung die andere entspricht der H he der Spule Streng genommen wird die Steigung der Spu le nicht ber cksichtigt Insbesonders bei weit gewickelten Spulen kann deshalb das Feld durch einen Korrekturterm z b eines parallel gef hrten Drahtes 91 erg nzt werden dB Die Komponente des Feldes setzt sich hierbei aus den folgenden Termen zusammen uoNI 1 2 p h 2 Ban er Ze nS dn d 1 2 In y t 2 u sy Ga 41 2 p h 2 2 By BU o1 f ttn d 2 Jam t 2 u n v w 190 A Formelsammlung Dies fiihrt zu By x In h 2v 4 t 2u DEENEN In h 2v 2u h 2v I 2w m h 20 2u h 20 4 2w In In h 2v t 2u n 20 4 0 2u h 2v 4 t 2u A 20 1 2w ln h 2v 4 t 2u h20 Un In In n 204 t 2u h 2v 14 2w Zusammengefasst kann dies geschrieben werden als WNI e B 0 _4 k m n k m n 0 In um 2w 4 t 1 2u h 1 F2v 2 l m er A 1 Analog tragen zur y Komponente folgende Terme bei NI 1 2 p t 2 Een By 2 ebe d dl 1 2 J t 2 h 2 v w NI 1
240. n SMY B1 ausgestattet ist Dieser Signalgenera tor erm glicht die Erzeugung einer Sinus f rmigen Frequenz im Bereich von 9 kHz bis 1 04 GHz in einer Aufl sung von 1 Hz Neben dem station ren Betrieb verf gt der SMYO1 auch ber die M glichkeit einer Frequenz Amplituden und Phasenmodulation sowie die Kombination dieser Modulationen Er bietet die M glichkeit eines linearen schrittweisen Sweeps f r die RF Frequenz sowie Speicherplatz f r 99 komplette Ger teeinstellungen An seiner Vorderseite besitzt er je einen Eingang f r eine externe Frequenz und Ampli tudenmodulation einen AF Modulationsausgang sowie den RF Ausgang N Typ Buchse 50 Q An seiner R ckseite besitzt er Anschl sse f r ein GPIB Interface IEEE488 einen 10 MHz Referenz Ein Ausgang einen Sequenz Eingang SEQ zum Aufrufen gespeicher ten Voreinstellungen in aufsteigender Reihenfolge sowie ber einen BLANK Fingang zum Austasten des Pegels durch ein externes TTL Signal Kenndaten des Signalgererators SMYO1 SMY B1 Min Frequenz 9kHz Einschwingzeit lt 60 ms Max Frequenz 1 04 GHz Pulsmodulation ON OFF gt 80 dB Resolution 1 Hz Anstiegszeit 4 us 10 90 RF Ausgang N Buchse Abfallzeit 4 us 90 10 Sweepschrittweite 10 ms 5s Rel Frequenzfehler lt 107 Tag 5 1078 Der ursp nglich geplante Einsatz der Sequenzfunktion siehe Abb 4 20 konnte nicht verwendet werden da zum Weiterschalten zwischen den einzelnen Speichereinstellungen ei ne Kon
241. n Starten des Sweep Zykus ist hierbei f r die Steuerung nicht notwendig Bei der Ver wendung der Sweep Moden ist zu beachten dass sich das eingegebene Magnetfeld CF OF auf das Offset Feld bezieht zu dem noch entsprechend der momentanen Position im Sweep Zyklus ein Teil des eingegebenen Sweep Feldes SW addiert wird Wird nur eine Stabilisierung des Magnetfeldes gew nscht sollten deswegen das Sweep Feld auf Null ge setzt werden Obwohl die Hall Sonde thermisch und elektrisch gegen die Magnetpolkerne isoliert ist kommt es zu einer leichten Temperaturdrift des angezeigten Magnetfeldes Eine verbesserte Isolierung und K hlung des Magneten ist deswegen anzustreben 4 3 Das Hochfrequenzfeld Aufgabe des Hochfrequenzfeldes ist es die in Abschnitt 2 2 3 beschriebene Energie nderung der Neutronen durch Spininvertierung innerhalb des statischen Magnetfeldes zu bewir ken Zu diesem Zweck muss ein schnell schaltbares magnetisches Wechselfeld im Radio Frequenzbereich etwa 25 MHz von einigen Gauss erzeugt werden Die Diskussion der Parameter dieser Spin Invertierung findet sich in Abschnitt 2 4 Da sich das HF Feld im homogenen Bereich des f r die Zeeman Aufspaltung verantwortlichen Magnetfeldes Bo be finden muss und es zu keiner Beeinflussung des Speichervolumens der Neutronen kommen darf ergeben sich enge Randbedingungen f r die Konstruktion der einzelnen Komponen ten Besondere R cksicht ist auf die Abschirmung der Hochfrequenzen zu n
242. n aufeinander folgenden Re flexionen mehrere tausend der Neutronen und den resultierenden langen Flugstrecken mehrere Kilometer eignet sich dieses Instrument besonders f r die Untersuchung von Neutronenleitern und Neutronenspiegeln Diese Arbeit stellt eine Fortsetzung der bisherigen Arbeiten mit dem als Viennese Neutron Storage Apparatus VESTA bekannten Neutronenspeicher dar Ziel der Arbeit war die Demonstration dass sich Radio Frequenz Flipper f r das Bef llen und Entleeren eines Perfektkristall Speichers eignen und sich damit Begrenzungen fr herer Systeme berwin den lassen sowie die experimentelle Realisierung eines derartigen Neutronenspeichers Ein Prototyp einer solchen Anlage wurde entworfen und an der gepulsten Neutronenquelle ISIS nahe Oxford erfolgreich installiert Neben einer wesentlich verbesserten Strahlaus nutzung wurde die M glichkeit der gleichzeitigen Speicherung mehrerer Neutronenpulse mit gleichen Intensit ten erm glicht Durch die hohe Flexibilit t des Bef llmechanismus ergeben sich zahlreiche neue M glichkleiten der Strahlmanipulation Nach einem allgemeinen Einf hrungskapitel ber Neutronen und Neutronenoptik wer den die physikalischen Grundlagen der Neutronenspeicherung beleuchtet Die auf diesen Grundlagen basierende erste Realisierung sowie die gastgebende Forschungseinrichtung wird in Kapitel 3 ber die Entwicklungen des Projekts behandelt Dieses Kapitel beinhal tet die Charakterisierung der ursp
243. n verursachte Vibrationen als auch aus Sicht der Experimentatoren als erstrebenswert erscheint Da die M glichkeiten der Schall Abschirmung durch feuerpolizeiliche Bedenken stark einge schr nkt sind sollte besonderer Wert auf die L rmvermeidung gelegt werden Zugang zum Experimentierbereich Eine weitere Limitierung ist der Zugang zum Experimentierbereich w hrend des Betriebs der Neutronenquelle Aus Strahlenschutzgr nden befindet sich der Neutronenspeicher in nerhalb eines umz unten Bereichs der nur durch Schlie en des Main Shutters des Beamports ND zug nglich wird Wie in Abschnitt 3 1 2 beschrieben werden durch die sen bewegbaren Schwerbetonblock sowohl das gastgebende Experiment IRIS als auch das Schwesterexperiment OSIRIS von der Neutronenquelle getrennt Zum Zeitpunkt der Kon struktion des ersten Speicherexperiments war weder ein Parallelbetrieb mit IRIS geplant noch OSIRIS gebaut Daher waren viele Justiereinrichtungen manuell ausgef hrt was den Zugang zum Experiment notwendig machte Zudem wurde die Hochspannungselektronik innerhalb des restriktierten Bereichs positioniert Zwar wurde dadurch der Bau eines zwei ten mittels Interlocks gesicherten Bereichs vermieden jedoch verhindert diese Tatsache auch die Wartung und Reparatur der Hochspannungselektronik w hrend des Betriebs der Experimente Die M glichkeit den Zugang an den Intermediate Shutter von IRIS zu koppeln oder an die Position des Monochromators wurde
244. nden Materialien meist zu vernachl ssigen ist Unter der Bedingung A lt Ac l sst sich 2 10 in eine Taylor Reihe entwickeln und nimmt die Form A2Nb AN waz 2 11 an Da die Streul nge b f r die meisten Materialien positiv ist stellt im Gegensatz zur Lichtoptik f r Neutronen das Vakuum bzw Luft meist das optisch dichtere Medium dar Neutronen die unter kleinen Winkeln auf ein Leitermaterial treffen werden somit an dessen Oberfl che reflektiert wobei sich der kritische Winkel der Totalreflexion zu A A be Ze 2 12 ergibt 16 Die Reflektivit t eines Neutronenleiters ergibt sich demnach zu 1 LIRE 0e Ry z 2 13 wobei diese Formel f r eine ebene Fl che ohne Absorption gilt Neben der Absorption setzt auch die Oberfl chenbeschaffenheit der erreichbaren Reflektivit t Grenzen In 48 ist der 38 2 Physikalische Grundlagen 1 0 A 0 8 f Bos gt Ke ay 0 6 f oO E 7 0 4 f J w 3 2 1 0 1 2 3 8 0 Abbildung 2 5 Reflektivit t einer ebenen Neutronenleiterfl che ohne Absorption nach Gleichung 2 13 Einfluss von Oberfl chenfehlern f r thermische kalte und ultrakalte Neutronen behan delt welche sich in eine Mikrorauhigkeit und eine makroskopische Welligkeit zusammen fassen lassen In 49 ist ein Konzept f r die Berechnung dieser Kombination angef hrt Unter Ber cksichtigung der makroskopischen Welligkeit und der Absorption ergibt sich die Reflektivi
245. ner potentiellen Energie Diese Impuls nderung wird durch eine dem Feldgradienten proportionale Kraft Vx B 0 F V uB uV B 1 2 37 Vi wi 0 bewirkt Hierbei gilt das zweite Gleichheitszeichen unter den mit a gekennzeichneten Be dingungen Ein Gradient senkrecht zur Einfallsrichtung bewirkt eine Transversalbeschleu nigung der Neutronen die f r die beiden Spineigenzust nde in entgegengesetzte Richtung erfolgt Es kommt zu einer r umlichen Trennung von Neutronen mit unterschiedlicher Spi nausrichtung dem klassischen Stern Gerlach Effekt 56 57 Steht der Feldgradient jedoch O 010in Saft u A B a eg mg DA nn a en DEFLEcTING MAGNET i TOP VIEW oF sive view COUNTER ERBE S es gt ECKE E Bs 1380 1 200 1220 1 240 1 260 1 260 1 300 DETECTOR POSITION ai 1 METER ml METER 7 2 METERS m Abbildung 2 14 Versuchaufbau und Ergebnis eines klassisches Stern Gerlach Experi ments mit Neutronen nach 56 Der unpolarisierte Neutronenstrahl wur de durch Einf gen eines Shim Pl ttchens zwischen Spiegel und Magnet erzeugt parallel zur Ausbreitungsrichtung der Neutronen kommt es zu einer reinen longitudinalen Impuls nderung Dies entspricht einer spinabh ngigen Abbremsung oder Beschleunigung der Neutronen und f hrt zu einer Anderung der De Broglie Wellenl nge uB E gem 1 F LE 2 38 In 58 wird diese nderung an einem
246. nes ma gnetisch geschaltenem Neutronenspeichers sowie der Diskussion verschiedener Parameter des Schaltmechanismuses Abschlie end findet sich eine Berechnung des Speicherinhaltes f r Mehrfach Puls Speicherung 2 1 Der Perfektkristallspeicher Eine M glichkeit den in Abschnitt 1 4 1 vorgestellten aktiven Speicher f r kalte und ther mische Neutronen zu realisieren ist die Verwendung zweier paralleler Kristallspiegel die sich in R ckstreugeometrie 0g 90 befinden Sie bilden die Endplatten des in Abb 2 1 dargestellten dreidimensionalen Speichervolumens Wird der Abstand zwischen den bei den Kristallspiegeln mit einem Material umgeben welches die Transversalkomponente des Wellenvektors der Neutronen umkehrt erh lt man ein geschlossenes System in dem sich die gespeicherten Neutronen bewegen k nnen Durch die in Abschnitt 2 2 diskutierte aktive Beeinflussung der Reflektivit t der Perfekt kristallplatten wird den Neutronen zu einem frei w hlbaren Zeitpunkt erm glicht in den Speicher einzutreten sowie ihn zu verlassen In seiner einfachsten Form besteht ein Speicher experiment darin dass die Neutronen zu verschiedenen Zeiten t aus dem Speicher ent lassen werden und ihre Anzahl als Funktion der Speicherzeit N t untersucht wird Zu diesem Zweck wird ber diejenigen Zeitkan le in denen der Puls registriert wurde sum miert Die Ber cksichtigung des Untergrunds kann entweder durch eine Fitfunktion an die Neutronenz hlra
247. ng 4 1 Grau markiert die Werte fiir 22 5 Norm temperatur 104 4 VESTA IT 4 1 2 Der Neutronenleiter Der Neutronenleiter Abb 4 1 entspricht dem in 63 und ausfiihrlich in 37 beschriebe nen jedoch handelt es sich hierbei um einen bisher noch nicht verwendeten Ersatzleiter Inwieweit die lange Lagerung an Luft und eine daraus eventuell resultierende Oxidation der Oberfl che einen Einfluss auf die Reflektivit t hat ist noch zu untersuchen Grund f r den Einsatz des Ersatzleiters war die Tatsache dass es notwendig war einen Teil des Neu tronenleiters zu entfernen Um die Speicherung von Neutronen nicht zu beeinflussen muss die in Abschnitt 4 3 3 beschriebene RF Spule au erhalb des Neutronenleiters angebracht werden darf den Siliziumkristall jedoch nicht ber hrt Bei einem erforderlichen Drahtquer schnitt von etwa 1 1 5 mm war somit nicht mehr gew hrleistet dass die Siliziumspiegel den gesamten lichten Querschnitt des Leiters bedecken Aus diesem Grund wurde der Neutronenleiter in seiner Mitte auf einer L nge von 100 mm rundum um 2 mm abgefr st Diese sogenannte Cut Out Section verhindert auch dass die Spule ber die Breite des Neutronenleiter hinausragt und den in Abschnitt 4 2 beschriebenen Mindestabstand der Magnetpolkerne erh ht Die Aufgabe des Neutronenleiters ist die Neutronenverteilung im Speicher zusammen zuhalten in dem er die Transversalkomponente des Wellenvektors der Neutronen umkehrt ber seine
248. ng OuA We will resolve this problem in the morning Temperature tests on the temporary Hydrogen moderator cooling circuit are complete Running Beam at 50hz 165uA over night ready for start of User Run at 08 30hrs Monday 29th July Temporary cooling system has been installed and tested for the Hydrogen moderator Schedule for beam remains the same low intensity Sun am increasing afternoon and evening upto 50Hz User run for non hydrogen instruments is still scheduled for Monday 29th at 08 30hrs Equipment for temporary gas cooling of Hydrogen moderator is being installed Expected beam to target at base rate on Sun 28th afternoon With full intensity beam during the evening Pt 2 Testing of the tertiary containment is in progress The options for temporary gas cooling of the moderator are being evaluated For other instruments we still hope to resume on 29th July Progress on the repair of the H2 moderator Pt 1 The damaged sections of the transfer line have been removed The remaining moderator section has passed pressure and vacuum tests Regular updates on the Hydrogen moderator repair progress will be issued For instruments not viewing the Hydrogen mod we hope to restart User Run on Monday 29 July Our investigations have now shown that there is Significant damage to the Hydrogen moderator transfer line We hope that repairs can be effecte in time for the start of the 2nd cycle 21 Aug 02 FOR ATTENTION OF INSTRUMENT SCIENTIST
249. ng unter den bereits erreichten Reflexionen und liegt somit im Bereich relativ hoher Z hlraten und guter Statistik N 13 14 15 16 17 Literaturverzeichnis W Bothe and H Becker Z Phys 66 289 1930 I Curie C R Acad Sci Paris 193 1931 Webster Proc Roy Soc 136 428 1932 J Chadwick Possible existence of a neutron Nature 129 312 1932 J Chadwick The existence of a neutron Proc Roy Soc London 136 1932 H Rauch W Treimer and U Bonse Test of a single crystal neutron interferometer Phys Lett 47A 369 1974 J Byrne Neutrons Nuclei and Matter Institute of Physics Publishing London 1994 L H Rumbaugh and G L Locher Neutrons and other heavy particles in cosmic radiation of the stratosphere Rhys Rev 49 855 1936 J A Simpson The latitude dependence of neutron density in the atmosphere as a function of altitude Phys Rev 73 1389 1948 L C L Yuan On the latitude dependence of the absolute neutron intensities in cosmic radiation Phys Rev 76 1267 1949 O Hahn and F Strassmann Die Naturwissenschaften 26 755 1938 O Hahn and F Stassmann Uber den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle Die Na turwissenschaften 27 11 89 163 529 1939 H Rauch G Badurek E Jericha and M Regler Austron and its notable new features Applied Physics A 74 49 2002 G F Knoll Radiat
250. ngs Pegels erm glicht Je nach softwarem ig gew hlter Pola rit t des Einganges kann der Ausgang des Signalgenerators mit einem 5 V Signal entweder freigegeben oder unterdr ckt werden Die Schaltzeiten des Spinflippers sind somit durch die interne Schaltzeit des Generators etwa 4 us sowie die Anschwing Abklingzeiten des zur Magnetfelderzeugung betriebenen Resonanzkreises gegeben Ein wichtiger Vorteil die ser Methode ist dass der RF Flipper nur w hrend kurzer Zeiten lt 500 us betrieben wird und es bei den daraus resultierenden kurzen Betriebszeiten Verh ltnis On Off lt 1 40 zu keiner nennenswerten Erw rmung des Kristalls oder des Neutronenleiters kommt Eine ansonsten n tige Wasser K hlung des Resonanzkreises im Vakuum kann entfallen BLANK SEQ M Aaf N Abbildung 4 20 Der Signalgeneratorausgang bei Verwendung des BLANK Eingangs links sowie bei Verwendung des SEQ Eingangs rechts Ver nderung der Generatorfrequenz Eine urspr nglich im VESTA Steuerprogramm vorgesehene M glichkeit des Pulsens ist die Ver nderung der Anregungsfrequenz des Flippers mit Hilfe der speicherbaren Vorein stellungen des Signalgenerators Diese Einstellungen k nnen ber die GBIP Schnittstelle gew hlt oder unter Verwendung des SEQ Eingangs aufgerufen werden Durch eine Kontakt gabe am SEQ Eingang werden hierbei die in den Speicherregistern 01 99 definierten Vorein stellungen in aufsteigender Reihenfolge aufgerufen Leere Register
251. nregung f r 300 us freigegeben Bei dem nachfolgendem Puls bei 74 ms betrug die Zeitspanne zwischen den Signalen 500 us Deutlich ist das An und Abklingverhalten des Resonanzkreises zu sehen Als Referenz ist der Versuch 1624 grau eingezeichnet bei dem der Flipper nicht in Betrieb war Neutronen 10 us 5000 4 4000 4 30004 2000 4 1000 4 4 300 us Neutronen 10 us 53 5 T T 54 5 55 0 Detektionszeit 5000 4 4000 4 3000 4 2000 4 1000 4 lt 500 us T T 1 74 5 75 0 Detektionszeit Abbildung 5 18 Betrieb des Flippers w hrend zwei aufeinanderfolgender Pulse einer Mes sung Im Toggle Modus kann die Pulsl nge beliebig gew hlt werden In diesem Beispiel wurde der Flipper 300 us w hrend des ersten und 500 us w hrend des nachfolgenden Pulses betrieben Grau die Referenzmessung ohne Spin Flipper 164 5 Experimentelle Ergebnisse Demonstration des Puls Modus Die Demonstration des Puls Modus wurde genutzt um die Flexibilit t und Geschwin digkeit der Anlage zu testen Wie bereits erw hnt wird in diesem Modus die Dauer des Spin Flippersignals hardwarem ig Potentiometer auf eine geeignete L nge eingestellt In den Versuchen 1653 und 1655 bis 1657 wurde der Flipper zweimal w hrend des gleichen Spallationspulses betrieben Der Abstand zwischen den ansteigenden Flanken die ser Pulse kann hierbei softwarem ig mittels des Parameters to frei gew hlt werden
252. nschaulichen In Abb 2 7 sind die Ober und Untergrenze des Darwin gaps als Funk tion der Abweichung des Winkels 60 und des Wellenvektors k kg von der exakten Bragg Bedingung eingezeichnet Sie erscheinen als parabelf rmige Kurven deren Abstand zueinander durch Ra Ak gy _ A n kp foc gegeben wird Der Reflexionsbereich des Neutronenleiters wird durch seinen Grenzwinkel bestimmt und schneidet die Parabel Fl che des Perfektkristalls an 6 Somit ergibt sich der Akzeptanzbereich des zusammengesetzten Systems zu der grau schattierten Fl che Anzumerken sei hier dass diese Darstellung nur fiir kleine Winkel giiltig ist Eine weiter f hrende Analyse des Akzeptanzbereichs findet sich in 37 Gleichung 2 16 und Abb 2 7 liefern einen ersten Anhaltspunkt fiir den Energie und Winkelbereich der mit dem zusammengesetzten System prinzipiell gespeichert werden kann Sie setzen ein perfekt justiertes System voraus in dem der Neutronenleiter exakt normal auf die Kristallplatten steht Neben einer m glichen Fehljustierung des Leiters existieren in einem realen System jedoch auch verschiedene andere Einfl sse die das Spei cherverm gen beeinflussen k nnen Zu den wichtigsten Einfl ssen geh ren der f r die Ju stierung des Leiters notwendige Abstand zwischen Kristallplatten und Leiter die Ober fl chenbeschaffenheit des Leiters der Abstand der Leiter Glasplatten zueinander 32 5 um sowie auf Kristall und Leiter bertragene Vibrationen
253. nter dem Magneten positioniert sodass er nur noch ein geringes NMR Streufeld sp rt das resultierende Gesamtfeld jedoch als F hrungsfeld ausreicht Analog zu sp teren Messungen an ISIS waren die F hrungsfelder und Polarisatorfelder vertikal orientiert w hrend das NMR Feld horizontal ausgerich tet war Bei eingeschaltetem NMR Magneten ergibt sich ein kontinuierliches Magnetfeld entlang der Flugbahn der Neutronen dem der Neutronenspin adiabatisch folgt Wird der NMR Magnet oder die F hrungsspule ausgeschaltet durchqueren die Neutronen je doch einen Bereich ohne ausreichendes F hrungsfeld und depolarisieren Beim Eintritt in ein neuerliches F hrungsfeld richten sich wieder zirka 50 der Neutronen parallel bzw antiparallel bez glich des Magnetfeldes aus Eine weitere M glichkeit die Polari sation der Neutronen w hrend der Messungen zu testen ist die Verwendung eines ent magnetisierten d nnen Weicheisenpl ttchens SHIM Pl ttchen Beim Durchqueren der Dom nenstruktur Weiss sche Bezirke mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung de polarisiert der Strahl ann hernd vollst ndig Die folgende Tabelle demonstriert diese Ei genschaft Ohne Magnetfelder depolarisiert der Strahl entlang seiner Flugstrecke sodass die Z hlrate nach dem Analysator etwa 200 Neutronen pro Sekunde betr gt Z hlraten nach dem Analysator Dall Bf G Neutronen s SHIM 0 0 198 3 Nein 0 9 6 295 8 Nein 0 9 6 199 4 Ja 429 9 6 402 0 Nein 832 9 6 197 9
254. ntreffens numme rierten Speicherpulsen ist in Abb 3 21 das korrespondierende Magnetfeld in willk rlichen Einheiten angedeutet Bereits beim Entlassen des ersten Speicherpulses 327 ms treten auf Grund der zeit lichen Breite des Magnetpulses von etwa 1 5 ms weitere Neutronen aus Es handelt sich Man beachte das die zeitliche Breite der dargestellten Pulse nicht der tats chlichen Breite von etwa 1 5 ms entspricht 3 3 Ein Speicher Namens VESTA ___ Hl 200 100 2 40 Pd 150 1004 50 20 504 f d i 0 Gent Ge d 0 a T mi of 0 325 326 327 328 308 365 366 367 368 369 405 406 407 408 409 20 20 20 3 on d i 4 10 i 5 Bes 65 0 i T H S 0 445 446 447 448 4 485 486 487 488 489 525 526 527 528 529 Detektionszeit ms Detektionszeit ms Detektionszeit ms Abbildung 3 21 Speicherung von bis zu sechs ISIS Pulsen nummeriert nach ihrem Einlasszeitpunkt sowie das korrespondierende Magnetfeld schema tisch Diese Grafik zeigt sowohl die unterschiedliche Intensit t der ein zelnen gespeichert Neutronenpulse als auch das durch die zeitliche Brei te der Magnetpulse 1 5 ms verursachte Entkommen von Neutronen anderer Pulse siehe Text Diese Abbildung ist 39 entnommen hierbei um einen Teil des zweiten Neutronen Pulses der sich auf die Kristallplatte zu bewegte w hrend das Magnetfeld bereits im Aufbau begriffen war Die Transmissions
255. nz variiert werden ohne die St rke des Magnetfeldes Dr gravierend zu ver ndern 2 5 Speicherung von Mehrfachpulsen 57 quenzbedingung 2 33 auswirkt kann das System auch an Neutronenquellen getestet wer den die nicht ber die f r VESTA notwendigen Wellenl ngen verf gen Wie in Abschnitt 5 1 pr sentiert konnte ein Gro teil der Test an der DEPOL Beamline des Atominstitut Wien bei einer Wellenl nge von 1 986 durchgef hrt werden Abschlie end m chte ich noch die Abh ngigkeit der Flip Wahrscheinlichkeit von der Spulenl nge betrachten Dies ist von besonderem Interesse da bei kurzen Spulen und dem damit verbundenen inhomogenen Magnetfeld siehe auch Abb 4 16 nicht die geometrische L nge sondern die so genannte effektive Spulenl nge betrachtet werden muss Wie aus Abb 2 21 und Abb 2 24 ersichtlich steigt das ben tigte Magnetfeld f r k rze Spulen an Gleichzeitig verbreitert sich die Frequenzresonanz W hrend in Abb 2 21 die Amplitude des Magnetfeldes B konstant ist wurde sie in Abb 2 24 entsprechend erh ht um eine Flip Wahrscheinlichkeit von 1 zu erreichen 1 0 oO Ss 08 3 2 06 OH Nn H G oi z 04 4 1 1 0 2 1 _ ATTN S Zi 7 di N N 29 15 29 16 29 17 29 18 Bur Frequenz MHz Abbildung 2 24 Abh ngigkeit der Flip Wahrscheinlichkeit von der Frequenz in MHz f r eine Spule mit einer effektiven L nge von 10 cm bei 2 2 Gauss 1 und f r eine Spule der L nge 6 cm bei 3 6 Gau
256. ollten 4 3 4 Ansteuerung des Schwingkreises F r die Ansteuerung des Schwingkreises wurde die bereits in 53 sowie in 27 verwende te induktive Fusspunktkopplung gew hlt siehe Abb 4 17 Hierbei wird der Parallel Schwingkreis nur ber einen Teil der Spulenwindungen angeregt Durch die Wahl der Kontaktpunkte entlang der Spulenwindungen kann die Impedanz f r die Leistungsein kopplung angepasst werden F r die Messungen wurde eine Anspeisung ber vier Win dungen gew hlt wobei ein Kontakt am Spulenende erfolgt Neben der beabsichtigten Spannungs berh hung am Kondensator hat diese Ankoppelung jedoch auch einige Ne beneffekte wie die folgende vereinfachte Diskussion des Schwingkreises zeigt 4 3 Das Hochfrequenzfeld 119 Diskussion des RLC Schwingkreis Ausgehend von den drei Grundgleichungen A0 SU re Al ier Q 0U Ur Lett 4 3 erh lt man die Differentialgleichung f r einen freien Resonanzkreis U Rav 1 ee ee 4 4 p Ta i SS welche mit Hilfe des Ansatzes U Ae cos wt gel st werden kann und die Bedingungen f r die Resonanzfrequenz wo liefert 1 R LC 412 R ne 4 5 a wi F r den Fall der schwachen D mpfung R 4L e 1 LC vereinfacht sich die Resonanz frequenz zu w 1 VLC Die Qualit t oder G te Q eines Schwingkreises ist weiters definiert als w wL Q EE 4 6 Die verwendete Art der Anspeisung stellt einen besonderen Fall eines Resonanzkreises dar Sie f hrt dazu dass neben
257. ommen wurden um einen Vergleich der Anlagen zu erm glichen Dies f hrt auch dazu dass be reits gewonnenen Erkenntnisse ber das Speicherverhalten insbesonders ber den Ein fluss der Justierung verschiedener Komponenten zueinander angewandt werden k nnen jedoch um das Verhalten des Hochfrequenzflippers erg nzt werden m ssen Gleichzeitig stellt VESTA II ein eigenst ndiges Experiment dar indem das physikalische Konzept der Neutronenspeicherung grundlegend ver ndert wurde und nun einem Speicher des Typs II gem Abschnitt 2 3 entspricht Da im Rahmen dieser Arbeit eine Versuchsanlage aufgebaut wurde die als Ausgangspunkt f r weitere Messungen und Entwicklungen dienen soll enth lt dieser Abschnitt auch de taillierte Konstruktionsangaben Mit dieser Konstruktion erzielte Messergebnisse werden in Kapitel 5 pr sentierten Anlei tungen zum Betrieb der Anlage finden sich in dem f r VESTA verfassten User Manual 82 Weitere Konstruktionspl ne einzelner Komponenten finden sich im Anhang C Motivation der Neukonstruktion Das Konzept des hier vorgestellten neuartigen Neutronenspeichers unterscheidet sich grund s tzlich von dem seiner Vorg nger War der Prototyp f r den einmaligen Test konzipiert so stellte der aus ihm hervorgegangene Neutronenspeicher VESTA I bereits ein fix instal liertes Instrument an ISIS dar das prinzipiell mit den Einschr nkungen aus Abschnitt 3 3 5 parallel mit dem gastgebenden Experiment IRIS b
258. on 11 43hrs We have a problem with an RF system p s Beam expected in 30 minutes RF7 screen supply changed Beam ON 12 09hr 175uA The beam will be off at 11 45hr for approx 30 min to change a faulty screen supply on system 7RF Kicker3 on running at 50hz 170uA Extract Kicker3 power supply trip investigating Running at 50hz 157uA EPB and Target beam being focused Continuing to investigate system 7RF problen Base rate beam Due to a problem with RF System 7 we are running at MS 2 Experts are investigating at present It is unlikely we will achieve 50Hz running before the morning Therefore we will remain at MS 2 25Hz until then During this evening and overnight we will try to go to MS However if the vacuum pressure in the ring rises we will have to go back to MS 2 Due to outgassing in the ring we are unable at present to go to MS We will remain at MS 2 until the vacuum recovers All systems now operational We expect to establish base rate beam to target shortly with higher rep rate beam during the afternoon It is anticipated that repairing the p s and ring pump down will take approx 3 hours re establishing beam to target will commence ASAP A further update will be given at Midday Difficulties with RF Finger Strips on Dipole 0 resulted in delayed installation of the magnet amp ring pump down In addition a water coolant hose burstovernight on the extract septum p s New Dipole installed tested and ring Va
259. onenleiters Deutlich sind die von den W nden des Leiters reflektierten Neutronen als Intensit tszunahme zu erkennen Die Z hlrate au erhalb des lichten Querschnittes des Leiters wird durch Zwi schenr ume der Magnete und des Vakuumgef es beeinflusst Ebenfalls erkennbar sind Neutronen die zwischen der Unterseite des Leiters und dem Siliziumkristall ihren Weg in den Detektor finden Weiter Messungen zum Beamprofil finden sich in 38 sowie in 69 T Aus technischen Gr nden wurden die Bilder etwa 5 cm vor der ersten und etwa 1 cm hinter der zweiten Kristallplatte aufgenommen 86 A VESTA Die f r das Speicherverhalten empfindlichste Justierung ist erwartungsgem die des Neu tronenleiters bez glich des Speicherkristalls Da die Anzahl der Reflexionen eines Neutrons am Leiter in der gleichen Gr enordnung wie die Reflexionen an den Silizium Spiegeln lie gen wirkt sich die Justierung des Neutronenleiters mit zunehmender Speicherzeit immer deutlicher auf die Anzahl der gespeicherten Neutronen aus Abb 3 17 zeigt diesen Einfluss dk Ze 310 ms 0 5 0 14 E 5 a L 0 12 E 0 4 4 a 0 10 o S 0 3 F 3 0 08 x z 0 06 g 0 2 4 D l E p KR 0 04 o RB oi ie CO K 0 02 0 0 os a ne 0 00 1 0 1 0 1 5 Ausrichtung mrad Abbildung 3 17 Einfluss der horizontalen Justierung des Neutronenleiters bei verschie denen Speicherzeiten Die linke Skala entspricht der ersten Justierung bei
260. orption und geometrischen Einschr nkungen liegt die Intensit t eines polarisierten Strahls oft deutlich unter 50 des einfallenden Strahls In letzter Zeit gibt es aber auch Konzepte die es durch eine Energieaufspaltung und der daraus resultieren den unterschiedlichen Rotations Geschwindigkeiten der Spinkomponenten in Magnetfel dern erm glichen k nnten eine ann hernd verlustfreie Polarisation eines Neutronenstrahls zu erreichen 21 22 1 3 4 Spin nderung polarisierter Neutronen Allgemein ist ein Spin Flipper Spininverter eine Vorrichtung die einen der beiden m glich en Spinzust nde T und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Wanze in den jeweils an deren umkehrt und somit die Polarisation des Neutronenensembles invertiert Ein Flipper mit Wp 0 5 w rde demnach statistisch den Spin jedes zweiten Neutrons invertieren 6Eine reine Ausrichtung der Spins bez glich einer Achse wird als Orientierung bezeichnet 1 3 Neutronenoptik 25 und somit aus einem rein polarisierten Strahl einen unpolarisierten machen In der Pra xis lassen sich Flip Wahrscheinlichkeiten nahe 1 realisieren womit ein polarisierter Strahl ann hernd komplett invertiert werden kann Gleichstrom Spindreher Einer der gebr uchlichsten Spin Flipper ist der nach Mezei beziehungsweise Rekveld be nannte Gleichstrom Spindreher In seiner urspr nglichen Bauform besteht der Flipper aus zwei antiparallel gepolten Spulen rechteckigen Querschnitts Ein
261. ozg TOOZ OT Lz aqed PV POOVWA SHA 9 T KE IN Quewns0q eTeos iL ATA Teyxoed TW WANYEA vert ILY Laien utTqIzeW Id D I wu OSOT 00 cL 09T 89T z8 SE 007 wu OSET Abbildung C 7 Der Aluminium Hauptdeckel des Vakuumgef es 207 II WISHA 308 o2a 2002 S0 LZ gt oyea FV 900DVA SHA GT KE IN Jusunsoa eTeoS A A n USWIOFIFETI I UUI ayr IIY Texer UTIIEN IA us33eTdumruruntv wu OT USWIOFJIJETA Saouul BN Spurmeg wu 9 goot pW epurmeg A os 4 wu 027 wu 007 wu 08T a o E o o o ig o o a x ai t E a D o O o a o 0 vv 8EZ ste u OL OL o all BE 4 L Ka 4 T 09 e Er OSE D uu pe X bt PW zeqsey 00 osz Abbildung C 8 Die inneren Plattformen des Vakuumgef es sowie die Position des Gewinde Lochrasters 208 O Konstruktionszeichnungen o TEE Ei le H a Fl din p ge ei 0 ge Bed b 0 oO el H a A fei p m A E n S A o 20 Bar o PARR n dq N Ela oO u A l S a pP D Z in HM fu e o o Wei Ke 5
262. punkte f r Einlass und Auslassmagnetfeld optimiert Wie in Abb 6 1 dar gestellt konnte durch eine optimale Justierung aller Komponenten die erreichbare Spei cherzeit deutlich erh ht werden 62 Werte von ber 4 Sekunden 2500 aufeinander fol gende Bragg Reflexionen 2 66 km Flugstrecke wurden erreicht Durch eine Analyse der Hochspannungselektronik 85 konnten wir die Ursache f r die aufgetretenen elektroma gnetischen St rungen lokalisieren Diese St rungen stellten eine Limitierung des verwend baren Magnetfeldes dar wodurch die Transmissionswahrscheinlichkeit der Kristallspiegel auf etwa 60 70 begrenzt wurde Vorschl ge zu einer Verbesserung der Hochspannungs elektronik finden sich in Abschnitt 3 3 5 In zwei Diplomarbeiten 39 40 wurde sowohl der Einfluss von Vibrationen untersucht als auch die gleichzeitige Speicherung von mehreren Neutronenpulsen demonstriert Die in Abschnitt 3 3 3 beschriebenen Einschr nkungen der Mehrfachpuls Speicherung aufgrund der reduzierten Intensit t sowie der relativ breiten zeitlichen Form der Magnetfelder stellte eine der Hauptmotivationen f r eine Neukonstruk tion dar Lange Ladezyklen limitierten zudem die Wiederholfrequenz des Experiments wodurch nur eine geringe Strahlausnutzung erreicht wurde In einer detaillierten Computersimulation besch ftigten wir uns mit den Einfl ssen verschiedener Komponenten auf das Speicherverhalten Neben einer Analyse der Einfl sse diverser Justierungen konnt
263. qtesutd GZA A 1 Lv me 6 P ES 30 30 Ir SNISISIO wu 80T ZIT eT SNISUMNYEA er ZI N x co ER _ W_ oB Abbildung C 18 Die Vakuumdurchf hrung der elektrischen Leitungen 218 O Konstruktionszeichnungen IRIS gt IRIS Shielding T IRIS Beamline Monochromator Detektor ISIS Abbildung C 19 Der Experimentierbereich von VESTA an der IRIS Beamline Abbildung C 20 3D Darstellung des Experimentierbereichs 219 220 221 Datenblatter 220 D Datenbl tter LED zur Anzeige des Remote Zustands Bedienfeld zum Speichern und Aufrufen von gespeicherten BNC Eingang f r externe Mo Ger teeinstellungen f r die Sequenztunktion und den Sweep Weitere dulationssignale Eingangswi Informationen in den Kaptein Store Recalf Sequenz und Sweep derstand 100 IO 600 Q Wei Display zur Anzeige Display zur Anzeige von tere Informationen im Kapitel Display zur Anzeige der RF und AF des Pege s Moduiatonsgrad und Hub Modulation externe Quelle 1062 5502 12 LOCIEC ADO PRESET Tas
264. r H Rauch E Seidl E Jericha and C J Carlile Test of a perfect crystal neutron storage device Phys Lett A 144 297 1990 E Jericha Speicherung kalter und thermischer Neutronen mit Perfektkristallen an einer gepulsten Quelle PhD thesis TU Wien 1996 M R J kel Optimierung eines Neutronenresonators Master s thesis Johannes Kepler Universit t Linz 1996 D E Schwab Speicherung mehrfacher Neutronenpulse mit einem Silizium Perfektkristall Master s thesis Technische Universit t Wien 1998 R Loidl Einfluss von Vibrationen auf die Speicherung von Neutronen Master s thesis TU Wien 2000 T Dombeck R Ringo D D Koetke H Kaiser K Schoen S A Werner and D Dombeck Measurement of the neutron reflectivity for bragg reflections off a perfect silicon crystal Physical Review A 64 053607 2001 R Hock K D Liss A Magerl O G Randl and A Remhof Neutron Storage in a Longitudinally Vibrating Silicon Crystal Journal of Applied Crystallography 31 2 223 34 1998 K D Liss R Hock M Gomm B Waibel A Magerl M Krisch and R Tucoulou Storage of x ray photons in a crystal resonator Nature 404 371 373 2000 H Rauch and D Petraschek Neutron Diffraction chapter Dynamical theory of neutron diffraction page 303 H Dachs editor Springer Verlag Berkin 1978 W H Zachariasen Theory of X ray diffraction in crystals Dover Publications New York 1967 U Bonse and M Hart Appl Phys
265. r nglichen Anlage sowie die im Rahmen dieser Arbeit er zielten Verbesserungen zeigt Limitierungen und Entwicklungm glichkeiten auf und endet mit der Motivation f r die Neukonstruktion der Anlage Kapitel 4 widmet sich Realisie rung und Installation dieser Neukonstruktion Neben einer Beschreibung der verwendeten Komponenten wird das Konzept des Neubaus vorgestellt Anleitungen zum Betrieb der Anlage aufgezeigt und geplante Erweiterungen diskutiert Die mit dieser neuen Anlage erzielten experimentellen Ergebnisse werden in Kapitel 5 pr sentiert Nach einer Bestim mung der Resonanzbedingung des HF Flippers wurden Speicherversuche mit polarisierten und unpolarisierten Neutronen durchgef hrt und mit fr heren Messungen verglichen Ab schlie end findet sich ein Kapitel mit einer Zusammenfassung des aktuellen Status sowie Ausblicke und Entwicklungsm glichkeiten f r dieses Instrument Abstract This work describes the development design and construction of a novel storage appa ratus for cold and thermal neutrons based on the reflection of mono energetic neutrons at perfect crystals A combination of two perfect crystal plates precisely aligned in backscat tering geometry defines the storage volume in axial direction In between these crystals a neutron guide is inserted to minimize lateral losses An active system of constant and high frequency magnetic fields is used to change the neutron energy and thus permit neu trons to enter and leave
266. r Bestrahlrohre ein langsames Rohrpost system Transportzeit 3 Sekunden zwei schnelle Rohrpostsysteme Transportzeit 20 ms zwei Neutronen Radiographieanlagen eine thermische S ule sowie vier Neutronenstrahl 3 Aus Sicherheitsgr nden fallen gleichzeitig auch alle drei Absorberst be in den Reaktor wodurch die Kettenreaktion ebenfalls unterbunden wird 148 SS Experimentelle Ergebnisse rohre Die Rohrpostsysteme erlauben es die zu aktivierenden Proben direkt aus dem Chemielabor in den Reaktor zu schie en um nach beendeter Bestrahlung wieder vor Ort verf gbar zu sein In der Neutronen Radiographieanlage k nnen Werkstoffe mittels Neu tronen durchstrahlt und dreidimensional rekonstruiert werden Die vier Strahlrohre dienen zum Herausleiten von Neutronen unterschiedlicher Energien aus dem Reaktorkern um f r neutronen und festk rperphysikalische Experimente zur Verf gung zu stehen Neben der im Folgenden n her beschriebenen Depolarisierungsanlage Strahlrohr D wird eine Klein winkelstreuanlage ein Neutroneninterferometer Strahlrohr C sowie ein Diffraktometer mit gepulsten Magnetfelder Strahlrohr B betrieben 5 1 2 Die 3D Depolarisationsanlage Die Depolarisationsanlage kurz DEPOL dient zur Neutronendepolarisierungsmessung Hierbei wird ein polarisierter Neutronenstrahl durch eine ferromagnetische Probe ge schickt wobei es zur Wechselwirkung der magnetischen Momente der Neutronen mit der Dom nenstruktur der Probe kommt Dur
267. r Justierung der Anlage unter sucht Es erfolgte sowohl eine Justierung des Silizium Kristalls bez glich des einfallenden Neutronenstrahls als auch des Neutronenleiters bez glich des Speicherkristalls Wie er wartet wirkt sich die Justierung des Speichers bez glich des Neutronenstrahls in erster Linie auf die zu Beginn der Messung vorhandene Anzahl der speicherbaren Neutronen aus w hrend die Justierung des Neutronenleiters das Speicherverhalten definiert Abbildung 3 16 Aufnahme der Beamprofile vor links und nach rechts dem Neutronen speicher mit angedeuteter Position des Neutronenleiters W hrend das Profil vor dem Experiment ber den Monochromator und die Strahl divergenz bestimmt wird zeigt das Profil nach dem Speicher die Wir kungsweise des Neutronenleiters Es hat sich herausgestellt dass die Justierung bez glich des Neutronenstrahls relativ unkritisch ist Durch den Abstand vom Monochromator und die Divergenz des Strahls reicht eine Positionierung im Bereich von einigen Millimetern aus um gute Speicherresul tate zu erzielen Abb 3 16 zeigt das White Beam Profil am Ort des vorderen links und hinteren rechts Kristallspiegels nach der Justierung Die Position des Neutronenleiters ist in beiden Bildern durch seine Au en und Innenma e angedeutet W hrend das Pro fil vor dem Neutronenleiter durch den Monochromator und die Strahldivergenz bestimmt wird zeigt das Profil nach dem Speicher die Wirkungsweise des Neutr
268. r Regel w hrend des Ladevorgangs der Kondensa toren In Abb 3 19 ist die Auswirkung des Shutters demonstriert Gespeicherte Neutronen Neutronen us Neutronen us 0 44 FF 0 44 0 24 E ki 0 24 ol an ern nr Oe ee Ele te 856 858 860 862 864 866 868 870 872 856 858 860 862 864 866 868 870 872 Zeit ms Zeit ms Abbildung 3 19 Einfluss des Hochgeschwindigkeitsshutters auf das Speicherexperiment Z hlrate im Detektor ohne a und mit b Shutter Durch das Blockieren nachfolgender ISIS Pulse wird der Untergrund weitgehend entfernt heben sich bei Betrieb des Shutters deutlich vom geringen Restuntergrund ab das Signal zu Untergrund Verh ltnis wird um mehr als einen Faktor 30 verbessert Durch die nun frei w hlbare Speicherzeit Traversenzahl erm glichte der pneumatische Shutter auch die praktische Realisierung der Speicherung von Mehrfachpulsen 3 3 3 Gleichzeitige Speicherung mehrerer Neutronenpulse Von besonderer Bedeutung ist die in Abschnitt 2 5 diskutierte M glichkeit mehrere Neu tronenpulse gleichzeitig in den Speicher zu f llen Die erste Speicherung von zwei ISIS Pulsen gleichzeitig gelang 1997 gemeinsam mit D E Schwab und E Jericha Die Speiche rung von bis zu sechs Pulsen wurde im weiteren in 39 ausf hrlich untersucht Die zum Bef llen oder Entleeren des Speichers notwendige nderung der kinetischen Energie der Neutronen wird bei VESTA I mit Hilfe von zwei Elektromagneten erre
269. r die Wellenfunktionen der einzelnen Neutronen durchgef hrt werden F r N Teilchen erh lt man dann gt gt P P le 1 4 N xilelxi 4 1 Der Betrag eines so definierten Polarisationsvektors eines Ensembles P P lt 1 wird auch als Polarisationsgrad des Neutronenstrahls bezeichnet Das Gleichheitszeichen ent spricht dem Fall eines vollst ndig polarisierten Strahls Die Bewegungsgleichung des Po larisationsvektors P innerhalb eines homogenen Magnetfeldes entspricht formal der eines klassischen Dipols ZB 7 B t x P t 2 19 Ym ist das gyromagnetische Verh ltnis des Neutrons 1 83247 10 Hz T Der Polarisa tionsvektor pr zessiert dabei um die jeweilige momentane Feldrichtung mit einer Win kelgeschwindigkeit wr y B t die Pr zession erfolgt im Uhrzeigersinn Aus dieser Bewegungsgleichung lassen sich unmittelbar zwei Beziehungen ableiten d dP d gt do P 2P 0 sowie P B P 2 20 dt dt zl dt Si Die Suche nach einem etwaigen elektrischen Dipolmoment EDM stellt seit ber 40 Jahren eine Herausforderung an experimentelle M glichkeiten und f hrte zu wichtigen Adaptionen theoretischer Vor hersagen Oft wird mit dem Polarisationsgrad auch nur die z Komponente des Polarisationsvektors bezeichnet 4Q_ 2 Physikalische Grundlagen Abbildung 2 9 Ausrichtung und Bewegung eines magnetischen Moments in einem exter nen magnetischen Feld Bo Die L nge des Polarisationsvekto
270. rde mit 1 300 die Gesamtim pedanz mit 1 4000 skaliert Die Diskussion der Kurven erfolgt im Text L i i i IN 150 i N i NC Strom L1 g Strom L1 i SS GER i Fenna Fe N 100 Strom L2 iin 50 i H ii O Impedanz Schwingkreis 50 wt g Le pp gg E E 15 20 30 35 Frequenz MHz 50 Generatorstrom Generatorstrom r i 100 i if il i 150 i i il i t i H Abbildung 4 19 Relative Phase der einzelnen Str me Zus tzlich ist die Gesamtimpedanz des Schwingkreises skaliert mit 1 50 eingezeichnet Die Diskussion der Kurven erfolgt im Text 122 A VESTA H VESTA eigene Elektronik sondern auch umliegende Instrumente beeinflussen So konnte w hrend eines Tests ISIS nicht in Betrieb ohne ausreichende Abschirmung in der N he der IRIS Plattform Induktionsspannungen von 2 Vpp in einem 30 cm langen Testkabel ge messen werden hnlich Induktionsspannungen waren im gesamten IRIS OSIRIS Bereich feststellbar Besonders der emittierten Leistung ausgesetzt sind jedoch die Magnetpol kerne aus Weicheisen die mit der Masse der Stromversorgung verbunden sind und sich nur wenige Zentimeter vom Resonanzkreis entfernt befinden Mangelhafte Abschirmung f hrt hier zu einer Beeinflussung der Steuereinheit der Stromversorgung und damit zu einer Drift des Magnetfeldes Bp um mehrere hundert Gauss Weitere Effekte waren die Beeinflussung der Datenerfassungs Elektronik DAE sowie Systemabst rze des Messcom puters Aus diesem G
271. rden k nnen Die verbesserte Statistik erlaubt eine genauere Aufl sung der gespeicherten Neutronenpulse wodurch die in Abb 2 30 erwartete Dispersion des Neu tronenpulses bei langen Speicherzeiten untersucht werden kann Gemeinsam mit den kur zen Schaltzeiten des Spinflippers kann diese verbesserte Statistik auch zur erstmaligen Speicherung von thermischen Neutronen mittels Si 333 Reflex f hren Bisher war diese Messung aufgrund der geringen Intensit t dieser 2 Neutronen an IRIS ihrer hohen Ge schwindigkeit von 1892 m s sowie des f r sie reduzierten Akzeptanzbereichs des Speichers 37 nicht praktikabel Da sich die Si Kristallspiegel nun nicht mehr in dem engen Magnetjoch der gepul sten Magnete befinden sondern frei zug nglich sind kann auch an ihnen eine Weiterent wicklung des Speichers ansetzen Die Verwendung eines bereits in 34 vorgeschlagenen Stapels von Silizium Spiegeln auf unterschiedlichen Temperaturen siehe auch 80 kann zur Verbreiterung der Reflexionskurve implementiert werden Zus tzliche statische Ma gnetfelder k nnen am Ort der Kristallspiegel angebracht werden um einen Speicher des Typs IH zu realisieren Von hohem Interesse ist auch die berpr fung der Ergebnisse der Computersimulation bez glich des Einflusses der Kristallspiegel Justierung Durch die vorhergesagte Toleranz gegen ber einer Fehljustierung siehe Tabelle 3 3 1 erscheint ein Versuchsaufbau mit zwei voneinander unabh ngigen Kristallspiegeln
272. refurbishment cooldown and re establishment of intense beams will take 24 Hrs Updates will be given from tomorrow morning onwards The beam will go off at 6pm to commence refurbishment of the CH4 moderator cryogenic system Beam restored at 12 30 Hrs The main magnet power supply has been tuned and a screen power supply on system 9 RF replaced we expect beam at approximately 12 30 Hrs The beam will be turned off for approximately 1 hour at 11 00 to allow adjustments to be made to equipment We are still experiencing ring loss running at 50Hz We will run at 25Hz until the problem has been found Machine will be off for 20 minutes to investigate instability in the ring The problem with the beam display in R55 has been resolved Please report any further problems with the display direct to the controls group ext 5502 or by email to Bob Mannix There is a problem with the software for the beam display in R55 As it is telling lies it has been turned off Fix expected Monday Apologies for the inconvenience 50Hz beam restored at 17 09Hrs There is a problem with the machine timing system We are correcting the problems and will restore beam as soon as possible It is intended to run the beam at this level from now on 165 micro amps without any planned interruptions It is expected that beam to target will be 240 10 JUL 2002 9 JUL 2002 8 JUL 2002 8 JUL 2002 6 JUL 2002 5 JUL 2002 2 JUL 2002 1 JUL 200
273. requenz 1 04 GHz Pulsmodulation ON OFF gt 80 dB Schrittweite 1 Hz Anstiegszeit 4 us 10 90 RF Ausgang N Buchse Abfallzeit 4 us 90 10 Sweepschrittweite 10 ms 5s Rel Frequenzfehler lt 10 Tag 5 107 Signalverst rker 75A250 Frequenzband 10 kHz 250 MHz Eingangsleistung Nom 1 mW Ausgangsleistung Nom 100 W Ausgangsleistung Min 75 W Max Eingangsspannung 1 V Verst rkung max 49 dB min Max Eingangsleistung 20 mW Eingangswiederstand 50 Q Ausgangswiederstand 50 Q Min Frequenz Spule 10 MHz 196 B Tabellen Spin Flipper Resonanzspule Material Silber Kupfer Lange 97 mm Durchmesser 1 5 mm Breite 44 5 mm Windungen 14 H he 55 mm Speisewindungen 4 Min Frequenz 10 MHz Induktivit t 5 5 uH Kaltwiderstand 0 03 Q Plattenkondensator Al Platten 50x 200 5 mm Isolation Teflon 0 5 mm Uberdeckung 38x20 mm Plattenzahl 2 12 Plattenabstand 3mm Kapazit t 4 pF 12 pF Vakuumgef Material Edelstahl Au enma e 418x1350x400 158 mm Masse ca 171 kg Innenma e 380x1310x360 116 mm Oberer Ring 18x27 mm Oberer Deckel 20 mm Al 15 5 kg Seitenw nde 10 mm Magnetfenster 360 mm 310 mm Bodenplatte 20 mm Seitenfenster 149 mm 100 mm Pumpsystem Turbomolekular Me sonden Penning Rotationspumpe Pirani Volumen 82 Liter Druck gt 107 mbar Detektorsystem Detektor Spektrum Beschreibung Art Hochspannung V Vestal 3 Hauptdetektor He 3 Gas 1225 Channel 16 Vesta2 2 Side Detector Fence He3 Gas 1340 Channel 17 Vesta3
274. rgie 2 Physikalische Grundlagen Magnetfeld Magnetfeld B 1 Tesla B 1 Tesla Kinetische Energie RF Spin Flipper Abbildung 2 18 Vergleich der Energie nderungen f r den Fall eines statischen Magnet feldes ohne zus tzliche Resonanzspule links sowie unter Verwendung eines RF Flippers rechts Abb 2 19 veranschaulicht die m glichen Bauformen deren Prinzip in folgender bersicht nochmals zusammengestellt ist Gem dem Zeitpunkt ihrer Realisierung werden die Spei cher als Typ I und Typ II bezeichnet Wie in Abschnitt 4 1 1 n her beschrieben sind die beiden Kristallspiegel an VESTA durch eine gemeinsame Kristallbasis miteinander verbunden Typ I Beim Eintreffen der Neutronen an der ersten Kristallplatte wird ihre kinetische Energie die urspr nglich im Totalreflexionsbereich des Kristalls lag durch ein ge pulstes Magnetfeld soweit ge ndert dass sie die Kristallplatte durchdringen k nnen Da die Zeit die die Neutronen brauchen um durch die Platte zu treten klein ge gen ber der Pulsdauer ist kann das Magnetfeld als ann hernd statisch betrachtet werden Nach Abklingen des Magnetpulses besitzen die Neutronen wieder ihre ur spr ngliche Energie und werden zwischen den gegen berliegenden Kristallspiegeln hin und r ckreflektiert bis sie durch einen erneuten Magnetpuls an der zweiten Spiegelplatte in Richtung der Detektoren entlassen werden Typ IL Neutronen
275. risierten Neutronen wurden die Polarisatoren aus dem Strahlengang entfernt und erneut Speicherversuche mit unpolarisierten Neutro nen durchgef hrt Im wesentlichen entspricht der Strahlweg somit dem des Vorg nger experiments Es wurden die gleichen Einstellungen und Steuerfiles wie bei der Messung mit polarisierten Neutronen verwendet F r die verschiedenen Speicherzeiten ergaben sich folgende Werte welche in Abb 5 21 dargestellt sind Speicherung unpolarisierter Neutronen Run Traversen Speicherzeit Neutronen Puls 1659 4 13 493 ms 0 403 1660 10 33 733 ms 0 314 1661 16 93 973 ms 0 271 5 2 9 Vergleich der Speicherung von polarisierten und unpolarisierten Neutronen Betrachten wir nun einen Vergleich der Speicherversuche mit polarisierten und unpo larisierten Neutronen bei 4 Traversen Beide Versuche wurden mit gleichen Einstellun gen durchgef hrt es wird die Summe der drei Z hlrohre des Hauptdetektors dargestellt Abb 5 22 zeigt jeweils zwei aufeinander folgende ISIS Pulse die bei 54 ms und 74 ms bem Detektor eintreffen Der von den Polarisatoren unbeeinflusste Beam Monitor gr n zeigt bei beiden Versuchen ein identes Spektrum Da der Spin Flipper nur w hrend des 13Die Flugstrecken zwischen Monochromator und Detektoren wurden etwas l nger Es erfolgte noch keine optimale Justierung der Speicherkristalls und der Detektorposition Das Material der Vakuumfenster wurde auf Aluminium ge ndert 5 2 Messungen an der Neutronenq
276. rs bleibt somit unabh ngig vom zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes erhalten Die Komponente in Feldrichtung ist genau dann eine Erhaltungs gr e wenn sich diese Richtung nicht ndert Es kann aber gezeigt werden dass letzteres n herungsweise auch f r den Fall gilt dass sich die Magnetfeldrichtung nur langsam im Vergleich zur Lamorfrequenz ndert Da es die potentielle Energie des Neutrons praktisch unver ndert l sst wird ein derartiges Magnetfeld auch als adiabatisch bezeichnet 23 2 2 1 Rein r umlich oder rein zeitlich ver nderliche Magnetfelder Betrachten wir nun allgemein den Einfluss statischer und zeitabh ngiger Magnetfelder auf Impuls und potentielle Energie eines Neutrons Aufgrund des aus dem magnetischen Mo ment des Neutrons im u eren Feld resultierenden Potentials ergibt sich die Schr dinger gleichung in dieser Form f r nichtrelativistische Spin 3 Teilchen auch Pauli Gleichung genannt zu h2 iz 2mn V2 B F 0 YF t hyr t 2 21 F r den Erwartungswert eines Operators der Observablen gilt iA 5 5 A 2 22 Eine beobachtete Gr e bleibt somit genau dann konstant wenn obige Gleichung Null ergibt Im Falle eines statischen Magnetfeldes ergibt sich der Hamilton Operator H zu ee 0 Br a 2 23 Aus J ap in IN 0 folgt dass es zu keiner Anderung der Gesamtenergie E H kommt sehr wohl aber zu einer gegenl ufigen nderung von potentieller und kinet
277. ruht das Vakuumgef mit seinen oberen Plattformen auf dem Gestell aus Aluminium Profilen welches zum Einf hren in das Magnetjoch verwendet wurde Um den Einfluss von Vibrationen zu reduzieren kann in einem weiteren Schritt dieses Ge stell abgebaut und das Vakuumgef es auf Vibrationsd mpfer gelagert werden Die Steif heit des Vakuumgef es und der unteren Plattform sind f r diese Erweiterung ausgelegt Diese Option konnte bisher aus finanziellen Gr nden nicht realisiert werden da die vor gesehenen Mittel zur Anschaffung der pneumatischen Vibrationsd mpfer mehrmals den Budgetk rzungen zum Opfer fielen 4 6 3 Obere Plattformen Abgeschlossen wird das System aus Halterungen durch zwei obere Plattformen die am Boden des Vakuumgef es angebracht sind Sie nehmen die Halterung der Detektoren so wie optionale Blenden etc auf Beide Platten besitzen eine Dicke von 10 mm und sind mit einem 34x34 mm Gewinde Lochraster versehen Die Ma e der vorderen Platte betragen 300x600 mm die der hinteren Platte 500x600 mm Zus tzlich existiert eine Erweite rungsplatte 160x400 mm die an der vorderen Platte montiert werden kann In Abb 4 40 wurde die Position der L ngsachse des Speicherkristalls und die Position des Lochrasters 142 AL VESTA H 600 mm 500 mm 300 mm 160 mm Abbildung 4 40 Die oberen Plattformen 1 befestigt an der
278. rund wurde besondere Sorgfalt auf die Abschirmung der Anlage und die Wahl des Erdungspunktes gelegt Die Funktion des Faraday K figs wird bei VESTA von dem Edelstahl Vakuumgef bernommen Dieses ist elektrisch vollst ndig isoliert gegen ber dem restlichen Aufbau Grundger st Magnet Vakuumpumpe etc gelagert und nur ber die Kabelummante lung der RF Leitungen mit der Symmetriebox und somit mit dem Ausgang des Signal verst rkers verbunden Zus tzlich kommen die bereits beschriebenen Ummantelungen der Signalkabel zum Einsatz Durch diese Ma nahmen konnten die St rfrequenzen soweit ab geschirmt werden dass sie selbst im gepulsten Betrieb au erhalb der Vakuumbox nicht mehr nachweisbar waren und im elektromagnetischen Rauschen an ISIS untergingen Zus tzlich verbessert sich durch eine erfolgreiche Abschirmung das Stehwellenverh ltnis da die vom Signalverst rker emittierte Leistung nicht l nger zur ck reflektiert wird 4 3 5 Pulsbetrieb des Resonanzkreises Um als Mechanismus zum Befiillen und Entleeren des Neutronenspeichers zu dienen ist es notwendig den Spin Flipper in kurzen Pulsen zu betreiben in denen die Flip Wahrscheinlichkeit von ann hernd Null auf Eins variiert Die Flip Wahrscheinlichkeit kann bei dem verwendeten RF Flipper durch Verletzung der Frequenzbedingung 2 33 und oder der Amplitudenbedingung 2 34 gesenkt werden Wie in 2 4 behandelt kann dies im Prinzip durch Ver ndern eines beliebigen Parameters
279. rung bei Die bertragung von Vibrationen durch Schall wird als gering eingestuft da sich das Spei chersystem innerhalb des Vakuumgef es befindet Einen besonderen Fall stellen die eigen induzierten Vibrationen dar Beim Pulsen der Magnete kommt es infolge der Kr fte die an den Spulenwindungen auftreten und der Magnetostriktion des Jochmaterials zu starken Vibrationen die sich durch ein lautes Knacken bemerkbar machen Obwohl die Magnete auf je vier Gummipuffern gelagert sind kommt es zu einer messbaren bertragung dieser Vibrationen auf das gesamte Instrument Vibrationen von Kristallen und ihre Auswirkungen auf die Reflexion von Neutronen und R ntgenstrahlung stellt ein interessantes Forschungsgebiet dar siehe z b 83 des sen Erkenntnisse auch aktiv zum Instumentenbau gen tzt werden Vibrierende Kristalle k nnen beispielsweise ber die dabei auftretende Doppler Verschiebung zur Verbreiterung der Reflexionsbedingung verwendet werden In 84 findet sich eine Untersuchung der Aus wirkung von Vibrationen auf die Rockingkurven einer Doppelkristallanordnung In 42 findet sich eine Anwendung zur direkten Speicherung von Neutronen in Inneren eines mit Hochfrequenzen angeregten Siliziumkristalls Im Fall von VESTA kommt es auf Grund der Form des Kristalls und seiner Auflagepunkte ber die die Vibrationen bertragen werden haupts chlich zu Biegeschwingungen des Silizium Einkristalls und somit zu einer periodischen Anderung des Braggw
280. rwendet Derzeit nicht verwendet Derzeit nicht verwendet Derzeit nicht verwendet Einschub 1 bis 3 von oben Der zeit wird nur die Verwendung eines Boards unterst tzt Gemessene Frequenz des jeweiligen Einschubs Etwa 10 MHz Siehe Abschnitt 3 3 0 Cycle nicht aktiv 1 aktiv es werden jedoch keine Signale gesen det 3 aktiv senden von MS1 5 aktiv senden von MS2 7 ak tiv senden von MS1 und MS2 1 T 01 bis 10 ms 2 bis 60 ms 3 bis 600 ms Bestimmt durch T23 und Flugzeit bis zu den Detektoren z B Beginn Spin Flipper Betrieb z B Dauer Spin Flipper Betrieb Signal f r Schlie en des Shutters Dauer des Signals an Magnetventil Siehe Cycle_1 Fortsetzung auf n chster Seite 198 D Tabellen Fortsetzung von vorheriger Seite Beschreibung Konstruktionszeichnungen Im Folgenden wird eine Auswahl der fiir diese Dissertation angefertigten Konstruktions zeichnungen wiedergegeben VES NMRO001 Der verwendete NMR Magnet Bruker B E 25 C8 VES NMR002 Seiten und Aufsicht des NMR Magneten VES GRG001 Das Edelstahl Grundger st VES VAC010 Das Vakuumgef in verschiedenen Ansichten VES VAC003 Befestigungen der Plattformen Vakuumgef Bodenplatte VES POB001 Die oberen Plattformen VES VAC004 Der Aluminium Hauptdeckel VES VAC006 Die inneren Plattformen des Vakuumgef es VES MKBO001 Das Kristallbett des Speicherkristalls VES KBT002 Die Auflage des Kristallbetts VES MVS001 Seitenansi
281. s beztiglich der Speichermitte an 532 mm entsprechen den Positionen der Kristallplatten Der Pfeil deutet die aktuelle Flugrichtung des Neu trons an Positive Werte entsprechen der Flugrichtung der einfallenden ISIS Pulse der ersten Kristallplatte bis zum Eintritt in die Flipperspule ben tigen t 0 764 ms die Durchflugszeit des gesamten Neutronenpulses durch die Spule ts 0 309 ms sowie die Zeit bis die ersten Neutronen nach der Reflexion wieder bei der Spule eintreffen t2 1 378 ms Bei Einfachpulsen steht die gesamte Zeit t2 zur Verf gung um das RF Feld abklingen zu lassen bzw es wieder aufzubauen Die folgende Tabelle stellt eine bersicht der ersten 6 nachfolgenden ISIS Pulse dar sowie den zeitlichen Abstand zu dem bereits gespeicher ten Neutronenpuls steht f r einen entgegenkommenden Puls T f r einen mitlaufenden Puls Eine negative Zeit bedeutet eine entsprechende zeitliche berlappung innerhalb des Flippers bei einer angenommenen Pulsbreite von 150 us Zeitabst nde f r Doppelpulse Hauptpuls Zeitabstand At us Index 20 ms 1138 3 68 71 i 6 40ms 8985 1711 i 12 60ms 6587 410 91 i 18 SO ms 4189 650 71 i 24 100 m 1781 890 51 i 30 120 ms 60 7 113031 i 36 Man sieht dass f r einen Doppelpuls sowohl Puls 3 60 ms als auch Puls 4 80 ms ideal sind Sowohl f r des Ein wie auch das Ausschalten des RF Feldes steht jeweils ann hernd eine halbe Millisekunde zur Verf gung 2 5 Speicherung vo
282. s zu erm glichen Generell sollte die gesamte Anlage wartungsfreundlich und erweiterbar gestaltet werden Umbauarbeiten an einzelnen Tei len sollten mit m glichst geringer Beeinflussung der bereits get tigten Gesamtjustierung durchgef hrt werden k nne Da der Zugang zum Experimentierbereich stark eingeschr nkt ist sollten einzelne Komponenten auch rasch entfernt werden k nnen um ihren Umbau au erhalb des Strahlenschutzbereiches zu erm glichen Verwendete Materialien d rfen das homogene Magnetfeld nicht zu stark beeinflussen gleichzeitig muss eine wirksame Ab schirmung der RF Spule gew hrleistet sein Die Kosten der Prototypenfertigung m ssen im Rahmen der budget ren Mittel liegen Die Verlustrate von Neutronen in Luft wird in 64 mit 1 25 10 4m mbar an gef hrt Bei den derzeit an VESTA erreichbaren Speicherzeiten ist ein Vakuum von 1073 mbar bereits ausreichend um die Streuung der Neutronen w hrend des Speicher vorgangs weitgehend zu unterdr cken H here Anforderungen an das Vakuum stellt der Betrieb eines Resonanzkreises mit hohen Spannungen Mit sinkendem Druck steigt die freie Wegl nge der Ladungstr ger in Luft wodurch die Durchschlagsspannung um etwa ei ne Gr enordnung sinkt bevor sie auf Grund der reduzierten Ladungstr gerkonzentration wieder ansteigt Die Durchschlagspannung stellt somit eine ann hernd parabolische Funk tion des Druckes und des Abstandes zwischen den Polen dar die bei etwa 107 bis 10
283. s T23 auf die in Abb 3 15 dargestellten Zeiten Dies l sst sich anhand der in Abb 3 15 dargestellten Zeitstruktur diskutieren Ein Timer beginnt entweder mit dem Ende eines anderen Timers oder mit der n chsten ansteigenden Flanke des SMP Signals Der Modus 1 hebt die Unabh ngigkeit der verschiedenen Cycle hervor Die Zeiten des er sten Cycle Tx1 starten in der angegebenen Reihenfolge mit dem Ende des vorhergehenden Signals T12 des Cycle 2 startet mit dem ersten SMP Signal nach T02 T13 entsprechend mit dem SMP nach T03 Der Modus 2 verbindet nun Cycle 1 und Cycle 2 in der Weise miteinander das T12 mit dem Ende von T21 startet Cycle 3 bleibt unabh ngig Hierbei ist zu beachten das T02 kleiner als T11 T21 gew hlt werden muss Modus 3 verbin det in gleicher Weise nun Cycle 2 mit Cycle 3 Im Modus 4 werden nun alle drei Cycle miteinander verbunden T02 und T03 k nnen frei gew hlt werden solange sie vor den nachfolgenden Signalen T12 und T13 enden Zus tzlich existieren f r jeden Cycle auch noch die Timer TM und TE Diese Timer sind von der Wahl des Modus unabh ngig TM beginnt mit dem DAS TE mit dem Ende von TM F r jeden Cycle kann nun bin r codiert definiert werden nach welchem Timer ein Signal ber die entsprechende Geh usebuchse abgegeben wird und welcher Timer ohne Signalabgabe endet Ein Cycle kann auch deaktiviert werden Zeiten in einem deaktivierten Cycle werden ignoriert Signale werden keine gesendet Ein Ausschnitt aus den
284. satz einer Windungszahldichte N zuerst gewagt Abb 4 15 zeigt das mit Hilfe der Testspule Gleichstrom 5 A gemessenen Magnetfeld B entlang der z Achse im Vergleich mit der durch 4 2 vollst ndig bestimmten theoretischen Kurve Im Rahmen der durch die Positionierung der Sonde definierten Messgenauigkeit stimmen die Werte gut berein Will man die durch die Steigung der Spule verursachte Abweichung von B n herungsweise ber cksichtigen k nnte das durch 4 2 berechnete Feld mit dem Feld eines parallel zur z Achse liegenden stromdurchflossenen Drahtes berlagert werden 91 Gleichung 4 2 zeigt auch dass das Magnetfeld welches ein Neutron beim Durchque ren der Spule versp rt stark von der Bahn anh ngt auf welcher es den Flipper im Inneren des Neutronenleiters durchquert In Abb 4 16 ist das station re Magnetfeld B f r eini ge charakteristische Flugbahnen berechnet Die erste Flugbahn entspricht der bereits in Abb 4 15 berpr ften z Achse Die zweite Kurve entspricht einer Bahn nahe der Seiten fl che des Neutronenleiters die dritte Bahn einer Flugbahn in einem Eckpunkt des lichten 118 AL VESTA H Abweichung bei Neutronenleiter Wegintegral entlang z Abbildung 4 16 Variation des Magnetfeldverlaufes B innerhalb der Rechteckspule Die berechneten Kurven entsprechenden der z Achse 1 der Innenseite des Neutronenleiters 2 einer Innenkante 3 sowie einem Extrem wert 4 Zus tzlich
285. sche Feld Bo betrug 7946 Gauss Die Messwerte Punkte werden mit der Formel f r die Resonanzbedingung 2 33 verglichen zeigt die Neutronenz hlrate als Funktion der Anregungsfrequenz bei konstantem Magnet feld 7946 G Die Frequenz wurde mit Hilfe des Drehrades am Signalgenerator SMY01 in 0 5 kHz Schritten erh ht Eine automatische Messung mit Sweep Mode des BH15 oder des Signalgenerators war aufgrund der Instabilit t der Neutronenquelle nicht m glich Ver gleicht man die Messwerte mit den theoretischen Kurven gewonnen aus 2 32 l sst sich neben dem Wert f r AB auch die St rke des Magnetfelds B innerhalb der Resonanz spule sowie ihre effektive Spulenl nge l bestimmen Die folgende Tabelle gibt die f r die theoretischen Kurven aus Abb 5 12 und Abb 5 13 verwendeten Parameter wieder Fitparameter der Abb 5 12 Variation Magnetfeld fres 23 05 MHz Br 165G AB 43G A 62719 A ls 54cm 7930 lt Bo lt 7970G Fitparameter der Abb 5 13 Variation Anregungsfrequenz Bo 7946G Br 16G AB 43G A 6 2712 A ls 54cm 23 03 lt fres lt 23 07 MHz Somit ergibt sich die Resonanzbedingung der Anlage sowie AB zu Vergleicht man diesen Wert mit einem fr her gewonnenen Messwert 23 9 MHz 8242 G kann als Faustformel zum Finden der Resonanzbedingung folgende Gleichung verwendet werden Bo G 348 24 f MHz 80 82 Hierbei ist aber zu beachten dass diese Formel nur f r den momentanen Versuchsauf bau g
286. sches Wechselfeld in Flugrichtung der Neutronen erzeugt und sich in einem u ern Magnetfeld Bo befindet Im Falle eines rotierendes Magnetfelds B1 welches senkrecht zu dem statischen F hrungsfeld Bo steht B Z cos wt Boges amp t Bi sinwt 2 28 Datz l sst sich die Pauli Gleichung 2 21 durch Transformation in ein rotierendes Koordina tensystem exakt l sen 52 23 Die Wahrscheinlichkeit ein Neutron zum Zeitpunkt T im invertierten Polarisationszustand vorzufinden ergibt sich dabei zu Bot amp 2 sin E 1 ai Cell Bot 2 1 Stimmt die Frequenz des Feldes mit der Lamorfrequenz des Neutrons iiberein kommt es zu einem Umklappen der Spins und einer Anderung der kinetischen Energie von AE F 2uBo In der Praxis werden allerdings statt rotierenden meist oszillierende RF Felder Wrip T 2 29 B x t Bi coswt Bod verwendet die als berlagerung zweier gegenl ufig rotierender Felder betrachtet werden k nnen Durch das zweite Feld entsteht ein zus tzliches Feld im rotierenden Koordina tensystem Dies bedingt eine Verschiebung der effektiven Feldrichtung und somit auch eine nderung der Resonanzfrequenz Diese sogenannte Bloch Siegert Shift ist in erster N herung gegeben durch Bi Wr n Bo 1 F im 2 30 Da f r den Fall des Resonanzflippers B lt Bo gilt Bo 1 T By 5 G kann diese Verschiebung vernachl ssigt werden und das oszillierendes Feld analog dem rotierenden Feld behandelt werden
287. se aus Abb 4 5 l sst sich ein Arbeitsbereich defi nieren in dem das gew nschte Magnetfeld 1 0 1 T erreichbar ist Abb 4 6 zeigt den f r die gew hlte Parallelschaltung der Magnetspulen zur Verf gung stehenden Bereich Bei maximal zul ssigem Strom k nnen 1 1 T bis zu einer Spaltbreite von ca 9 cm er reicht werden Anzumerken sei hier dass die K hlung des Magneten bei Img gt 50 im Dauerbetrieb problematisch ist Hysteresekurve des Magneten Auf Grund der sehr scharfen Resonanzbedingung 2 33 ist es notwendig das Magnetfeld im Inneren des homogenen Bereichs exakt zu bestimmen Zum Vergleich der verwendeten Magnetfeldsonden wurde sowohl mit der Sonde des BH 15 als auch mit der des Bell Gaussmeters je eine Hysteresekurve in der Spaltmitte sowie an der Polschuhoberfl che vermessen Die Spaltbreite betrug bei dieser Messung 9 cm Abb 4 7 zeigt als Beispiel die Messkurve der BH15 Sonde in der Mitte des Polschuhspaltes F r die verschiedenen 4 2 Das Statische Magnetfeld Bo Spulen Serien Schaltung 14x10 4 B Feld Gauss a em SW li li N l T T T T T 5 10 15 20 25 Strom T T T T 4 6 8 10 Spaltbreite cm 12 107 Spulen Parallel Schaltung 14x10 4 12 104 B Feld Gauss oN FB D o LL I I T T T T T T 10 20 30 40 50 60 Strom 18x10 a N B Feld Gauss 3 T T T T T 4 6 8 10 12 Spaltbreite cm Abbildung 4 5 Ab
288. senen Resonanzwerten gut bereinstimmt Wie aus Abb 4 18 deutlich ersichtlich besitzt die Impedanz des gesamten Schwingkeises zwei getrennte Nullstellen Diese entsprechen der Resonanz des Parallel Schwingkreises bei 23 MHz sowie der Resonanz des Serien Schwingkreises bei 27 4 MHz Der Generatorstrom geht bei einer Parallel Resonanz gegen Null und erreicht bei einer Serien Resonanz sein Maximum Im Fall der Parallel Resonanz treffen sich die Kurven f r Iz sowie fiir Iz da nun der gesamte Strom durch beide Spulenteile gleichzeitig flie t Die maximale Spannung am Kondensator wird nahe der Serien Resonanz erreicht Hier geht der Stom durch die zur Anspeisung verwendeten Windungen L gegen Null es wirkt nur noch der durch L und C definierte Serien Schwingkreis Diese Resonanz des Serien Schwingkreises ist auch jene Frequenz bei der das Stehwellenverh ltnis SWR ein gemessenes Minimum von 1 3 erreicht Neben den Str men durch die einzelnen Spulen ist auch ihre Phase zueinander von entscheidender Bedeutung wie Abb 4 19 zeigt Bis zu der Serienresonanz 27 4 MHz sind die Str me durch beide Teilspulen in Phase Bei Erreichen der Serienresonanz kommt es zu einem Phasensprung des Stroms durch die Anspeisungswindung L von 180 Grad Dies bedeutet dass bei einer Frequenz ber 27 4 MHz das in L erzeugte Magnetfeld entgegen dem des durch La erzeugten gerichtet ist Auch die Phase des Generatorstroms weist eine Sprungstelle auf In der Parallel Re
289. slassmagnet 7 Detektoren 8 Shutter 9 Durch die Schaffung einer eigenen Beamline ergab sich der in Abb 3 14 dargestellte Aufbau des ersten permanent installierten Speichers Bereits eingezeichnet ist der in 3 3 2 beschriebene Shutter zur Unterdr ckung nachfolgender ISIS Pulse Entwicklung einer Steuerelektronik Mit seiner neuen Position als permanent installiertes Experiment wurde VESTA auch mit einer eigenen Datenerfassungselektronik DAE und Synchronisationselektronik SCE ausger stet Die Datenerfassung basiert auf der an ISIS verwendeten Standardelektronik bestehend aus einem Steuerrechner VAX oder Alpha Station mit Betriebsystem VMS 3 3 Ein Speicher Namens VESTA e Hl einer Einheit zum Aufarbeiten der Detektorsignale dem Instrument Crate sowie der zentralen Speicher und Synchronisationseinheit System Crate Das System Crate ver arbeitet hierbei die vom Instrument Crate kommenden digitalen Signale speichert die Impulse entsprechend ihrer zeitlichen Frfassung in Kan len ab und bernimmt die Syn chronisation mit der Neutronenquelle ber den Steuerrechner kann die Breite der Zeit kan le die Dauer einer Datenerfassung sowie die Anzahl der Wiederholungen in Zahl der Frames oder Ah eingestellt werden Nach dem Beenden eines Versuches im weiteren als Run bezeichnet werden die bis dorthin im System Crate gespeicherten Daten auf den Steuerrechner bertragen Im Gegensatz zu den an ISIS normalerweise betriebenen
290. sonanz bei der der Betrag von Ig gegen Null geht wechselt die Phase von 90 auf 90 und verl uft danach analog zu der Phase von La Obwohl diese Analyse nur als N herung betrachtet werden darf dient sie doch zum Verst ndnis des gemessenen Resonanzverhalten des Flippers W hrend sich f r die Parallel Resonanz etwa 23 MHz die im Abschnitt 5 2 pr sentierten Flip Wahrscheinlichkeiten er gaben konnte in der Serien Resonanz erwartungsgem keine Spininversion festgestellt werden Eine vollst ndigere Analyse der Anlage ist erstrebenswert geht aber aufgrund der gro en Einfl sse von Streukapazit ten und Wirbelstr men ber den Rahmen dieser Arbeit hinaus Abschirmung des RF Kreises Ein nicht zu untersch tzendes Problem stellt die effektive Abschirmung der Radiofrequenz der Anlage dar Mit einer Leistung von ber 75 Watt kann die Sendeanlage nicht nur die 4 3 Das Hochfrequenzfeld Us 1 6 pH L2 3 9 pH C 8 7 pF 0 4 F 03 p 02 t I i i i i i i i i i i i 121 Schwingkreis Impedanz 4000 E 2 Strom Spule L4 A 2 SA Generatorstrom D o oO Es E i o i na i ES 15 20 3 30 35 Strom Spule Ly i fy Frequenz MHz 0 1 eg i i H i a i i i 02 i if H I A H Abbildung 4 18 Verlauf der verschiedenen Stromamplituden im Schwingkreis als Funk P tion der Anregungsfrequenz gem Gleichung 4 8 Die ebenfalls einge zeichnete Spannung am Kondensator wu
291. sowie der aufw ndigen Umbauarbeiten einstellte Dementsprechend knapp bemessen war die f r den Einsatz des Prototypen zur Verf gung stehende Messzeit Heute stellt IRIS das am meisten berbuchte Instrument an ISIS dar Ein derartiger Umbau w hre auf Grund des hohen zeitlichen Ausfalls von IRIS nicht mehr praktikabel 3 3 Ein Speicher Namens VESTA Nach den erfolgreichen Tests des Prototypen wurde beschlossen den Neutronenspeicher in ein permanent installiertes Experiment umzuwandeln 65 63 Um einen Parallelbetrieb mit dem Hauptexperiment zu erm glichen musste der Speicher aus dem direkten Strahl entfernt werden Als L sung wurde die Entwicklung einer sekund ren Beamline gew hlt F r die Extraktion eines Neutronenstrahls kann hierbei ein pyrolytischer Graphitkristall mit den Abmessung 50x63x2 mm und einer Mosaikbreite von 0 4 durch eine ffnung im IRIS Neutronenleiter in den Prim rstrahl eingebracht werden Durch diesen Kristall werden in einem engen Wellenl ngenbereich Breite 0 05 A etwa 35 der Neutronen siehe auch Abb 3 24 aus dem IRIS Strahl reflektiert und stehen sowohl fiir Speicherexpe rimente als auch f r andere Experiment zur Verf gung So wurde an diesem im weiteren 78 d VESTA Abbildung 3 11 Konzept des ersten Neutronenspeichers Plexiglas Vakuumgef 1 An schluss fiir Vakuumpumpe 2 Einlassmagnet 3 Verstelleinrichtung des Auslassmagneten 4 Detektoren 5 Justierungs
292. ss 2 2 5 Speicherung von Mehrfachpulsen Von besonderen Interesse ist die M glichkeit mehreren Pulse gleichzeitig zu speichern Durch sorgf ltige Wahl der Schaltzeitpunkte lassen sich Neutronen in den Speicher f llen w hrend bereits Neutronen zwischen den Speicherplatten reflektiert werden wodurch der Neutronenfluss im Speicher erh ht wird Als Obergrenze l sst sich ein konstanter Fluss vorstellen welcher dem Peak Fluss der Quelle entspricht Diese Erh hung der gespeicher ten Neutronen f hrt unter anderem zu eine deutlichen Reduktion der ben tigten Messzeit bei Speicherexperimenten Auch vielf ltige Beam Manipulationen werden durch die Mehr fachpulsspeicherung erm glicht Da die Reihenfolge der Pulse beim Entlassen frei gew hlt z B umgekehrt werden kann l sst sich eine Abschw chung der Pulse w hrend der Spei cherzeit ausgleichen Auch ist es m glich mehrere gespeicherte Neutronenpulse gemeinsam aus dem Speicher zu entlassen und somit einen verst rkten l ngeren Neutronenpuls zu erzeugen Abb 2 26 Wie in Abb 2 32 dargestellt kann dies beispielsweise genutzt wer den um eine 50 Hz Quelle in eine 12 5 Hz Quelle zu transformieren wobei der totale Da F llen und Entleeren den gleichen physikalischen Prozess verwenden kann es auch zu einem un beabsichtigten Entlassen von Neutronen kommen 58 A Physikalische Grundlagen I F n z cm W Kristall 50 platte II 0 u Spin
293. ss Neutronen nur in geringem Ausma in der prim ren kosmischen Strahlung vorkommen und als sekund re Teilchen durch Hochenergiest e zwischen Protonen und Kernen der obersten Atmosph re erzeugt werden Nat rliche terrestrische Quellen f r Neutronen stammen von spontaner Kernspal tung schwerer Elemente U stellt hierbei die wichtigste Quelle dar Unter geeigneten Umst nden kann es bei nat rlichem Uran auch zu einer selbst erhaltenden Kettenreak tion kommen Ein solches Ph nomen stellt der 1972 durch die Franz sische Atomenergie beh rde CEA entdeckte nat rliche Reaktor in Oklo Westafrika dar Hierbei handelte es sich um eine Kettenreaktion in Uran die vor etwa 2 Millionen Jahren stattgefunden haben d rfte und ber einen Zeitrahmen von 5 4 10 bis 1 6 10 Jahren aktiv war Der Nachweis dieser Kernreaktion wurde durch Studium des U PU Verh ltnisses sowie nachfolgende detaillierte Untersuchungen diverser Spaltprodukte Nd Gd Sm Ru Pd erreicht Nat rliche Neutronenquellen tragen zwar oft zum gemessenen Untergrund bei sind jedoch f r eine praktische Nutzung zu schwach Zu den am h ufigsten verwendeten k nstlichen Neutronenquellen geh ren Radioisotopquellen Photoneutronenquellen sowie Beschleuni ger Forschungsreaktoren und Spallationsquellen Handelt es sich bei den beiden ersten um kleinere Quellen deren Einsatz auch in herk mmlichen Laboratorien erfolgen kann stellen die weiteren Quellen oft eigene Grossforsch
294. ss sich die Neutronen nach ihrer letzten Reflexion in Richtung Detektor bewegen Da Neutronen die vom oberen Teil der Platten reflektiert werden anschlie end von den Endst cken des Kristalls reflektiert werden bevor sie den Detektor erreichen ergibt sich f r beide Messungen eine gleichlange Flugstrecke W hrend der Messung wurde die Anzahl der Reflexionen f r den unteren Teil der Platten durch Ver nderung des Einfallswinkels zwischen 325 0p 86 und 1300 bei 0g 89 variiert Aus dem Vergleich der Z hlraten f r lange und kurze Schlitze wurde die Reflektivit t des Siliziumkristalls gem R 1 1 Se NBL NBS Nz Neaps bestimmt In dieser Formel bezeichnet ng die durchschnittliche Anzahl der Reflexionen 30 L Einleitung bei einem Winkel Die Indizes L und S beziehen sich auf lange oder kurze Schlitze BGDS auf die Untergrundz hlrate des Versuchsaufbaus Wie aus der folgenden Tabelle aus 41 ersichtlich ergeben sich ann hernd idente Z hlraten f r lange und kurze Schlitze woraus sich eine gemessene mittlere Reflektivit t von R 0 999976 ergibt Dieses Ergebnis ist in guter bereinstimmung mit dem berechneten Wert von 0 999952 f r 1 92 A 03 Nr Npon nei Ns Ngeps Nps R OR 87 15 0 416 0 007 466 0 420 0 007 116 0 999973 0 000070 86 10 0 652 0 008 340 0 6560 008 85 0 999976 0 000070 85 25 0 896 0 010 279 0 900 0 012 70 0 999979 0 000085 Zusiitzliche Messungen wurden nach dem Schne
295. ssionswahr scheinlichkeit J einer Spinkomponente einer Neutronenverteilung mit zwischen ya und y 2 2 Neutronen in Magnetfeldern DI ke 0 kp y Abbildung 2 12 Alternative Darstellung der Verschiebung der Reflexionskurven aus 51 Der Totalreflexionsbereich verschiebt sich bei vorhandenem externen Ma gnetfeld zu Neutronen h herer bzw niedrigerer Energie gleich verteilten y Werten erh lt man aus der Integration D 1 yotAy TE Ay tw 2 27 Yo Ya Ya Ay Abb 2 13 zeigt das Ergebnis der berechneten Transmissionswahrscheinlichkeit 37 als Funktion des anliegenden Magnetfeldes Bei etwa 1 5 T wird eine Transmissionswahr scheinlichkeit von 90 erreicht Wird wie in Abschnitt 3 3 3 experimentell gezeigt ein Magnetfeld von 1 T angelegt sinkt die Transmissionswahrscheinlichkeit auf etwa 60 ab Abbildung 2 13 Transmissionswahrscheinlichkeit einer Neutronenverteilung durch eine Siliziumkristallplatte bei Anlegen eines Magnetfeldes F r die verschie denen Siliziumreflexe wird die Verteilung der Neutronen im y Intervall 1 1 als gleich verteilt angenommen bernommen aus 37 46 2 Physikalische Grundlagen 2 2 3 Der Radio Frequenz Spinflipper Der RF Resonanz Spinflipper n tzt nun sowohl die Energieaufspaltung eines station ren F hrungsfeldes als auch die Wechselwirkung mit einem zeitabh ngigen oszillierenden Magnetfeld In der Regel besteht es aus einer Spule die ein magneti
296. ste Ausgangswiederst nde oder erh hte Eingangsleistung ist Zu beachten ist jedoch dass eine berschreitung der nominalen Eingangsleistung 1 mW um das zwanzigfache zu einer Besch digung des Ger ts f hren kann Bei dem verwendetem 50 2 Kabel entspricht dies einer nominalen Spannung von etwa 300 mV Es sollte daher unbedingt darauf geachtet werden dass nur Spannungen unter 1 Volt am Eingang anliegen Da der Widerstand des verwendeten Resonanzkreises ausschlie lich auf dem HF Widerstand der Spule be ruht d rfen zus tzlich nur Frequenzen vom mehr als 10 MHz angelegt werden da ein Betreiben des Verst rkers in einem Kurzschlu kreis ebenfalls zu vermeiden ist Kenndaten des Signalverst rkers Frequenzband 10 kHz 250 MHz Verst rkung max 49 dB min Eingangsleistung Nom 1 mW Max Eingangsleistung 20 mW Ausgangsleistung Nom 100 W Eingangswiederstand 50 Q Ausgangsleistung Min 75 W Ausgangswiederstand 50 Q Max Eingangsspannung 1 V Min empfohlene Frequenz 10 MHz 75A250 TYPICAL POWER OUTPUT 0 001 0 01 0 1 1 10 100 1000 FREQUENCY MHz Abbildung 4 10 Typische Ausgangsleistung des Signalverst rker Amplifier Research 75A250 Ubernommen aus der Ger tebeschreibung 4 3 2 Signal bertragung Die gro e r umlich Trennung von Resonanzkreis innerhalb des Experimenti
297. stellt einen wichtigen Schritt im bergang von einem reinen Experiment auf ein Instrument dar welches seine Verwendung in der Physik finden wird Aus den zahl reichen Anwendungen m chte ich nur zwei n her erw hnen die aus den Themenkreisen Festk rperphysik sowie Quantenmechanik stammen und die sich derzeit im Planungssta dium befinden Der Test von Neutronenleitern Mit dem Bau von neuen Neutronenquellen und der stetigen Verbesserung bestehender Quellen w chst auch das Interesse an immer besseren Neutronenleitern Im Gegensatz zu einer Erh hung der Quellenst rke stellen Verbesserungen des Neutronenleiters eine ko steng nstige M glichkeit der Intensit tssteigerung an Experimenten mit kalten Neutronen dar Neben der Untersuchung verschiedener Materialien und Mehrfach Schicht Strukturen ist auch der Einfluss von verschiedenen Produktionsmethoden von Interesse Hier stellt VESTA ein ideales Werkzeug zum Test von Neutronenleitern dar Durch ein nur 1m langes Testst ck kann aufgrund der hohen Flugstrecken im Inneren ein mehrere Kilometer langer Neutronenleiter simuliert werden und somit eine Qualit tskontrolle der Oberfl che etc erfolgen Ergebnisse der Computersimulation verschiedener Oberfl chen lassen sich so mit experimentell verifizieren wodurch eine bessere Planung neuer Instrumente und ihrer Neutronenverteilung erm glicht wird In einem ersten Schritt planen wir eine m gliche Alterung eines Floatglas Neutronen lei
298. stellte allerdings eine grundlegende nderung der physikalischen Bedingungen dar Zum einen kann es nun zu einer bertragung durch Schallwellen an Luft kommen zum anderen wird eine m gliche Ber hrung des vibrierenden Magneten mit dem Vakuumgef unterbunden Inwieweit die gemessenen Schwingungen den Betrieb des Neutronenspeichers repr sentieren wurde noch nicht gekl rt Auch die Messung der Vibrationen am Neutronenleiter steht noch aus Es kann angenommen werden dass die Neutronenspeicherung nicht im gleichen Ausma sensibel auf Vibrationen reagiert wie z b die Neutroneninterferometrie die Frage inwieweit die Vibrationen f r den hohen Verlust der gespeicherten Neutronen in den ersten 300 ms siehe Abb 3 18 mitverantwortlich sind konnte bisher nicht entschieden werden Die zeitliche bereinstimmung der Dauer der Vibrationen mit dem Bereich des hohen Verlusts sowie der Tatsache dass Neutronen diesen Vibrationen bei etwa 60 aufeinander folgenden Reflexionen an jedem Kristallspiegel ausgesetzt sind erscheint zumindest interessant Eine weitere Quelle f r eigen induzierte Vibrationen stellt der in 3 3 2 beschriebene pneumatische Shutter dar Dieser erzeugt sowohl durch die freigesetzte Pressluft als auch durch seine rasche Abbremsung an den Endpunkten der Bewegung sowohl Schallwellen als auch ber den Boden bertragenen Schwingungen Aufgrund seiner N he zum Fx periment stellt er nach den Magneten die gr te Quelle f r Vibrationen
299. stgebenden Experiment IRIS Obwohl VESTA nicht ausschlie lich f r den Einsatz an ISIS entwickelt wurde ist es doch ber viele Parameter Pulsstruktur Wellenl ngen verteilung etc und nicht zuletzt ber die verwendete Steuerungs und Datenerfassungs elektronik eng mit seiner Umgebung verwoben 3 1 1 Die Neutronenquelle ISIS Bei ISIS handelt es sich um eine gepulste Neutronen Spallationsquelle Bei der Spallation wird ein Target z b Uran oder Wolfram mit hochenergetischen Protonen beschossen wodurch pro auftreffendem Proton etwa 15 Neutronen Wolfram freigesetzt werden Der Vorteil von gepulsten Quellen ist dass in einem kurzen Puls eine hohe Neutronendichte er reicht wird obwohl nur relativ wenig W rme etwa 160 kW im Target deponiert wird und abgef hrt werden muss Gleichzeitig wird den erzeugten Neutronen eine Zeitstruktur mit gegeben sodass ber Flugzeitanalyse time of flight TOF Energie aufl sende Messungen erm glicht werden An ISIS beginnt die Neutronenerzeugung mit einer Penning H Ionenquelle Abb 3 1 1 die sich auf einem Potential von 665 kV befindet Der extrahierte H Strahl wird zuerst gegen ber Erde beschleunigt und tritt dementsprechend mit einer Energie von 665 keV in den Linearbeschleuniger LINAC 2 ein Am Ende des LINAC erreicht der beim Beschleunigen in Pulsform gebrachte H Strahl 22 mA eine Energie von 70 MeV bei einer Pulsl nge von 200 ms Vor dem Eintritt in das Synchrotron 3 werden
300. strecke gem den in Abb 5 10 angegebenen Werten dar Der Zeitpunkt an dem die Neutronen den Spin Flipper durchqueren ist angedeutet Der wiedergegebene Zeitrahmen von 20 ms wiederholt sich entsprechend der 50 Hz Frequenz von ISIS durch die Anzahl der Durchl ufe Frames und somit durch die Messzeit bestimmt Die re lative H he der Signale ist durch die Art der Detektoren sowie ihre Position im Strahlgang bestimmt W hrend der Low Efficiency Beam Monitor die meisten Neutronen durchl sst absorbieren die He Z hlrohre nahezu jedes eintreffende Neutron Die Nebendetektoren S2 S4 befinden sich schr g hinter dem Hauptdetektor 3 welcher durch seine zentrale Position im Strahlgang die meisten Neutronen detektiert W hrend f r Justierungen nor malerweise nur der Hauptdetektor verwendet wird wird f r Speichermessungen meistens die gesamte Intensit t S3 S2 S4 in Betracht gezogen Da sich der Beam Monitor vor der Messanlage befindet und somit die von der Quelle eintreffende Neutronenzahl wieder gibt werden einzelne Messungen innerhalb einer Serie auf diesen Monitor normiert Es wird hierzu das Integral zwischen 49 und 51 ms verwendet Durch oftmals notwendige nderungen im Strahlgang Entfernen der Polarisatoren Anbringen von Blenden etc k nnen die Signalh hen verschiedener Me serien jedoch nicht direkt miteinander vergli chen werden Die unterschiedlichen Detektoren sind im Abschnitt 4 7 beschrieben 158 D Experimente
301. t Deutlich ist ihr Signal an der abklingenden Flanke des Hauptpulses zu erkennen In der Kontrollmessung mit ausgeschalteter Flipper Anregung fehlt dieses Si gnal Gleichzeitig ist die gesamte Z hlrate erh ht da es nun zu keiner teilweisen nderung der Spinausrichtung durch den Flipper kommt Neutronen deren Spin invertiert wurde werden ja vom Analysator absorbiert wodurch die Z hlrate erniedrigt wird 5 2 6 Synchronisierter Betrieb des Spin Flippers Der mit dem Eintreffen der Spallationsneutronen synchronisierte Betrieb des Spin Flippers stellt die eigentliche Betriebsart von VESTA dar In ihr kann der Ein und Ausschaltzeit punkt f r den Flipper frei gew hlt und somit an die gew nschte Messung angepasst werden Dies geschieht ber die in Abschnitt 4 3 5 beschriebene Unterdr ckung der Resonanzkreis anregung Der Zeitpunkt und die Dauer dieser Unterdr ckung wird mittels der in Ab schnitt 3 3 beschriebenen Synchronisationselektronik SCE bestimmt Die Dauer des Spin Flipper Betriebes kann in zwei verschiedenen Moden eingestellt werden Im so genannten Toggle Modus wird die Anregung des Flippers mittels zweier unabh ngiger Signale freigegeben bzw unterdr ckt Die Dauer des Flipperpulses ist somit frei f r jeden Puls w hlbar Mit ihr lassen sich Speicherungen wie in Abb 2 26 dargestellt realisieren bei der das System mit zwei oder mehreren Neutronenpulsen gef llt wird die mittels eines langen Flipperpulses gemeinsam w
302. t im Aktzeptanzbereich des Leiters liegen nicht zu einer erh hten Untergrundz hlrate bei Abgeschlossen wird der Transport durch einen sich verengenden Nickel Titan Leiter der den Strahlquerschnitt auf 32x21 mm verengt und zu einer Erh hung des Neutronenflusses um den Faktor 2 9 bei 5 A f hrt Dadurch ergibt sich an der Probenposition das in Abb 3 6 gezeigte Neutronenspektrum Vergleicht man diese aus 2001 stammende Darstellung mit fr heren 37 35 so f llt auf dass die Z hlraten um ann hernd einen Faktor zwei h her angegeben werden Dieser Gewinn im Neutronenfluss wird durch die Installation des Ni Ti Supermirror anstelle des zuvor verwendeten Neutronenleiters aus poliertem Stahl Abb 3 5 begr ndet Da aber im gleichen Zeitrahmen auch die Effizienz des Detektorsystems an IRIS erh ht wurde ist diese erh hte Z hlrate nicht eindeutig dem Supermirror zuzuweisen Das Instrument IRIS selbst besteht aus einem Vakuumgef O 2 m welches zwei Analysator Kristallb nke enth lt Pyrolytischer Graphit und Glimmer Mica die jeweils ein Feld von zirka 50 ZnS Scintillator Detektoren versorgen Zus tzlich existieren 10 He Gas Detektoren in 170 R ckstreuung Um die thermisch diffuse Streuung zu minimieren wird die Graphit Bank auf ann hernd Fl ssig Helium Temperatur ca 4 10 K je nach Position gek hlt Da sich die Position von VESTA etwa zwei Meter vor IRIS befindet ist besonders der IRIS Incident Beam Monitor welcher sic
303. t t einer Neutronenleiterglasplatte aus Floatglas gem Abb 2 6 37 1 07 0 87 0 67 R 6 8 0 45 0 27 0 0 i r 0 9 1 0 1 1 1 2 1 3 8 8 Abbildung 2 6 Die Reflektivit t einer Floastglas Neutronenleiterplatte unter Ber ck sichtigung der Absorption und der makroskopischen Welligkeit Uber nommen aus 37 2 1 3 Das zusammengesetzte System Setzt man nun die in den vorhergegangenen Kapiteln gewonnenen Erkenntnisse zusammen ergibt sich ein Akzeptanzbereich fiir gespeicherte Neutronen im geschlossenen Speicher volumen aus Kristall und Leiter Im symmetrischen Bragg Fall l sst sich die Reflexion am 2 1 Der Perfektkristallspeicher 39 Perfektkristall durch ein zweidimensionales Problem beschreiben Mit den Definitionen 0 05 200 kz k cos 60 k k kg 2 14 l sst sich y fiir kleine Abweichung des Betrages des Wellenvektors 6k lt kg und kleine Winkelabweichungen von der Bragg Bedingung schreiben als 1 60 k ee l 2 1 y wl Ke 5 sl 2 15 Betrachtet man die Grenzen des Totalreflexionsbereichs y 1 vergleiche Abb 2 3 kann ihr Verlauf als Funktion von 60 dk kg ausdr ckt werden k k 1 k 1 1 gt 0_ 4 2 Akl gt Akl S LC E e kp gd fia 1 1 y 1 gt A E Sg Zil _ gt of Ak 1 2 16 kp kp foc kB fog Mit dieser Definition l sst sich der Akzeptanzbereich des zusammengesetzten Speichers vera
304. taktgabe f r mehr als 10 ms erforderlich ist Auch die Verwendung des GPIB Busses wird durch die Tatsache beschr nkt dass die Einschwingzeiten bei Frequenz nderungen mit lt 60 ms im Datenblatt angegeben werden Lediglich die Verwendung des BLANK Ein gangs erm glicht das rasche Unterdr cken des Signalausganges Die Anstiegszeit 10 90 sowie die Abfallzeit 90 10 des Ausgangspegels wird mit typischerweise 4 us an gegeben Die Verwendung der Pulsmodulation wird softwarem ig aktiviert die Polarit t des TTL Signals kann durch die Zusatzfunktion BLANK Polari t invertieren gew hlt werden Bei ausgeschalteter Zusatzfunktion wird der RF Pegel bei TTL Eingangspegel HIGH ausgetasted bei eingeschaltener Zusatzfunktion bei LOW Softwareoptionen der Pulsmodulation Pulsmodulation Ein Special 9 BLANK invertiert Ein Special i1 Pulsmodulation Aus Special 10 BLANK invertiert Aus Special 12 Anzumerken ist dass es aus Sicherheitsgr nden vern nftig erscheint den RF Pegel nur dann freizugeben wenn ein HIGH Signal anliegt Dadurch kann ein irrt mliches Betrei ben des Flippers durch Unterbrechen einer Kabelverbindung oder hnlichem vermieden werden 112 A VESTA TT Der Signalverst rker Zum Einsatz kommt ein Verst rker der Firma Amplifier Research vom Typ 75A250 mit einem Frequenzband von 10 kHz bis 250 MHz Es handelt sich hierbei um einen trag baren luftgek hlten Breitbandverst rker der relativ unempfindlich gegen unangepas
305. te vor und nach dem Puls erfolgen oder aufgrund der Periodizit t der Quelle durch Vergleich mit einem benachbarten Zeitrahmen Neben der integralen Z hlrate ist auch die in Abschnitt 2 5 n her untersuchte Form des Neutronenpulses von Interesse 33 34 A Physikalische Grundlagen Neutronenleiter Kristallspiegel Abbildung 2 1 Ein Neutronenspeicher bestehend aus zwei Kristallspiegel und einem Neu tronenleiter Die Anzahl der detektierten Neutronen ist neben der Speicherzeit auch von einer gro en Reihe anderer Parameter abh ngig Diese reichen von den Eigenschaften der Kristallspie gel und des Neutronenleiters ber ihre Ausrichtung bez glich des einfallenden Strahls ihre Ausrichtung zueinander der Qualit t des Vakuums der Effizienz des F ll und Entleer mechanismus bis hin zu Umwelteinfl ssen wie Vibrationen Ein Gro teil der bisherigen Arbeiten an dem Neutronenspeicher widmete sich der Charakterisierung dieser Einfl sse Eine Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse findet sich in Kapitel 3 Neben den experimentell zug nglichen Parametern etwa der Justierung des Neutronenleiters exi stieren auch solche die praktisch nicht zug nglich sind oder aufwendige Umbauarbeiten ben tigen w rden etwa die Oberfl chenwelligkeit und L nge des Neutronenleiters Hier setzt eine Monte Carlo Computersimulation an die es erm glicht den genauen Grund und Ort zu erfahren wenn ein Neutron im Speicherprozess verloren geht G
306. te zum Aufrufen Taste zur Eingabe Bedierteld zum Setzen Bedienteld zur Werteingabe Drehknop zur Variation Netzschalter Ausgang der RF eines definierten von Shitt Funktionar des Parameters auf den f r den im Parameterfeld ge des im Parameteriekd N Buchse 500 Grundzustands sich Werteingabe und setzten Parameter gesetzton Parameters instrument Preset Variation beziehen sollen Mit den ON OFF Tasten k nnen gesetzte Parameter Ti h n Gin bzw ausgeschaltet werden BNC Ausgang des aulHandpederung _LED Anzegebeien 8 Kombination mi der SHIFT AF Signab Wetore und zur Eingabe bzw geschalteter Spezia Taste k nnen Spezialturktionen Informationen im Ka Anzeige der IEC Bus funktion oder im eingesteit werden pite AF Modulatr Adresse Fehlertaik Weitere Informationen onstrequenz intern Weitere Informationen Weitere Informationen Im Kapitel Spezialtunktionen im Kapitel IEC Bus im Kaptel Status Adresse Abbildung D 1 Vorderansicht des verwendeten Signalgenerators Rohde Schwarz SMY01 mit den Bedienelementen und dem RF Ausgang Ubernommen aus dem Benutzerhandbuch der Ger tes Ausgang der internen Referenzfrequenz bei Referenz intern Eingang der externen Referenzfrequenz bei Referenz extern Weitere Informationen im Kapitel Referenzfrequenz int ext BNC Eingang zum schrittweisen Aufruf von BNC Eingang zum Aus gespeicherten Einstellungen Ein Kurzschlu tasten des Pegels Netzspannungsanschlu Wert der Netzsicher
307. tellen Auch teilweise durchl ssige Spiegel eignen sich f r eine begrenzte Anzahl von Reflexionen Die Transmission kann etwa ber die Plattendicke oder den Einfluss von statischen Magnetfeldern fixiert werden Von besonderem Interesse ist jedoch die aktive a c Abbildung 1 10 M gliche Prinzipien der Speicherung a Geometrie b halbdurchl ssige Spiegel c Ver nderung der Reflektivit t Beeinflussung der Reflektivit t einer Kristallplatte W hrend die beiden ersten Speicher arten als passiv anzusehen sind bei denen die Neutronen nach einer vorgegebenen Zeit den Speicher verlassen lassen sich mit dieser aktive Speicherung geschlossenen Spei chervolumen realisieren in denen die Speicherzeit f r jeden Speicherversuch frei w hlbar ist Diese aktive Speicherung von Neutronen stellt den zentralen Aspekt des Wiener Neu tronenspeichers VESTA dar Das Projekt VESTA In einem 1985 ver ffentlichten Artikel von H Rauch 34 wurde ein Speicher f r monoener getische Neutronen vorgestellt dessen Prinzip auf aufeinander folgenden Reflexionen an zwei in R ckstreugeometrie angebrachten Kristallen basiert Das Bef llen erfolgt hierbei durch die Beeinflussung der kinetischen Energie dieser Neutronen mittels Magnetfeldern Die erste experimentelle Umsetzung dieses Vorschlags wurde im Rahmen einer Disser tation von M Schuster 35 realisiert die erste Neutronenspeicherung fand im November 1989 statt 36 1992 wurde d
308. ters durch Oxydation nach langer Lagerung an Luft zu untersuchen Quanten Zeno Effekt Ein interessantes Beispiel aus der Quantenmechanik stellt die experimentelle berpr fung des Quanten Zeno Effekts QZE 97 dar Der QZE besagt dass ein h ufiges Messen eines Zustands dessen Entwicklung verlangsamt und im Limit einer st ndigen Messung verhin dert In 98 wird eine Messung dieses Effekts anhand des Spin Zustands von Neutronen diskutiert Die in Abb 6 3 dargestellte schrittweise Spinrotation wird bei VESTA durch mehrmaliges Durchqueren des RF Flippers erreicht dessen Flip Wahrscheinlichkeit frei einstellbar ist Da mit einer Spin nderung auch eine Energie nderung verbunden ist und Neutronen mit ge nderter Energie nicht im Speicher verbleiben stellt die Reflexion an den Kristallplatten bereits eine Messung des Zustands dar In einer abgewandelten Ver suchsanordnung kann am Ort der Kristallplatten ein zus tzliches statisches Magnetfeld verwendet werden Die St rke von VESTA in der Realisierung einer QZE Messung besteht in der freien Wahl der Anzahl der Zustandsmessungen Sowohl wenige Messungen als auch mehrere Zu beachten ist jedoch dass bei der Verwendung von hochfrequenten Magnetfeldern derzeit Ein schr nkungen bez glich des Leitermaterials existieren Die Einstellung der Flip Wahrscheinlichkeit kann etwa Computer gesteuert ber Variation des Signal generatorausganges erfolgen 180 D Zusammenfassung tausend Zust
309. the storage apparatus Although primarily designed as a neutron optical device which fully exploits the peak flux of a pulsed neutron source it may also be used for measuring fundamental proper ties of the neutron and quantum physics effects Due to the high number of reflections of neutrons inside the device several thousand and the resulting long flight path several mi les it is in principle a powerful tool for testing neutron guide tubes and mirror materials This work continues the ongoing development of the neutron storage device known as Viennese Neutron Storage Apparatus VESTA The aim was to demonstrate that a fast switching radio frequency spin flipper can be used to gate the entrance and exit of neutrons from the storage cavity such that limitations of previous systems could be overthrown A prototype of such a device has been constructed and successfully installed at the pulsed neutron source ISIS near Oxford We were able to demonstrate that this new system is capable of using the neutrons provided by ISIS much more efficient than before With its high level of flexibility the new gating mechanism is capable of feeding multiple pulses with the same intensity into the system The accumulated intensity can be manipulated and released independent of the source pulse structure This opens up new horizons for ad vanced beam tailoring and flexible use of the neutron intensity produced at pulsed sources After a general introd
310. tierung des Neutronenleiters bez glich des Kristalls erfolgte ber zwei Linearmotoren die in einem Abstand von 333 mm vom Drehpunkt angebracht waren und es erm glichten den Leiter sowohl vertikal wie auch horizontal zu verstellen Da sich der Leiter nahe den gepulsten Magneten befand wurde statt der blichen Nickelbeschichtung ein unbeschichteter Float glas Neutronenleiter verwendet um Vibrationen aufgrund von induzierten Wirbelstr men zu vermeiden Das System aus Speicherkristall und Neutronenleiter befand sich in einem Vakuumgef um die Streuung von Neutronen an Luftmolek len zu minimieren Die Ver lustrate von Neutronen an Luft wird in 47 mit 1 25 10 m mbar angegeben und deckt sich mit sp teren Messungen Da sich die f r die Erzeugung des Magnetfeldes verwende ten Elektromagnete aus K hlungsgr nden au erhalb des Vakuumgef es befinden sollten mussten die Endst cke des Vakuumgef sses zwischen Kristall und Magnetjoch eingepasst werden Es musste also ein Material gew hlt werden welches keine oder nur geringe elek trische Leitf higkeit besitzt gleichzeitig mussten die Stirnfl chen des Gef es f r Neutro nen transparent sein Als L sung wurde ein Vakuumgef aus Plexiglas gew hlt welches durch ein inneres Edelstahlger st stabilisiert wurde Plexiglas bietet neben seiner gerin gen Leitf higkeit auch den Vorteil einer optischen Kontrolle der Anlage im Inneren Als Fenster f r den Neutronen Ein und Austritt wur
311. tion f r die Neukon struktion der Anlage dienten Perfect Crystal Neutron Optics Kontraktnummer ERB FMRX CT96 0057 67 68 A VESTA Historische Ubersicht der Entwicklung des Neutronenspeichers 1985 H Rauch Vorstellung des Konzepts eines Neutronenspeichers 34 1989 M Schuster Realisierung des Prototypen 36 47 64 65 1990 M Schuster Dissertation Ein Perfektkristall als Neutronenspeicher 35 1993 E Jericha Erster permanent installierter Neutronenspeicher 63 66 67 1996 E Jericha Dissertation Speicherung kalter und thermischer Neutronen mit Perfektkristallen an einer gepulsten Quelle 37 M J kel Diplomarbeit Optimierung eines Neutronenresonators 38 1998 D E Schwab Diplomarbeit Speicherung mehrfacher Neutronenpulse mit einem Silizium Perfektkristall 39 68 1998 M J kel TMR Fellowship an ISIS bis Ende 2001 62 2000 R Loidl Diplomarbeit Einfluss von Vibrationen auf die Speicherung von Neutronen 40 V Corregidor TMR Fellowship 6 Monate 69 G Evrard TMR Fellowship bis 2002 50 2001 M J kel Installation der Neukonstruktion 2002 M J kel Erster erfolgreiche Neutronenspeicherung der neuen Anlage 3 1 Die gastgebende Forschungseinrichtung Die Geschichte von VESTA ist auch die Geschichte einer langj hrigen Kooperation des Atominstituts der sterreichischen Universit ten Wien mit der gepulsten Neutronenquel le ISIS am Rutherford Appleton Laboratory nahe Oxford England und insbesonders mit dem ga
312. to e 15 t lt to 2 41 Io ist eine charakteristische H he der Neutronenverteilung to bezeichnet den zeitlichen Beginn der Verteilung At charakterisiert die Breite der Funktion ber den in Klammern angegebenen Term Ip l sst sich eine vorhandene Untergrundz hlrate ber cksichtigen Die erste Ableitung dieser Funktion liefert als Nullstelle den Zeitpunkt des Verteilungsmaxi mums tm tm to 2At At 5 f tm All 0 543134 At 2 42 woraus sich im weiteren die Halbwertsbreite Aty aus der Bedingung f t 1 2f tm zu 3 39468 At ergibt Der Begriff Pulsform bezieht sich hier auf die statistische Verteilung von Neutronen ber mehrere Frames gemittelt Aufgrund der geringen absoluten Neutronenzahl pro Frame befindet sich meist nur ein Neutron pro Puls im Speicher 62 A Physikalische Grundlagen 300 4 to 67 816 ms At 4 332 105 250 4 Ip 24 176 108 200 150 7 100 7 Neutronen Zeitkanal 10 us 7 T T T l 3 68 4x10 Detektionszeit s Abbildung 2 29 Vergleich eines fiir 4 Traversen gespeicherten Pulses mit der Gleichung 2 41 fiir epithermische Neutronen Auch fiir kalte Neutronen wird die Pulsform ann hernd korrekt beschrieben Auch nach dem Graphit Monochromator beh lt der einfallende Puls diese Form Sie spiegelt sich auch in der zeitlichen Verteilung gespeicherter Neutronen wieder Abb 2 29 zeigt die Anpassung der in 2 41 angegebenen Fitfunktion an einen mit VESTA I
313. tronenleiters nahe seiner Enden an Die Drehung in der y z Ebene des Speicherkoordinatensystems kann um einen Drehpunkt in der Mitte der Neutronenleiterbreite erfolgen F r die Drehung in der x z Ebene stehen mehrere Drehpunkte zur Auswahl die sich durch die resultierende Bewegung des Neutronenleiters unterscheiden Betrachten wir allgemein die Bewegung eines Punkts 7 bei einer Drehung 0 um ein beliebiges Drehzentrum zo cos sin rn Ty T m re i T To o Em mit S Ee cos d Die Bedeutung dieser Bewegung ergibt sich aus den geringen Zwischenr umen zwischen Neutronenleiter und Speicherkristall Bei optimal montiertem Leiter stehen nur 0 5 mm an den Enden und etwa 1 5 mm bez glich der Basis zur Justierung zur Verf gung In Zi ei 6 4 dz X4 X2 X4 S dz x iss to 0 5 1 15 Ki 5 dz mm 10 ah X2 x 15 X 10 2 X4 TS 0 4 0 2 0 0 2 0 4 3 _5 dz mm 10 x Zi 4 15 Abbildung 4 33 Bewegung der Eckpunkte x des Neutronenleiters bei Rotation um ver schiedene Drehzentren in Abh ngigkeit des Drehwinkels Der gezeichnete Drehwinkel von 14 5 mrad ergibt sich aus der maximalen Fahrstrecke der Linearmotoren a Gew hlter Rotationspunkt b Rotationsachse unterhalb des Neutronenleiters und Si Bett c Rotation im Schwer punkt des Neutronenleiters Abb 4 33 sind die Bewegungen der Eckpunkte des Neutronenleiters in der x z Ebene f r
314. tterparameter nur f r eine bestimmte Wel lenl nge und ihre ganzzahligen Bruchteile m glich ist Als Monochromatoren kommen sowohl Perfektkristalle als auch Mosaikkristalle zum Einsatz Letztere bestehen aus ein zelnen Perfektkristallbereichen Mosaikbl cke die zueinander r umlich versetzt sind F r Neutronen kann der Verlauf der Mosaikmuster meist durch eine Gauss Verteilung beschrie ben werden Durch Mosaikkristalle lassen sich die Intensit tskurven der Reflexe deutlich verbreitern Vibrierende Kristalle Eine weitere M glichkeit der Verbreiterung der Reflektivit t wird in 19 beschrieben F r den Fall der R ckstreugeometrie Einfallswinkel Ausfallswinkel 90 wird eine 1 3 Neutronenoptik 28 hohe Energieaufl sung der Gr enordnung 1077 eV erreicht Durch die Anregung eines Silizium 111 Kristalls mit einer Frequenz von 2 30 MHz wurde eine deutliche Verbrei terung der Reflektivit t in Abh ngigkeit der Anregungsamplitude erreicht die Angaben in Abb 1 5 entsprechen den Spannungen die an den Piezo Kristall angelegt wurden Die Funktionsweise des verwendeten Doppler Drive Spektrometer wird in Abschnitt 2 2 4 n her beschrieben o 0 0 V TRANSMITTED INTENSITY 120V a 35 0 V 0 u 2072 2076 2080 2084 2088 NEUTRON ENERGY peV Abbildung 1 5 Versuchsaufbau und Ergebnis einer Transmissionsmessung aus 19 bei der ein Siliziumkristall mit einer Frequen
315. uclear Physics 32 351 373 1994 M A Adams W S Howell and M T F Telling The IRIS User Guide ISIS Facility Rutherford Appleton Laboratory Chilton Didcot OX11 0QX 2nd edition January 2001 C J Carlile and M A Adams The design of the IRIS inelastic spectrometer and improvements to its analysers Physica B 182 431 1992 C J Carlile M A Adams P S R Krishna M Prager K Shibata and P Wester huijs Less background better contrast by cooling the analyser crystals Nucl Instr and Meth A 338 78 1994 David Martin y Marero Dennis Engberg and Ken H Andersen OSIRIS the pola risation analysis spectrometer and diffractometer at ISIS Physica B 276 278 150 151 2000 B Alefeld Backscattering at a pulsed neutron source the MUSICAL instrument Nucl Instr and Meth A 355 478 483 1995 B Alefeld Ein perfekter Kristall mit Temperaturgradient als Neutronenmonochro mator Z Phys 228 454 1969 M R J kel The Vesta II User Manual Atominstitut Wien 1st edition 2003 Rainer Hock Habilitation Beugung von Neutronen und hochenergetischer R ntgenstrahlung an schwingenden Silizium Kristallen Julius Maximilian Universit t W rzburg 1998 R Michalec P Mikula M Vrana J Kulda B Chalupa and L Sedlakova Neutron diffraction by perfect crystals exited into mechanical resonance vibrations Physica B 151 113 1988 Michael Clarke Gayther ISIS Vesta Electric Fault Finding Waveform Measure m
316. uction to neutron optics follows a chapter about the physical founda tions of the neutron storage process The original realization of such a device VESTA I together with a description of the hosting research institution are treated in chapter 3 Chapter 3 also describes the characterization of this device shows its limitation and possible new developments and ends with the motivation for a complete reconstruction Chapter 4 treats the realization and installation of this new device VESTA II Addi tionally it contains a description of the components used and the conceptual design as well as guidelines for users and a discussion of planned extensions Chapter 5 presents the experimental results obtained with the new device This includes the determination of the spin flipper resonance condition storage tests with polarized and unpolarized neutrons as well as the comparison of these results with previous measurements At the end of this work is a chapter with the summary of the current status of the neutron storage device together with a section describing future prospects and possible instrument extensions Danksagung An dieser Stelle gilt mein aufrichtiger Dank meinem Doktorvater Prof Helmut Rauch f r die Themenstellung und die Betreuung meiner Dissertation den n tigen wissenschaft lichen Freiraum sowie die M glichkeit wertvolle Erfahrungen an Gro forschungsanlagen zu sammeln Erwin Jericha geb hrt Dank f r die Adaption der von ih
317. uelle ISIS _ L IT 300 4 300 4 4 Traversen 10 Traversen 2504 Neutronen Zeitkanal Neutronen Zeitkanal T T T T T T 1 T T T J T T 1 67 4 67 6 67 8 68 0 68 2 68 4 68 6 68 8x10 87 6 87 8 88 0 88 2 88 4 88 6 88 8 89 0x10 Detektionszeit s Detektionszeit s 300 4 16 Traversen 250 4 200 4 150 4 100 4 Neutronen Zeitkanal 50 4 Gespeicherte Neutronen Puls i D T T T T T T T 1 T T 1 0 1078 0 1080 0 1082 0 1084 0 1086 0 1088 0 1090 0 1092 0 10 20 30 40 50 60x10 Detektionszeit s Speicherzeit s Abbildung 5 21 Speicherung unpolarisierter Neutronen Die auf den Monitor normierten Messwerte der Speichermessungen blau sowie die Vergleichsmessung gr n ohne Spin Flipper 1662 ersten ISIS Pulses aktiviert wurde eignet sich der nachfolgende Puls f r eine Absch tzung des Einflusses der Polarisatoren Da der Detektor im unpolarisierten Fall von der hohen Z hrrate jedoch berlastet wird k nnen nur die Flanken des Pulses herangezogen werden Eine Integration ber den Bereich 73 ms bis 74 ms ergibt eine um den Faktor 7 3 redu zierte Z hlrate bei Verwendung der Polarisatoren Dies ist mit der Absch tzung dass die Polarisatoren eine Durchl ssigkeit von etwas mehr als 50 f r Neutronen der geeigneten Spinausrichtung besitzen konsistent Jedoch sollte dieser Wert durch die Verwendung von geeigneten Blenden mit denen sich eine bers ttigung der Detektoren verhindern l sst
318. un erfolgreich an ISIS installierte Anlage vor Fine Zusammenfassung des Erreichten sowie eine Auswahl der noch offenen Punkte findet sich im anschlie endem Kapitel 145 146 SS Experimentelle Ergebnisse 5 1 Messungen am Atominstitut Wien Die Entwicklung und der Test vieler Komponenten insbesonders des Spin F lipper Systems wurde in Wien durchgef hrt Zu diesem Zweck wurde die bestehende DEPOL Anlage siehe Abschnitt 5 1 2 am Strahlrohr D des TRIGA Forschungsreaktors adaptiert Neben der geringen Neutronenflussdichte ist auch der begrenzte Wellenbereich des Reaktors eine Einschr nkung Da der Reaktor nicht ber eine kalte Quelle verf gt ist es derzeit nicht m glich das Speicherexperiment VESTA unter Verwendung der Silizium 111 Reflexion zu betreiben Wie in Abschnitt 2 4 diskutiert erm glicht die breite Abh ngigkeit der Flip Wahrscheinlichkeit von der Wellenl nge A sowie die Unabh ngigkeit der Frequenzresonanz von A jedoch einen prinzipiellen Test des Neutronen Spin Flippers Der Resonanzkreis mit seiner Induktivit t L und seiner Kapazit t C kann an die gew nschte Frequenz angepasst werden Insbesonders die Windungszahl der Spule sowie die in 4 3 4 beschriebene Art der Ankoppelung der Signalquelle konnten getestet werden Auch wurden viele wertvolle Infor mationen ber das Verhalten von Hochfrequenzfeldern und ihre Abschirmung gewonnen Durch die h here Geschwindigkeit der Neutronen und ihrer k rzeren Interaktion mit de
319. ung 2 2 Darstellung des symmetrischen Bragg Falls bei Reflexion an den Netz ebenen parallel zur Oberfl che 16 die Bragg Bedingung erf llt zu Jar T kp Ce 2 2 ergibt Die Bragg Bedingung gibt zwar einen ersten Anhaltspunkt ber die Natur des Re flexionsprozesses eine korrekte und umfassende Beschreibung ist jedoch nur im Rahmen der Dynamischen Beugungstheorie 16 44 m glich Sie beinhaltet die Entstehung des re flektierten Strahls aus den im Inneren des Kristalls berlagerten Wellenfeldern Hierbei wird die zeitunabh ngige Schr dingergleichung f r ein periodische Anordnung der Streu zentren den Gitteratome im Kristall gel st Da der lineare Absorptionskoeffizient von thermischen Neutronen in Silizium in der Gr enordnung von 1074 mm liegt ist im Nor malfall eine Behandlung ohne Absorption gerechtfertigt F r die Reflexion einer Kristall platte findet man nach 45 sinh Ay 1 y2 1 y2 sinh Ay 1 y2 RW Au yl 1 2 3 sin Av y2 1 SI y 1 sin Ay 1 y Y ly lt 1 Die Gr en A und y charakterisieren hierbei die Dicke der Kristallplatte und die Ab weichung des Wellenvektors des einfallenden Neutrons von der exakten Bragg Bedingung nD kpD _ 2nNbe Ao kA kha 2 4 In dieser Gleichung entspricht Ap der Pendell sungsl nge und A der charakteristischen Lange Nb ist die koh rente Streul ngendichte des Kristalls und foc ein f r die St rke des Reflexes charakteristischer Faktor der
320. ungen nach Masse wirkt wie eine Bet tigung der Weitere Informationen Sicherungshalter und Netz bei den verschiedenen SEQ Taste Weitere Informationen im im Kapitel Pulsmodula spannungsw hler Netzspannungen Kapitel Sequenz tion Durchbr che vorgesehen IEC Bus Anschlu f r die Verlegung der ent zur Fernsteuerung sprechenden frontseitigen Buchsen auf die R ckseite des Ger ts Durchbruch vorgesehen f r die Verlegung des frontseitigen RF Ausgangs auf die R ckseite des Ger ts Abbildung D 2 R ckseite des Signalgenerators mit dem BLANK Eingang sowie der GPIB Schnittstelle IEEE 488 Ubernommen aus dem Benutzerhand buch der Ger tes i ampunen 1 LNO nesem ER d j Seen mm ow rom i e IO we 2 d Se SE SS ZS d 1 EE i SPECIFICATIONS Model 75A250A POWER OUTPUT CW Nominal 100 watts Minimum 75 watts Linear 1dB compression 50 watts minimum Ee EEN 21 0 dB maximum FREQUENCY RESPONSE 10 kHz 250 MHz instantaneously INPUT FOR RATED OUTPUT 1 0 milliwatt maximum GAIN at maximum setting 49 dB minimum See Model Configurations GAIN ADJUSTMENT continuous range 18 dB minimum INPUT IMPEDANCE OUTPUT IMPEDANCE MISMATCH TOLERANCE ees 100 of rated power without foldback Will operate without damage or oscillation with any magnitude and phase of source
321. ungsanlagen mit ganz charakteristi schen Parametern dar F r die in Kapitel 5 pr sentierten Messungen wurde sowohl ein Forschungsreaktor als auch eine Spallationsquelle verwendet deren Beschreibung in den Abschnitten 5 1 1 und 3 1 1 erfolgt Radioisotopquellen Radioisotopquellen basieren haupts chlich auf der a n Reaktion in Beryllium wobei die dominante Reaktion des in der Natur vorkommenden Be gegeben ist durch a Be PC n 5 704 MeV la L Einleitung Diese Reaktion f hrte auch zur Entdeckung des Neutrons Quellen mit deutlich ge ringerer Neutronenausbeute pro einfallendem a Teilchen n tzen beispielsweise die a n Reaktion in nat rlichem Bor oder Fluor F und erzeugen Neutronen im Energiebereich 0 13 MeV mit einer mittleren Energie von 5 MeV Das Isotop Cf mit seiner Halb wertszeit von 100 Jahren stellt ebenfalls eine verwendbare Neutronenquelle dar Durch die spontane Spaltung werden 2 34 10 Neutronen pro Gramm und Sekunde emittiert Photoneutronenquellen Als photonukleare Reaktionen mit gen gend hoher Ausbeute an Neutronen kommen die Reaktionen 7H y n H sowie Be y n Be in Frage Diese Reaktionen erzeugen monoener getische Neutronen mit Energien lt 1 MeV wenn sie durch energiereiche y Strahlung ange regt werden Hierf r verwendet man h ufig die Radioisotope N Ga Sb sowie 0La die mit einem Mantel aus D20 oder metallischem Beryllium umgeben werden Beschleuniger als Neutronenquelle
322. urve stellt die Referenzmes sung 1654 ohne Spin Flipperbetrieb dar Zus tzlich zu der Messkurve mit Spin Flipper blau ist auch die auf den Monitor normierte Differenz dieser Messkurven gezeichnet 5 2 Messungen an der Neutronenquelle ISIS _ 165 rot Das Ansteuerungssignal des Flippers gestrichelte Linie wurde entsprechend der Flugstrecke zwischen Flipper und Detektor mit einem zeitlichen Offset von 2 22 ms ein gezeichnet Die Dauer des Pulses war bei a und b auf 200 us bei c und d auf 100 us eingestellt Auf Grund von Problemen mit der Durchschlagsspannung im Vakuum war die Flip Wahrscheinlichkeit erniedrigt Jedoch wurde demonstriert dass auch sehr kurze Schaltzeiten realisiert werden k nnen und somit die gleichzeitige Speicherung von mehreren Neutronenpulsen m glich wird 5 2 7 Speicherergebnisse mit polarisierten Neutronen Der f r die vorhergehenden Messungen verwendete Versuchsaufbau wurde auch f r die erste aktive Speicherung von Neutronen verwendet Diese Messung l sst sich noch nicht direkt mit den an VESTA Typ I erzielten Resultaten vergleichen da die Anzahl der pro Puls Frame zur Speicherung verf gbaren Neutronen durch die verwendeten Polarisa toren um etwa eine Gr enordnung vermindert war Eine weitere Einschr nkung ergibt 4 Traversen 10 Traversen Neutronen Zeitkanal Neutronen Zeitkanal o lomm ano odd an I nnnm o thon o ln l IM m a Im noma T T i 1 T T T T T T 1 67 4 67
323. us tzlich existiert ein freier Flansch Abb 4 23 3 der als Sichtfenster oder f r weitere Anschl sse genutzt werden kann Eine M glichkeit w re das Anbringen eines Ventils zum Bef llen der Anlage mit verd nnten Gasen f r Streuungsmessungen Elektrische Durchf hrungen des Vakuumgef es Die elektrische Durchf hrung f r die RF Speisung des Resonanzkreises sowie eine Durch f hrung f r Signal und Niederstrom Leitungen wurden in zwei getrennten Flanschen im Eigenbau realisiert Basis dieser Durchf hrungen sind Aluminium Blindflansche 148 mm die auf beiden Seiten mit den n tigen Gewindel chern M3 zum Befestigen der verschiedenen Buchsen ausgestattet wurden Im Falle des RF Flansches siehe Abb 4 27 Links wurden nun zwei 16 mm Bohrungen angefertigt die zur Aufnahme von je zwei handels blichen N Typ Buchsen female dienen Die Dicke des Flansches wurde mit 20 mm dabei so gew hlt dass sich die Pins gegen berliegender Buchsen gerade nicht ber hren Auf der Au enseite wurden die Bohrungen auf einer Tiefe von 14 mm zu l nglichen 10 mm breiten Wannen erweitert Nach der Befestigung der Buchsen wurden ihre Pins miteinander verl tet und die Wanne mit erw rmtem Zweikomponenten Kunstharz ausgegossen Somit entstand eine kosteng nstige Durchf hrung f r zwei getrennte RF Leitungen deren Vakuumtauglichkeit bis 107 mbar getestet wurde Zus tzlich wurde der RF Flansch an seiner Au enseite mit zwei Sacklochgewinden M6 f
324. usive des Debye Waller Faktors 50 A Physikalische Grundlagen DOPPLER ORIVE Si CRYSTAL 1 FROM BEAM TUBE 7 GRAPHITE DEFLECTION CRYSTAL CHOPPER SEMITRANSPARENT DETECTOR 05 04 03 02 01 0 OF 02 03 04 OS BACKSCATTERED INTENSITY Mr ELECTROMAGNET Si CRYSTAL 2 o fos a5 04 03 02 00 0 01 02 03 04 Q5 06 AE wey Abbildung 2 16 Nachweis der nderung des kinetischen Energie von Neutronen in ei nem Magnetfeld nach 59 unter Verwendung eines Doppler R ckstreu Spektrometers links Nachweis der Energieverschiebung bei magnetischer Resonanz F r den ersten direkten Nachweis der Energieverschiebung bei magnetischer Resonanz wurde in 53 das bereits im vorhergehenden Experiment beschriebene R ckstreu Spektro meter am FRJ 2 Reaktor in J lich verwendet Beim Durchqueren des RF Spinflippers im homogenen Magnetfeld erfahren die Neutronen je nach Spinausrichtung eine Ener gie nderung von 2 uB Unpolarisierte Neutronen einer bestimmten Energie werden so mit in zwei Energiezust nde aufgespalten die sich um 4 uB unterscheiden Die RF Spule bestand hierbei aus einem 1 5 mm silberummantelten Kupferdraht welcher in 10 5 Win dungen auf einer L nge von 3 3 cm um einen 2 cm Glas Neutronenleiter gewickelt war Nach der Reflexion am Si Kristall 2 durchqueren die Neutronen erneut den konstant betrie benen Spin Flipper und werden im semi transparenten Detektor 2 registriert Durch den Zusammenhang
325. utronenspeichers erst erm glichte und dieses Projekt in seinen Jahren als ISIS Devision Head immer unterst tzte Walfried Raab und Peter Grafenberger danke ich f r ihre jahrzehntelange Freundschaft ohne die in meinem Leben vieles gefehlt h tte Dieser Dank geht auch an Susanne Cle mens Peter Karin Pamela Anna und Holger Meinen Eltern gilt mein aufrichtiger Dank f r all die Jahre der Unterst tzung Eine besondere Freude ist es mir diese Arbeit Heidi Sandaker zu widmen Ohne ihre Unterst tzung ihren kritischen Blick und ihren unersch tterlichen Glauben an die erfolgreiche Fertigstellung meiner Dissertation w rde diese Arbeit nicht in der hier pr sentierten Form vorliegen Diese Arbeit wurde unterst tzt vom europ ischem TMR Netzwerk Perfect Crystal Neutron Optics PECNO ERB FMRXCT 96 0057 sowie vom Fonds zur F rderung der wissenschaftlichen Forschung im Rahmen des Projekts Perfektkristall Neutronenspeicher 13332 PHY und des Spezialforschungsbereichs SFB 15 Quantum Optics 1514 1 Einleitung Inhaltsverzeichnis 1 1 Erzeugung und Detektion von Neutronen 00 1 2 Energie von Neutronen 2 m Emm 1 3 1 4 1 2 1 Selektion von Neutronen 2 0 eee Neutronenoptik 1 3 1 Neutronenleiter 2 CC moon 1 3 2 Monochromatoren 22 2 a 1 3 3 Polarisierte Neutronen 1 3 4 Spin nderung polarisierter Neutronen Speicherung von freien Neutronen o aooa
326. von Neutronen die axial eine Spule mit N Windungen durchqueren welche von einem Strom m durchflossen wird Unter den Voraussetzungen dass die Spulenl nge kurz gegen ber der emittierten Wellenl nge ist und die Flugbahn des Neutrons bis weit au erhalb der Spule wo das RF Feld ann hernd Null ist be trachtet wird gilt f r einen Spinflip der Ordnung m nach 54 Magnetische Feldkonstante uo 4r 107 7 Vs Am 2m 1 Minh IER LoNilm 2 35 Hn Die notwendige Stromamplitude f r einen Spinflip der Ordnung 0 ergibt sich somit zu Unh h2 0 SSS MI d Zus uo Ze Do Motte A 2 36 2 2 4 Experimentelle Best tigungen Im folgenden Abschnitt m chte ich einige Experimente vorstellen mit denen die theore tischen Vorhersagen der letzten beiden Abschnitte experimentell best tigt wurden Die in diesen Publikationen vorgestellten Parameter der Anlagen dienten auch zu einer er sten Absch tzung eines m glichen Versuchaufbaus des neuen Neutronenspeichers Wei ters findet sich in 55 eine Untersuchung verschiedener Spinflipper mit unterschiedlichen Windungszahlen Eine Diskussion der Flip Wahrscheinlichkeit des realisierten Spinflippers anhand der gew hlten Parameter erfolgt anschlie end in Abschnitt 2 4 48 2 Physikalische Grundlagen Longitudinaler Stern Gerlach Effekt Tritt ein Neutron in ein zeitlich homogenes r umlich inhomogenes Magnetfeld ein ndert sich seine kinetische Energie gegenl ufig zur sei
327. weitern Ein neuartiger Neutronenspeicher f r kalte und thermische Neutronen Ziel dieser Arbeit war die Demonstration dass sich Radio Frequenzflipper f r das Bef llen und Entleeren eines Perfektkristall Speichers eignen und sich somit Begrenzungen fr herer Systeme berwinden lassen Nach vorbereitenden Tests am TRIGA Reaktor in Wien wur de ein Prototyp einer solchen Anlage entworfen und an der derzeit st rksten gepulsten Neutronenquelle ISIS nahe Oxford erfolgreich installiert Diese Installation umfasste so wohl die Synchronisation mit der gepulsten Neutronenquelle und der Datenerfassung als auch die Adaption der Steuerelektronik Die f r den sicheren Betrieb der Anlage notwen digen Interlock Systeme wurden entworfen und inkludiert Ein neu installierter stabiler Incoming Beam Monitor erm glichte einen direkten Vergleich einzelner Messungen nor miert auf die von ISIS zur Verf gung gestellte Intensit t Im Rahmen der verf gbaren Messzeit erfolgte eine Charakterisierung der neuen Anlage Die theoretischen Vorhersagen ber die Resonanzbedingungen eines RF Flippers konnten experimentell best tigt werden Speichermessungen wurden sowohl f r polarisierte Neutro nen als auch f r unpolarisierte Neutronen realisiert Durch diese Messungen konnte das Prinzip der Energieverschiebung aus Abschnitt 2 3 demonstriert und seine Tauglichkeit zum raschen Bef llen und Entleeren des Speichers bewiesen werden Verschiedene Metho den der Pulserz
328. x und die Ummantelung des ausge henden Kabel sind mit Masse verbunden Dies bewirkt dass das einfallende Signal auf zwei getrennte Signale aufgeteilt wird de ren Phase um 180 zueinander verschoben ist Der Mantel der ausgehenden Koaxialka bel ist nun ber die Aluminiumbox mit Masse verbunden die bertragung wird erdfrei Beide ausgehenden Kabel werden zus tzlichen in einen gemeinsamen flexiblen Abschirm Schlauch gef hrt In Verbindung mit der Phasenverschiebung der Signale wird die EM Abstrahlung der etwa 5 Meter langen Zuleitung zur Vakuumbox deutlich verringert 4 3 3 Der Radio Frequenz Schwingkreis Bei dem verwendeten RF Schwingkreises handelt es sich um einen RLC Parallel Schwing kreis bestehend aus der Spule die das f r die Spininversion notwendigen Magnetfeld er zeugt sowie einem Plattenkondensator Durch die speziellen Anforderungen der Anlage war es notwendig die einzelnen Komponenten im Selbstbau herzustellen Nach der folgen den Vorstellung der einzelnen Komponenten wird das Verhalten des Schwinkreises in 4 3 4 diskutiert 4 3 Das Hochfrequenzfeld iS Der Kondensator Aufgrund des geringen Platzangebotes der hohen Spannung sowie der ben tigten kleinen Kapazit t wurde kein serienm iger Kondensator gefunden der die gesuchten Anforde rungen erf llte Deswegen wurde entschieden den Kondensator im Eigenbau als Schicht oder Plattenkondensator zu realisieren F r Tests mit niedriger Leistung au erhalb
329. z von 2 37 MHz angeregt wurde Polarisierende Kristalle Fiir die Erzeugung eines polarisierten Neutronenstrahls siehe anschlieBenden Abschnitt ist von Bedeutung dass der Brechungsindex 2 10 eines magnetischen Mediums vom Vor zeichen der magnetischen Streul nge und damit vom Spinzustand des Neutrons abh ngt Somit kann es zur Reflexion von nur einer Spinkomponente kommen Passt man etwa in ul wll ll Fe Ge Vielschicht 1 A monochromator A f Pyrolitischer bh Graphit 002 bi A Heuslerkristall Se 11 Streuintensit t f r einen Spinzustand willk Einheiten mi Rel Braggwinkel Abbildung 1 6 Prinzip eines polarisierenden Spiegels links Reflektivit t und Winkelto leranz f r verschiedene Strukturen aus 20 Superspiegeln den Brechungsindex der magnetischen Komponente f r jenen Spinzustand der aus dem Strahl entfernt werden soll an den der unmagnetischen Komponente an kommt es zu keiner Interferenz und die Reflexion unterbleibt Durch Aneinanderreihen 24s Einleitung von Schichten gekriimmter Superspiegel lassen sich effiziente und platzsparende Polarisa toren herstellen 1 3 3 Polarisierte Neutronen Wie in Abschnitt 2 2 n her beschrieben richtet sich der Spin des Neutrons in Gegenwart eines externen magnetischen Feldes By parallel oder antiparallel zu diesem aus Zwar wird jedes Neutron eindeutig in einem der m glichen Spinzust nde registriert die Summe ber eine gro
330. zwar mehrmals diskutiert aber aus Strahlenschutzbedenken bisher nicht verwirklicht Treten Probleme w hrend ei ner Messung auf oder fallen manuelle Justierungen an m ssen deswegen nach wie vor IRIS und OSIRIS f r die Dauer der Arbeiten an VESTA pausiert werden Bei dem be reits hohen Andrang an IRIS und der steigenden Auslastung von OSIRIS stellt dies ein wachsendes Problem dar Komponenten die Wartung ben tigen oder fehleranf llig sind sollten deswegen unbedingt au erhalb dieses Strahlenschutzbereichs untergebracht werden oder unter geringstm glichem Zeitaufwand aus diesem Bereich entfernt werden k nnen Soweit vertretbar sollten alle Justiereinrichtungen von au erhalb dieses Bereichs steuerbar ausgelegt werden 98 3 VESTA VESTA II Aufbau IRIS Beamline gt M J kel Abbildung 3 25 Der realisierte Aufbau von VESTA I NMR Magnet inklusive Dreh gestell 1 Speicherkristall und Neutronenleiter 2 innerhalb des Vaku umgef sses Detektoren 3 Extraktionsmechanismus 4 Beam Monitor 5 Shutter 6 Justiertisch 7 Experimentelle Realisierung VESTA II Dieser Abschnitt befasst sich mit Konzept und Konstruktion des neuartigen Neutronen speichers VESTA II sowie seiner Installation an der gepulsten Neutronenquelle ISIS Dieser Speicher stellt insofern eine Weiterentwicklung des in Kapitel 3 pr sentierten Vorg ngers dar als die in Abschnitt 4 1 beschriebenen neutronenoptischen Komponenten bern

Dissertation Entwicklung eines neuartigen Speichers

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