SS 2006 Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen 1.1

Physik mit Neutronen- und Synchrotron-Strahlung

Dirk DubbersSS 2006

SS 2006 Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen 1.2

InhaltA. Neutronenstrahlen

1. Neutronenquellen2. Elastische Neutronenstreuung und die räumliche Struktur der Kristalle3. Die Struktur magnetischer Materialien4. Inelastische Neutronenstreuung und die Dynamik der Kristalle5. Hochauflösende Neutronenspektroskopie und die Dynamik ungeordneter Systeme6. Kleinwinkelstreuung und « weiche Materie »7. Kalte Neutronen und das Standardmodell der Teilchenphysik8. Jenseits des Standardmodells9. Neutronenoptik und Quantenphysik10. Praktische Anwendungen von Neutronenstrahlen

B. Synchrotronstrahlen11. Synchrotronquellen12. Vergleich von Neutronen- und Synchrotronstrahlen13. Elastische Röntgenstreuung und Molekularbiologie14. Inelastische Röntgenstreuung und Dynamik der Flüssigkeiten15. Resonante Kernstreuung16. Bildgebung mit Röntgenstrahlen17. Kohärente Röntgenstrahlung und Röntgentomographie18. Diverse Methoden19. Praktische Anwendungen von Röntgenstrahlen

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A. NEUTRONENLiteratur

Low-energy neutron physics, I.I. Gurevich, L.V. Tarasov, 1968, Bibliothek

Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering

von G.L. Squires, Dover Publications 1997, EUR 16,95, ab EUR 11,52, Bibliothek.

Neutron Scattering, Part A-C (Exp. Methods in the Physical Sciences Vol. 23)

von D.L. Price, Kurt Skold (Herausgeber), Academic Press 1987, Bibliothek.

Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter Vol. 1.+2.

von S.W. Lovesey, Oxford University Press 1987,

EUR 115,90, ab EUR 43,70, Bibliothek

Neutron Optics

von V.F. Sears, Oxford University Press 1989, ab EUR 72,89, Bibliothek.

Neutron Scattering in Condensed Matter Physics

von A. Furrer, World Scientific Pub Co Inc,

noch nicht erschienen, EUR 28,90

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1. Neutronenquellen

1.1 Reaktor Neutronenquellen1.2 Spallations-Neutronenquellen1.3 Sonstige

1.1 Reaktor-Neutronenquellen

Forschungs-Reaktor München FRM-2TU München, Garching,Start 2004, 20 MW

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FRM-2: Vorderansicht

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Rückansicht

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Gesamtansicht

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Draufsicht

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Grundriss

FRM-1 n-Leiter Halle Reaktor Halle n-Leiter Halle

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n-Leiter Halle im Aufbau

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Grundriss Reaktor Becken

Horizontaler Schnitt durch das Reaktorbecken in 300mm Höhe über der Kernmittelebene. Im Zentrum befindet sich das Brennelement.

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Querschnitt Reaktor Becken

D2O

H2O

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Innenansicht Reaktor Becken

Blick in den Moderatortank und die fünf Abschaltstäbe. Bei Betrieb ist das Becken mit normalem Wasser H20 geflutet.

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Brennelement

Durch die Evolventenform der Brennstoffplatten haben die Kühlkanäle über die gesamte Breite eine konstante Breite.

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Zusammensetzung Brennelement

Brennstoffplatten aus 235Uransilizid- und Aluminium-Pulver vorgepreßt und durch mehrmaliges Walzen kaltverschweißt, wobei die Plattenlänge auf das 10fache ansteigt und die Plattendicke auf 1,4mm abnimmt.

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Schema Neutronen-Quelle

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Bilanz der Kettenreaktion

Brennelement235U in H2O, σfiss= 580b, σstreu= 80b

Moderator D2Oσabs= 0.0005 bσstreu= 8b

schnell: 100 Spaltneutronen

↓

28 + 25

72

epithermisch: ↓ → 22 Spaltneutr.

Moderation

langsam: 33 → 48 Spaltneutr.

30 Spaltneutr ← 20 47

Dh. bei kritischem Reaktor werden aus

100 schnellen Spaltneutronen

im Brennelement letztendlich wieder

22+48+30 = 100 neue

schnelle Spaltneutronen erzeugt.

← therm. Wirkungsqu., 1 barn = 10−24 cm2

vor: nach n-Einfang:

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Thermische Neutronen-Flussdichte Φn in Abhängigkeit υom Radius. Das Flussmaximum liegt außerhalb des Brennelements im Moderatortank.

n-Fluss Verteilung

235U H2O D2O Moderator

Radius→Brenn-Element

↓Φn=8·1014cm−2s−1

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Kühl-Kreislauf

Abwärme des FRM-II: 24MW: 20MW thermische Reaktor Leistung und 4 MW Installationen. Die Temperatur des Kühlwassers erhöht sich beim Druchströmen des Brennelements von ca. 37°C auf ca. 53°C.

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Reaktor Halle im Aufbau

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ILLInstitut Max von Laue – Paul LangevinGrenoble, Start 1972, 58 MW

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Grundriss ILL

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Anordnung der Strahlrohe im Reaktor Becken

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ILL Source

Querschnitt durch Reaktor

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Kalte Neutronen-Quelle

'kalter' n-Leiter

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Neutronen Leiter

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n-TOF Spektren aus kaltem n-Leiter

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8107

108

109

1010

1011

dC /d

(c

m-2 s

-1 n

m-1)

FLUX SPECTRUM

WAVELENGTH (nm)0,0 0,4 0,8 1,2 1,6

0

1x1010

2x1010

3x1010

dC /d

(c

m-2 s

-1 n

m-1)

FLUX SPECTRUM

WAVELENGTH (nm)

lin: log:

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Neutronen-Spektrometer schematisch

n-Strahlim n-Leiter

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Neutronen-Spektrometer real

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Blick in n-Leiter Halle

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Querschnitt durch Reaktor

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Aufsicht Reaktor Becken

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Ultrakalte Neutronen-Quelle

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Querschnitt Reaktor Halle

 

11. Abklingbecken

12. Wärmetauscher

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Einbau Reaktor Tank

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Einbau n-Strahlrohr

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1.2 Spallations-Neutronenquellen

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n-Spallations-Anlage

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SNS in Oak Ridge, USA

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Ionenquelle und LINAC

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Target Station Principle

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Target Station

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Experimental area

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Neutronen-Intensitäten aus n-Leitern

NEUTRON CAPTURE-INTENSITIES IN BEAM-LINES FOR NEUTRON-PARTICLE PHYSICS

Institution Beam-line StatusBeamareaA

cm2

TIME AVERAGE PEAK

Brightnessmaximum∂2ΦC/∂λ∂Ω

cm−2s−1nm−1sr−1

Fluxmaximum

∂ΦC/∂λ

cm−2s−1nm−1

Flux ΦC

cm−2s−1

IntensityAΦC

s−1

Brightnessmaximum∂2ΦC/∂λ∂Ω

cm−2s−1nm−1sr−1

ILL H113 running 6×206·1013

@λ=0.5nm 2·1010

@λ=0.5nm1.4·1010

(→2·1010)1.5·1012

(→2.2·1012)idem

FRM2 NL-3a running 5×12 2·1010 1.2·1012 idem

NISTNG-6 running 6 Ø 2.3·109 6.4·1010 idem

SINQCh 51

@700kWrunning 8×15

6·108

@λ=0.4nm~109 ~1011 idem

SNSFP13

@1.4MW~2008 10×12 ~7·1012 ~3·109

@λ=0.34nm~3x109 ~1011 ~1·1015

@λ=0.34nm

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1.3 Sonstige n-Quellen