Physik mit Neutronen- und
Synchrotron-Strahlung
Dirk Dubbers
SS 2006
SS 2006
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.1
Inhalt
A. Neutronenstrahlen
1. Neutronenquellen
2. Elastische Neutronenstreuung und die räumliche Struktur der Kristalle
3. Die Struktur magnetischer Materialien
4. Inelastische Neutronenstreuung und die Dynamik der Kristalle
5. Hochauflösende Neutronenspektroskopie und die Dynamik ungeordneter Systeme
6. Kleinwinkelstreuung und « weiche Materie »
7. Kalte Neutronen und das Standardmodell der Teilchenphysik
8. Jenseits des Standardmodells
9. Neutronenoptik und Quantenphysik
10. Praktische Anwendungen von Neutronenstrahlen
B. Synchrotronstrahlen
11. Synchrotronquellen
12. Vergleich von Neutronen- und Synchrotronstrahlen
13. Elastische Röntgenstreuung und Molekularbiologie
14. Inelastische Röntgenstreuung und Dynamik der Flüssigkeiten
15. Resonante Kernstreuung
16. Bildgebung mit Röntgenstrahlen
17. Kohärente Röntgenstrahlung und Röntgentomographie
18. Diverse Methoden
19. Praktische Anwendungen von Röntgenstrahlen
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.2
A. NEUTRONEN
Literatur
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
SS 2006
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.3
1. Neutronenquellen
1.1 Reaktor Neutronenquellen
1.2 Spallations-Neutronenquellen
1.3 Sonstige
1.1 Reaktor-Neutronenquellen
Forschungs-Reaktor München FRM-2
TU München, Garching,
Start 2004, 20 MW
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.4
FRM-2: Vorderansicht
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.5
Rückansicht
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.6
Gesamtansicht
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.7
Draufsicht
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.8
Grundriss
FRM-1
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n-Leiter Halle
Reaktor Halle n-Leiter Halle
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.9
n-Leiter Halle im Aufbau
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.10
Grundriss Reaktor Becken
Horizontaler Schnitt durch das Reaktorbecken
in 300mm Höhe über der Kernmittelebene. Im
Zentrum befindet sich das Brennelement.
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.11
Querschnitt Reaktor Becken
H2O
D2O
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1.12
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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1.13
Brennelement
Durch die Evolventenform der Brennstoffplatten haben die
Kühlkanäle über die gesamte Breite eine konstante Breite.
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1.14
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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1.15
Schema Neutronen-Quelle
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1.16
vor:
nach n-Einfang:
Bilanz der Kettenreaktion
Brennelement
235U in H O,
2
σfiss= 580b, σstreu= 80b
schnell:
epithermisch:
100 Spaltneutronen
↓
28 + 25
↓
Moderator D2O
σabs= 0.0005 b
σstreu= 8b
72
Moderation
→ 22 Spaltneutr.
langsam:
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33 → 48 Spaltneutr.
30 Spaltneutr ← 20
← therm. Wirkungsqu., 1 barn = 10−24 cm2
47
Dh. bei kritischem Reaktor werden aus
100 schnellen Spaltneutronen
im Brennelement letztendlich wieder
22+48+30 = 100 neue
schnelle Spaltneutronen erzeugt.
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1.17
n-Fluss Verteilung
BrennElement
Radius→
↓Φn=8·1014cm−2s−1
235U
H2O
D2O Moderator
Thermische Neutronen-Flussdichte Φn in Abhängigkeit υom Radius.
Das Flussmaximum liegt außerhalb des Brennelements im Moderatortank.
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1.18
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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1.19
Reaktor Halle im Aufbau
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1.20
ILL
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Institut Max von Laue – Paul Langevin
Grenoble, Start 1972, 58 MW
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.21
Grundriss ILL
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1.22
Anordnung der Strahlrohe im Reaktor Becken
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1.23
Querschnitt durch
Reaktor
I
L
L
S
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1.24
Kalte Neutronen-Quelle
'kalter' n-Leiter
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1.25
Neutronen Leiter
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1.26
n-TOF Spektren aus kaltem n-Leiter
lin:
log:
FLUX SPECTRUM
FLUX SPECTRUM
10
dC /d (cm s nm )
10
-1
10
-1
2x10
10
10
-2
-2
-1
-1
dC /d (cm s nm )
3x10
11
10
1x10
0
0,0
SS 2006
0,4
0,8
1,2
WAVELENGTH  (nm)
1,6
10
9
10
8
10
7
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8
WAVELENGTH  (nm)
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.27
Neutronen-Spektrometer schematisch
n-Strahl
im n-Leiter
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1.28
Neutronen-Spektrometer real
SS 2006
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.29
Blick in n-Leiter Halle
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.30
Querschnitt
durch Reaktor
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.31
Aufsicht Reaktor Becken
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1.32
Ultrakalte Neutronen-Quelle
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.33
Querschnitt Reaktor Halle
11. Abklingbecken
12. Wärmetauscher
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1.34
Einbau Reaktor Tank
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.35
Einbau n-Strahlrohr
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.36
1.2 Spallations-Neutronenquellen
SS 2006
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1.37
n-Spallations-Anlage
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.38
SNS in Oak Ridge, USA
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.39
Ionenquelle und LINAC
SS 2006
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.40
Target Station Principle
SS 2006
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.41
Target Station
SS 2006
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1.42
Experimental area
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Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.43
Neutronen-Intensitäten aus n-Leitern
NEUTRON CAPTURE-INTENSITIES IN BEAM-LINES FOR NEUTRON-PARTICLE PHYSICS
TIME AVERAGE
PEAK
Beam
area
A
cm2
Brightness
maximum
∂2ΦC/∂λ∂Ω
cm−2s−1nm−1sr−1
Flux
maximum
∂ΦC/∂λ
cm−2s−1nm−1
Flux
ΦC
cm−2s−1
Intensity
AΦC
s−1
Brightness
maximum
∂2ΦC/∂λ∂Ω
cm−2s−1nm−1sr−1
running
6×20
6·1013
@λ=0.5nm
2·1010
@λ=0.5nm
1.4·1010
(→2·1010)
1.5·1012
(→2.2·1012)
idem
NL-3a
running
5×12
2·1010
1.2·1012
idem
NG-6
running
6Ø
2.3·109
6.4·1010
idem
SINQ
Ch 51
@700kW
running
8×15
6·108
@λ=0.4nm
~109
~1011
idem
SNS
FP13
@1.4MW
~2008
10×12
~3·109
@λ=0.34nm
~3x109
~1011
~1·1015
@λ=0.34nm
Institution
Beam-line
Status
ILL
H113
FRM2
NIST
SS 2006
~7·1012
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.44
1.3 Sonstige n-Quellen
SS 2006
Neutronen- und Synchrotron-Strahlen/1. Neutronenquellen
1.45

Neutronenstreuung 1. n-quellen