Ein Phasenraumtransformator für ultra-kalte Neutronen

Abstract

Die Phasenraumtransformation von ultra-kalten Neutronen (UCN) ist eine sehr innovative Methode einen intensiven, monochromatischen und gerichteten Neutronenstrahl zu erzeugen.<br />Um eine solche Transformation durchführen zu können, müssen die UCN kollektiv beschleunigt werden. Eine Methode, dies zu bewerkstelligen, ist die Reflexion an bewegten Kristallen. Die notwendige Kristallgeschwindigkeit vk steht im linearen Zusammenhang mit der Gitterkonstante d. Die Geschwindigkeit der transformierten Neutronen ist hiebei die doppelte Kristallgeschwindigkeit. Um in einen technisch machbaren Geschwindigkeitsbereich zu kommen (vk < 300 m/s), mussten Kristalle gewählt werden, deren Gitterkonstante im Bereich von d >8 Å liegt. Die Wahl fiel auf Stage-2 Kalium-interkalierten hochorientierten pyrolytischen Graphit (i-HOPG). Dieser besitzt eine Gitterkonstante von d =8.74 Å und ein Reflexionsvermögen von 70 - 80%.<br />Umfangreiche Monte-Carlo Simulationen wurden für verschiedenste Konfigura-tionen durchgeführt. Diese Simulationen wurden sowohl für die Planung des Experiments, als auch für die Interpretation der Messergebnisse eingesetzt.<br />Es wurden 8 Stage-2 i-HOPG Kristalle hergestellt und charakterisiert.<br />Die Kristalle wurden in spezielle Kassetten verpackt. Es wurde ein einfacher Rotor, eine Scheibe mit einem Radius von r = 0.3 m, konstruiert und gefertigt. Dieser PST-Rotor kann 2 bzw 4 Kristallkassetten aufnehmen. Der Rotor wurde von einem modifizierten Schleuderstand vom Typ BI 3 U der Firma Schenck RoTec angetrieben und konnte so eine Geschwindigkeit von v = 250 m/s am Umfang (r = 0.3 m) erreichen. Der Rotor drehte sich hier in einer berstsicheren Schleuderkammer, die mit einem Eingang für die UCN und einem Ausgang für die transformierten CN versehen worden war. Die Schleuderkammer konnte auf einen Restdruck von p = 4 x 10E-3 mbar abgepumpt werden. Der PST wurde am Messplatz PF2-UCN am Institut Laue-Langevin (Grenoble) aufgebaut. Im April und Mai 2008 wurden dann Messungen mit diesem Experiment durchgeführt. Die Ergebnisse waren sehr positiv und stimmten mit der Monte-Carlo Simulation gut überein.<br />Mit dem Experiment wurde gezeigt, dass man mit den heutigen Möglichkeiten ein PST-System bauen kann, welches in Konkurrenz zu den aktuellen weltstärksten kalten Neutronenquellen treten kann. Dabei sollte man aber bedenken, dass die Entwicklung des UCN-PST gerade erst am Anfang steht und hier noch großes Potential vorhanden ist. Die theoretisch möglichen Gewinnfaktoren lassen viel Raum für weitere Steigerungen.<br />