Giant absorption of neutrons

Abstract

In dieser Arbeit werden mehrere Experimente zum Thema Riesenabsorption von Neutronen beschrieben. Darunter ist der Anstieg des Absorptionsquerschnittes gemäß seiner Abhängigkeit zum Kehrwert der Neutronengeschwindigkeit von stark absorbierenden Materialien wie zum Beispiel Gd zu verstehen. Ein weiterer untersuchter Aspekt ist ob diese 1/v-Abhängigkeit auch für gegen Null tendierende Geschwindigkeiten gilt. Mittels eines Flugzeitmessungsaufbaus werden geschwindigkeitsabhängige Absorptionsquerschnitte bis zu 100 Mb für in schweren Wasser aufgelöstes, isotopisch angereichertes Gd157 gemessen. Eine signifikante Abweichung von der 1/v-Abhängigkeit kann nicht beobachtet werden. Die Messung mit einem, zu diesem Zweck konstruierten, Geschwindigkeitsselektor für ultrakalte Neutron liefert Ergebnisse passend zu jenen mit der Flugzeitmethode. Allerdings hat sich diese Methode als weniger praktikabel, weil anfälliger auf Störungen von außen, erwiesen. Ein neuer Ansatz wird in der Transmissionsmessung von sehr kalten Neutronen durch einen rotierenden Aluminiumzylinder präsentiert. Es kann gezeigt werden, dass sich die Absorption mittels einer Galileitransformation erhöhen lässt, indem die absorbierenden Atomkerne auf die Geschwindigkeit der Neutronen gebracht werden. Zur Messung des Imaginärteils der Streulänge von Gd wurde eine Reflektometermessung durchgeführt. Diese als phänomenologische Konstante betrachtete Größe, welche neben der 1/v-Abhängigkeit den Wert des Absorptionsquerschnitts definiert, wird auf diese Weise unabhängig von Absorptionsphänomen ermittelt. Hierbei wurde ein Wert von 12.81 ± 0.47 fm ermittelt.

In the present work several experiments related to the giant absorption of neutrons are discussed. This means the increase of the absorption cross section according to its reciprocal proportionality to the neutron velocity of strongly absorbing materials like Gd. Beside the measurement of as large as possible absorption cross sections the focus is here on the validity of this 1/v-dependency for velocities tending to 0 m/s. Absorption cross sections up to 100 Mb are measured with a time-of-flight setup. Hereby isotropically enriched Gd157 dissolved in heavy water was used as sample. A significant violation of the 1/v-dependency has not been observed. The measurement is repeated with a velocity selector setup. For this purpose a new velocity selector adapted to the velocity range of the ultra-cold neutron spectrum was constructed. The results match them achieved with the time-of-flight method, although this method has been proven to be less practical, because it is more sensitive to exterior influences. A new concept is used in the measurement of very-cold neutron transmitting a rotating aluminum cylinder. It can be shown that the absorption cross section can be increased using a Galilean transformation. This is done by accelerating the absorbing nuclei in the rotating sample to the velocity neutrons in the medium. Beside form the neutron velocity the neutron absorption cross section is also described by the imaginary part of neutron scattering length. This quantity is considered to be a phenomenological determined material constant. To obtain a value measured independent of absorption processes it is measured with a reflectometry setup. Hereby a value of 12.81 ± 0.47 fm is determined.