Konzept und Test einer Steuerung für einen magnetischen Wanderwellenresonators zur Wellenlängenselektion von langsamen Neutronen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Konzept für einen magnetischen Spin- Resonator zur Wellenlängenselektion von Neutronenstrahlen im Energiebereich kalter und thermischer Neutronen präsentiert werden. Das Grundkonzept, die räumliche magnetische Spin-Resonanz, wurde dabei schon von Drabkin et al. in den 1960er Jahren vorgestellt. Dabei bewegen sich antiparallel zu einem vertikalen statischen Magnetfeld polarisierte Neutronen horizontal durch ein transversales oszillierendes, aber zeitlich konstantes Magnetfeld. Die Wechselwirkung der Neutronen mit einer solchen NMR-artigen Kombination gekreuzter Magnetfelder führt zu einem resonanten Spinflip- Prozess für eine nur von der Geometrie des Resonators und der Stärke des vertikalen Magnetfeldes abhängigen Wellenlänge. Daher können nur Neutronen dieser einen Wellenlänge einen hinter dem Resonator angebrachten Analysator passieren, da deren Polarisation aufgrund ihres Spinflips zur gegebenen Orientierung des Analysators passt. Um diesen kontinuierlichen monoenegetischen Strahl in für Flugzeitmessungen erforderliche Neutronenpakete zu zerhacken, genügt es im Prinzip, das transversal alternierende Magnetfeld des Resonators einfach periodisch einund auszuschalten. Um dabei jedoch die kleinstmögliche Pulsbreite erzielen zu können, ist es erforderlich, dass synchron mit der Durchflugszeit der Neutronen sukzessive jeweils nur ein einziges der aufeinanderfolgenden Resonatorelemente aktiviert wird, um die durchfliegenden Teilchen sozusagen durch den Resonator zu 'begleiten'. Im Gegensatz zum 'konventionell' gepulsten Betrieb ist dies der sogenannte 'Wanderwellenmodus' eines solchen räumlichen Neutronen-Spinresonanz-Systems. Erfolgreiche Tests mit dieser Art der Wellenlängenselektion wurden bereits mit sehr kalten Neutronen erzielt, durch ein neues Konzept der Stromversorgungen für die einzelnen Resonatorelemente soll nun auch die Selektion im Bereich thermischer Neutronen ermöglicht werden. Da diese eine höhere Geschwindigkeit besitzen, müssen die Magnetfelder, die durch die speziellen Einzelwindung-Resonatorspulen erzeugt werden, einerseits höher sein und sich andererseits auch schneller stabilisieren, da die Zeit, während der sichein Neutron im Einflussbereich einer Spule befindet, deutlich kürzer ist. Aus diesem Grund wurde eine neue Stromversorgung konzipiert, die in der Lage ist, den erhöhten Ansprüche zu genügen. Um den Wanderwellenmodus realisieren zu können, wird jede Spule von einer eigenen Stromversorgung separat angesteuert. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im Wesentlichen mit dieser neuen, ziemlich komplexen Stromversorgung und liefert ein Konzept, sowohl in hardwareals auch softwareseitiger Hinsicht, das eine Wellenlängenselektion, ob gepulst oder permanent, im Bereich von kalten bis hin zu thermischen Neutronen ermöglicht.

In this thesis, a concept for a magnetic spin-resonator enabling a wavelength selection of cold and thermal neutron beams is presented. The main concept, the spatial magnetic spin-resonance, has been presented by Drabkin et al. in the 1960's. There, neutrons, polarized antiparallel to a vertical homogeneous static magnetic field, propagate horizontally through a transversal spatially alternating, but constant in time, magnetic field. The interaction of the neutrons with such a NMR-like arrangement of crossed magnetic fields leads to a resonant spinip process just for a certain wavelength, which depends only on the resonator geometry and the strength of the vertical magnetic field. Thus only neutrons of this specic wavelength can pass an analyzer mounted behind the resonator, since due to their spinip their polarization is properly aligned along the analyzer orientation. In order to chop this continuous monoenergetic beam into neutron packets which are required for time-of-flight measurements it is sufficient simply to turn the transversally alternating magnetic field of the resonator on and off periodically in time. However, to achieve the smallest possible pulse width it is necessary that synchronously with the neutron passage time only one of the successive resonator should be activated, thereby 'accompanying' the particles during their propagation through the resonator. In contrast to the 'conventionally' pulsed mode of operation this is the so-called 'travelling-wave' of such a spatial magnetic spin resonance system. Successful tests with this kind of wavelength selection have already been performed on very cold neutrons, a new concept for the power supplies of the resonator coils should make it possible to select also wavelengths in the range of cold and thermal neutrons. Since they have a higher velocity, the magnetic fields created by the resonator coils have to be stronger and they have to be switched on and off faster, since the time a neutron is in the magnetic field of a single coil is signicantly shorter. For this reason, a new kind of power supply was created which is able to satisfy these increased demands. To realize the travelling-wave mode, every single coil is being supported separately by its individual power supply. This thesis essentially deals with these new, quite complex power supplies and presents a concept, from a hardware and software point of view, on how to manage these power supplies in order to enable a wavelength selection, either pulsed or permanent, in the range from cold to thermal neutrons.