BANDFÖRMIGER CHOPPER FÜR EINEN TEILCHENSTRAHL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Chopper für einen Teilchenstrahl.

Stand der Technik

[0002] Bei der Nutzung von Teilchenstrahlen, etwa für Forschungszwecke, kommt es vielfach darauf an, den Strahl in räumlich und zeitlich begrenzte Pulse zu modulieren. Hierzu werden Chopper mit einem Steuerelement verwendet, die Bereiche mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für den Teilchenstrahl aufweisen. Indem das Steuerelement durch den Teilchenstrahl bewegt wird, trifft der Teilchenstrahl abwechselnd auf Bereiche höherer und niedrigerer Durchlässigkeit und wird auf diese Weise moduliert.

[0003] Aus der DE 10 2004 002 326 A1 sind als Räder ausgebildete Chopper bekannt, die durch den Teilchenstrahl rotiert werden. Dabei gibt die Umfangsgeschwindigkeit am Rand des Chopperrades die Frequenz vor, mit der der Teilchenstrahl moduliert werden kann.

[0004] Aus der DE 10 2007 046 739 A1 ist eine Verfeinerung dieser Chopper bekannt, bei der ein kleines Steuerelement periodisch um ein ortsfestes Führungselement umläuft, das die Bahn des Steuerelements vorgibt. Dadurch muss zum Modulieren des Teilchenstrahls deutlich weniger Masse bewegt werden, was hohe mechanische Beanspruchung des Materials durch Fliehkräfte sowie unerwünschte Eigenschwingungen vermeidet.

[0005] Nachteilig wird für das Chopperrad bzw. für das Führungselement viel Platz benötigt. Gerade an wissenschaftlichen Großgeräten, die Teilchenstrahlen produzieren, ist dieser Platz jedoch knapp bemessen, um möglichst viele Nutzer zum Zuge kommen zu lassen. Gleichzeitig besteht insbesondere an Spallationsquellen oder Forschungsreaktoren, die Neutronen ausgehend von ihrem Entstehungsort zunächst analog einer Punktquelle in alle Richtungen emittieren, ein großes Interesse, den Strahl möglichst nah an diesem Entstehungsort zu modulieren, um während einer vorgegebenen Pulsdauer eine möglichst große Anzahl Neutronen nutzen zu können. Je näher sich aber der Chopper am Entstehungsort der Neutronen befindet, desto weniger Platz steht zur Verfügung.

[0006] Weiterhin können bei den bisherigen Choppern die Pulsdauer und Repetitionsrate nicht unabhängig voneinander variiert werden, da beide Größen an die Umlauffrequenz des Steuerelements gekoppelt sind.

[0007] Die Schrift US 5 365 561 A offenbart einen Chopper für einen Rötgenstrahl umfassend mindestens ein biegsames Steuerelement, das in mindestens zwei Bereiche A und B unterteilt ist, wobei der Bereich B eine geringere Transparenz für den Teilchenstrahl hat, als der Bereich A.

[0008] Die WO 2011/115923 A1 offenbart einen Chopper in Form eines Zylinders, in dem die durchlässigen Schlitze helical angeordnet sind.

Aufgabe und Lösung

[0009] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Chopper zur Verfügung zu stellen, der in unmittelbarer Nähe des Strahlengangs des zu modulierenden Teilchenstrahls weniger Platz beansprucht als Chopper nach dem bisherigen Stand der Technik. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Pulsdauer und die Repetitionsrate voneinander zu entkoppeln, damit beide Größen für die jeweilige Anwendung optimal gewählt werden können.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Chopper gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung

[0011] Im Rahmen der Erfindung wurde ein Chopper für einen Teilchenstrahl entwickelt. Dieser Chopper umfasst mindestens ein biegsames Steuerelement, das in mindestens zwei Bereiche A und B unterteilt ist, wobei der Bereich B eine geringere, insbesondere keine, Transparenz für den Teilchenstrahl hat als der Bereich A, sowie mindestens eine Antriebsquelle zur derartigen Förderung des Steuerelements durch den Teilchenstrahl, dass dieser zeitlich abwechselnd auf die Bereiche A und B trifft.

[0012] Erfindungsgemäß ist das Steuerelement bandförmig ausgebildet und liegt kraftschlüssig am Außenumfang mindestens eines durch die Antriebsquelle in Rotation versetzbaren Elements an.

[0013] Es wurde erkannt, dass durch die Ausbildung des Steuerelements als bandförmiges Element der Chopper wesentlich platzsparender ausgestaltet werden kann als rad- oder ringförmige Chopper nach dem bisherigen Stand der Technik. Insbesondere kann die im Vergleich zum Steuerelement voluminöse Antriebsquelle räumlich vom Strahlengang getrennt angeordnet werden, indem das Band selbst die Kraft der Antriebsquelle überträgt. Beispielsweise kann das Band durch eine oder mehrere Rollen umgelenkt werden und die Antriebsquelle weit entfernt vom Strahlengang an einem Ort platziert werden, an dem der Platz nicht mehr knapp ist. Dabei kann das Band auch durch eine schmale Öffnung in einer Wand in einen anderen Raum geführt sein, indem sich die Antriebsquelle befindet. Die Geschwindigkeit, mit der das Steuerelement durch den Teilchenstrahl gefördert wird, kann dann gesteigert werden, indem der Umfang des in Rotation versetzbaren Elements vergrößert wird.

[0014] Die Platzersparnis bringt es mit sich, dass der Anwender eine zusätzliche Freiheit dahingehend erlangt, in welcher Richtung das Steuerelement durch den Teilchenstrahl gefördert wird. Hat etwa der Teilchenstrahl keinen quadratischen, sondern einen rechteckigen Querschnitt, so kann bei gleicher linearer Fördergeschwindigkeit die minimal erzielbare Pulsdauer verkürzt werden, indem das Steuerelement entlang der kurzen Seite des rechteckigen Querschnitts durch den Teilchenstrahl gefördert wird. Hierfür ist besonders vorteilhaft, wenn das Steuerelement auch in sich biegsam (tordierbar) ist, weil es dann auch entlang eines abgeknickten Verlaufs gefördert werden kann.

[0015] Indem die Antriebsquelle nicht mehr zwangsläufig nah an dem Ort angeordnet sein muss, an dem der Teilchenstrahl auf den Chopper auftrifft, ist sie vorteilhaft vor potentiellen Strahlenschäden geschützt, was die Dauerhaltbarkeit des Choppers verbessert. Wird ein Neutronenstrahl als Teilchenstrahl mit dem Chopper moduliert, so werden viele Materialien, die im Bereich B zum Abfangen des Neutronenstrahls dienen können, durch die auftreffenden Neutronen aktiviert und senden ihrerseits eine starke Gammastrahlung aus. Diese greift organische Moleküle an, indem chemische Bindungen aufgebrochen und die Bildung freier Radikale angeregt wird. Die Isolierung der Wicklungen in Elektromotoren, die vielfach als Antriebsquelle dienen, enthält organische Moleküle und wird somit auf die Dauer durch die Gammastrahlung angegriffen, so dass der Motor schließlich durch Kurzschluss versagt.

[0016] Es wurde weiterhin erkannt, dass das Steuerelement im Vergleich zu massiven Chopperrädern nur eine sehr geringe Masse hat und dass durch das kraftschlüssige Anliegen an dem durch die Antriebsquelle in Rotation versetzbaren Element eine Änderung oder gar Umkehr der Rotationsgeschwindigkeit dieses Elements sofort auf das Steuerelement durchgreift, ohne dass hierzu ein großes Trägheitsmoment überwunden werden muss. Daher kann die Fördergeschwindigkeit, mit der das Steuerelement durch den Teilchenstrahl bewegt wird, variiert werden. Insbesondere kann die Antriebsquelle in der Konfiguration des Steuerelements, in der mindestens ein Teilbereich des Teilchenstrahls ausschließlich durch Bereiche A des Steuerelements hindurchtritt, mit einer anderen Fördergeschwindigkeit betrieben werden als in der Konfiguration des Steuerelements, in der der Teilchenstrahl vollständig auf einen Bereich B trifft. Die erstere Fördergeschwindigkeit ist dann für die Pulsdauer maßgeblich, innerhalb derer der Chopper durchlässiger für den Teilchenstrahl ist. Die letztere Fördergeschwindigkeit ist für die Repetitionsrate, also die Dauer zwischen den Pulsen, maßgeblich. Beide Geschwindigkeiten können unabhängig voneinander gewählt werden entsprechend dem Bedarf, der sich aus der konkreten Anwendung ergibt. Nach dem bisherigen Stand der Technik konnte zwar die Umlauffrequenz des Steuerelements variiert werden, es war jedoch nicht möglich, die Umlaufgeschwindigkeit während eines einzelnen Umlaufs zu ändern. Für jede der beiden Geschwindigkeiten kann der erfindungsgemäße Chopper mindestens die Leistung der bisherigen Radchopper erreichen, wegen der geringeren bewegten Masse tendenziell eher eine bessere Leistung.

[0017] Mit dem erfindungsgemäßen Chopper kann weiterhin flexibler auf eine Änderung des Strahlquerschnitts, insbesondere der Strahlhöhe, reagiert werden als mit herkömmlichen Radchoppern. Ändert sich beispielsweise die Strahlhöhe senkrecht zur Förderrichtung des Steuerelements, so ist lediglich das Steuerelement zu verbreitern, um den Strahl in der gleichen Weise wie zuvor zu modulieren. Bei einem Radchopper wären in der gleichen Situation mit Rücksicht auf die vom radialen Abstand zur Drehachse abhängige Umfangsgeschwindigkeit die Bereiche A und B dergestalt neu zu designen, dass der Strahl über seine gesamte Querschnittsfläche für die gleiche Zeit geschlossen bzw. geöffnet wird.

[0018] Erfindungsgemäß ist das Steuerelement in Förderrichtung dehnbar. Dadurch kann es ständig auf mechanischer Spannung gehalten werden, was den Kraftschluss zum in Rotation versetzbaren Element verbessert. Insbesondere muss das Steuerelement nicht extern an das in Rotation versetzbare Element angedrückt werden. Dadurch kann beispielsweise an der nicht kraftschlüssig anliegenden Außenseite des Steuerelements in Teilbereichen eine Beschichtung aufgebracht sein, die die Bereiche B mit geringerer Durchlässigkeit für den Teilchenstrahl bildet. Sowohl eine Andrückmechanik als auch die Beschichtung selbst verschleißen schnell, wenn die Beschichtung immer wieder zwischen der Andrückmechanik und dem in Rotation versetzbaren Element gewalzt wird.

[0019] Weiterhin werden mit einem dehnbaren Steuerelement extreme mechanische Beanspruchungen des Steuerelements bei einer Änderung oder gar Umkehr der Fördergeschwindigkeit der Antriebsquelle vermieden. Das dehnbare Steuerelement besitzt außerdem Dämpfungseigenschaften, so dass von der Antriebsquelle ausgehende Schwingungen sich größtenteils nicht mehr bis zu dem Ort fortpflanzen können, an dem der Strahl moduliert wird. Radchopper dagegen sind starre Systeme und anfällig für Schwingungen.

[0020] Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Kraftschluss zwischen der Antriebsquelle und dem Steuerelement ein Dämpfungselement angeordnet, beispielsweise eine Torsionsfeder. Das Dämpfungselement dissipiert die Energie der von der Antriebsquelle ausgehenden Schwingungen.

[0021] Das Drehmoment, mit dem die Antriebsquelle über das in Rotation versetzbare Element das Steuerelement fördert, und die Massenbelegung des Steuerelements sollten so aufeinander abgestimmt sein, dass der Lauf der Antriebsquelle nicht beeinträchtigt wird. Vorteilhaft weist das Steuerelement eine mittlere Massenbelegung von weniger als 50 g pro Meter Länge auf. Je leichter das Material ist, desto geringer sind die Kräfte, die für den Antrieb und für jede Richtungsänderung einer schnellen Bewegung erforderlich sind. Ist das Band beispielsweise geschlossen, gibt es entlang seiner Länge zwangsläufig Umkehrpunkte, an denen auch eine Bewegung mit gleichförmiger Geschwindigkeit zu einer beschleunigten Bewegung wird.

[0022] Dadurch werden sowohl das Steuerelement selbst als auch die Mechanik für seine Umlenkung am Umkehrpunkt mit Kräften beansprucht.

[0023] Erfindungsgemäss wird ein Kohlefaserband oder ein Band aus einem Faserverbundmaterial verwendet, insbesondere ist es mit einer Dicke zwischen 0,025 mm und 0,5 mm, bevorzugt mit einer Dicke von 0,1 mm oder weniger, als Steuerelement geeignet. Diese Materialien sind sowohl leicht als auch in Förderrichtung dehnbar. Sie sind für einen Neutronenstrahl als Teilchenstrahl sehr gut durchlässig, bilden also den Bereich A. Bereiche B werden auf dem Band gebildet, indem ein neutronenabsorbierendes Material entweder als Schicht ein- oder beidseitig auf das Band aufgebracht oder in das Band integriert wird. Als neutronenabsorbierende Materialien sind beispielsweise ¹⁰B oder Gd geeignet, die, beispielsweise eingebettet in ein Polymer, mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm auf das Band aufgebracht werden können. In einem Beispiel, das nicht Gegenstand der beanspruchten Erfindung ist, kann das Steuerelement aber auch ein metallisches Band mit Öffnungen sein, durch die Teilchen hindurchtreten können. Die Öffnungen bilden dann die Bereiche A, während das metallische Band selbst den undurchlässigen Bereich B bildet. Typischerweise besteht das Steuerelement im Wesentlichen (zu 95 %) aus Bereichen B, die für Neutronen undurchlässig sind, und hat nur einige wenige Neutronenfenster (Bereiche A), die für Neutronen durchlässig sind. Vorteilhaft ist der Bereich A für den Teilchenstrahl zu mindestens 75 %, bevorzugt zu mindestens 90 %, ganz besonders bevorzugt zu mindestens 95 % und idealerweise vollständig durchlässig. Vorteilhaft ist der Bereich B für den Teilchenstrahl zu höchstens 10 %, bevorzugt zu höchstens 1 %, ganz besonders bevorzugt zu höchstens 0,1 % durchlässig und idealerweise vollständig undurchlässig.

[0024] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Steuerelement ein geschlossenes Band. Dann kann die Antriebsquelle gleichförmig betrieben und der Teilchenstrahl dennoch periodisch moduliert werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, immer wieder unter hohen Beschleunigungskräften die Bewegung zu stoppen und umzukehren. Dabei kann das Steuerelement auf einem Weg (in einer Lage) durch den Strahlengang geführt sein und auf dem Rückweg um den Strahlengang herum geführt sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch das Steuerelement mindestens in zwei Lagen durch den Strahlengang des Teilchenstrahls geführt und weist jeweils mindestens zwei Bereiche A und zwei Bereiche B auf. Diese Bereiche sind zueinander dergestalt angeordnet, dass zumindest ein Teil des Teilchenstrahls in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in beiden Lagen durch je einen Bereich A hindurchtritt. Dann ist es nicht erforderlich, das Steuerelement auf dem Rückweg um den Strahlengang herum zu führen. Vielmehr können beide Wege in einer Ebene verlaufen, so dass das Band nicht in sich verdreht werden muss. Vorteilhaft tritt in dieser Konfiguration der gesamte Teilchenstrahl in beiden Lagen durch je einen Bereich A hindurch.

[0025] Vorteilhaft ist der Abstand der beiden Lagen in der Strahlrichtung veränderbar. Dies lässt sich beispielsweise erreichen, indem beide Lagen über separate Rollenpaare geführt werden. Indem die Rollen des zweiten Paars, über das die zweite Lage geführt wird, näher zusammen und gleichzeitig in Strahlrichtung von der ersten Lage weg geführt werden, lässt sich bei gleich gebliebener Länge des Steuerelements der Abstand beider Lagen vergrößern. Dies kann genutzt werden, um über die Flugzeit nur Teilchen mit einer Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs passieren zu lassen (Geschwindigkeitsfilter).

[0026] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trifft der Teilchenstrahl in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in dem Umfang, in dem er in der ersten Lage durch einen Bereich A hindurchtritt, in der zweiten Lage auf einen Bereich B. Beide Lagen tragen dann dazu bei, dass sich in der Summe nur für die kürzestmögliche Zeit ein durchlässiges Fenster für den Teilchenstrahl bildet. Idealerweise wird in dieser Konfiguration eine Hälfte des Strahlquerschnitts durch einen Bereich B in der ersten Lage blockiert. Die zweite Hälfte des Strahlquerschnitts, die in der ersten Lage durch einen Bereich A hindurchtritt, wird in der zweiten Lage durch einen Bereich B blockiert. Dann lässt sich die Pulsdauer halbieren. Dieser Effekt lässt sich nicht nur mit zwei Lagen ein und desselben geschlossenen Bandes erzielen, sondern auch mit zwei nicht zusammenhängenden Bändern, die lediglich in ihrer Bewegung synchronisiert sind.

[0027] Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Choppers. Dabei wird die Antriebsquelle in der Konfiguration des Steuerelements, in der mindestens ein Teilbereich des Teilchenstrahls ausschließlich durch Bereiche A des Steuerelements hindurchtritt, mit einer anderen Fördergeschwindigkeit betrieben als in der Konfiguration des Steuerelements, in der der Teilchenstrahl vollständig auf einen Bereich B trifft. Dies hat die Wirkung, dass die Pulsdauer und die Repetitionsrate unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Spezieller Beschreibungsteil

[0028] Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:

Figur 1: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Choppers.

Figur 2: Erzeugung eines Neutronenpulses mit dem in Figur 1 gezeigten Chopper.

Figur 3: Modulation der Vorschubgeschwindigkeit des Steuerelements.

[0029] Figur 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Choppers, bei dem die Antriebsquelle und das durch sie in Rotation versetzbare Element der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet sind, in perspektivischer Schemazeichnung. Das Steuerelement 1 ist ein geschlossenes, 0,1 mm dickes Band aus Kohlefaser, das in den Bereichen B1, B2 mit ¹⁰B als neutronenabsorbierendem Material beschichtet ist. In den Bereichen A1, A2 ist es unbeschichtet; diese Bereiche dienen als Neutronenfenster. Das Band verläuft in einer Ebene und wird somit in zwei Lagen durch den Strahlengang 2 des Neutronenstrahls geführt. Dabei bewegen sich die beiden Lagen in unterschiedlichen Richtungen, die durch Pfeile angedeutet sind. Die Bereiche A1, A2 sind dergestalt zueinander angeordnet, dass es eine Position des Bandes gibt, in der in der ersten Lage ein Bereich A1 und gleichzeitig in der zweiten Lage ein Bereich A2 in der Linie des Strahlengangs stehen. In dieser Position ist der Chopper für den Neutronenstrahl 2 durchlässig. Werden dagegen alle Neutronen entweder durch einen Bereich B1 der ersten Lage oder durch einen Bereich B2 der zweiten Lage des Bandes absorbiert, ist der Chopper für den Neutronenstrahl insgesamt undurchlässig (geschlossen). Die Bezeichnung, in welcher Lage sich ein Bereich befindet (A1 bzw. A2 oder B1 bzw. B2), bezieht sich auf den in Figur 1a dargestellten Momentanzustand. Selbstverständlich wandern die Bereiche von einer Lage zur anderen, wenn das Band umläuft.

[0030] Figur 1b zeigt dieses Ausführungsbeispiel in einer weiteren Schemazeichnung in Aufsicht. Das Steuerelement 1 ist zwischen zwei Rollen 3 und 4 gespannt, an deren Außenumfang es jeweils kraftschlüssig anliegt. Dabei kann die Rolle 3 durch die Antriebsquelle in Rotation versetzt werden, was dazu führt, dass das Band umläuft. Die Antriebsquelle ist ein Gleichstrommotor, der die Rolle 3 in beiden Drehrichtungen antreiben kann. Das Band (Steuerelement) wird durch weitere nicht angetriebene Rollen 5 so geführt, dass die beiden Lagen, in denen es durch den Neutronenstrahl 2 geführt wird, parallel zueinander verlaufen und dicht beieinander liegen. Werden die Neutronen in evakuierten Neutronenleitern geführt, ist somit für den Einbau des Choppers nur ein minimaler Spalt zwischen zwei Neutronenleitern notwendig, den die Neutronen an Luft durchqueren müssen. Zudem ist die Pulsbreite um so schärfer definiert, je näher die beiden Lagen aneinander liegen.

[0031] In der in Figur 1b gezeigten Momentaufnahme befinden sich in der ersten Lage des Bandes zwei für Neutronen undurchlässige Bereiche B1 und ein für Neutronen durchlässiger Bereich A1. In der zweiten Lage des Bandes befinden sich ebenfalls zwei für Neutronen undurchlässige Bereiche B2 und ein für Neutronen durchlässiger Bereich A2. Die Bereiche A1 und A2 liegen in Richtung des Neutronenstrahls 2 hintereinander, so dass der Neutronenstrahl jeweils durchgelassen wird und den Chopper insgesamt ungeschmälert passieren kann. Somit zeigt Figur 1b den offenen Zustand des Choppers.

[0032] Figur 1c zeigt eine weitere Momentaufnahme. Im Vergleich zu Figur 1b hat sich die Rolle 3 im Uhrzeigersinn gedreht. Dementsprechend ist der Bereich A1 nach rechts gewandert, während gleichzeitig der Bereich A2 nach links gewandert ist. Gleichzeitig fällt der Neutronenstrahl 2 noch immer mit der gleichen Strahlbreite w an der gleichen Stelle auf das Band 1 ein. Er trifft dort nun bereits in der ersten Lage auf einen undurchlässigen Bereich B1 und wird absorbiert, so dass er die zweite Lage gar nicht mehr erreicht und erst recht den Chopper als Ganzes nicht passieren kann. Somit zeigt Figur 1c den geschlossenen Zustand des Choppers.

[0033] Figur 2 zeigt schematisch die Erzeugung eines Neutronenpulses mit dem in Figur 1 skizzierten Chopper. Die erste Lage des Bandes hat Bereiche A1, die für den Neutronenstrahl durchlässig sind, und Bereiche B1, die für den Neutronenstrahl undurchlässig sind. Die zweite Lage des Bandes hat Bereiche A2, die für den Neutronenstrahl durchlässig sind, und Bereiche B2, die für den Neutronenstrahl undurchlässig sind. Im überwiegenden Anteil der Zeit trifft der Strahl zur Gänze auf einen undurchlässigen Bereich B1 in der ersten Lage des Bandes und wird somit abgeschattet (Figur 2a). Die beiden Lagen des Bandes bewegen sich gegenläufig zueinander in den Richtungen, die durch Pfeile angedeutet sind.

[0034] An dem Punkt, an dem der Chopper insgesamt gerade noch undurchlässig ist, wird genau eine Hälfte des Strahls durch den Bereich B1 in der ersten Lage abgeschattet. Die andere Hälfte des Strahls dringt zunächst noch bis zur zweiten Lage vor. Dort wird diese Hälfte durch den Bereich B2 abgeschattet, so dass insgesamt keine Neu-tronen den Chopper passieren (Figur 2b).

[0035] Jede weitere Bewegung des Bandes in dergleichen Richtung hat nun zur Folge, dass der Strahl nicht mehr vollständig abgeschattet wird, sondern zwischen den Bereichen B1 und B2 ein Spalt entsteht. Der Teil des Neutronenstrahls, der in der ersten Lage durch einen Bereich A1 durchgelassen wurde, wird in der zweiten Lage nicht vollständig durch einen Bereich B2 abgeschattet, sondern trifft auch dort auf einen durchlässigen Bereich A2 (Figur 2c). Der Teil des Neutronenstrahls, der in keiner der beiden Lagen des Bandes abgeschattet wurde, wird vom Chopper insgesamt durchgelassen.

[0036] Nach einer Zeit w/(2*v), worin w die Strahlbreite und v die lineare Geschwindigkeit des Bandes ist, tritt der Neutronenstrahl vollständig zunächst durch den durchlässigen Bereich A1 in der ersten Lage und anschließend durch den durchlässigen Bereich A2 in der zweiten Lage hindurch. Er wird somit vom Chopper insgesamt ungeschmälert durchgelassen. In diesem Moment erreicht der Neutronenpuls seine maximale Intensität (Figur 2d).

[0037] Die weitere Bewegung des Bandes führt nun dazu, dass in der ersten Lage des Bandes erneut ein Bereich B1 in die rechte Hälfte des Neutronenstrahls hineintritt, während gleichzeitig in der zweiten Lage des Bandes ein Bereich B2 in die linke Hälfte des Neutronenstrahls hineintritt. Nach einer weiteren Zeit w/(2*v) tritt die linke Hälfte des Neutronenstrahls in der ersten Lage des Bandes durch den Bereich A1 hindurch, trifft jedoch in der zweiten Lage auf den Bereich B2. Die rechte Hälfte des Neutronenstrahls trifft bereits in der ersten Lage auf den Bereich B1 und wird dort absorbiert. Insgesamt lässt der Chopper keine Neutronen mehr durch. Der Neutronenpuls ist zu Ende (Figur 2e).

[0038] Der Intensitätsverlauf während des Pulses ist in Figur 2f über der Zeit aufgetragen. Wenn als Pulsdauer die Zeit gewertet wird, in der überhaupt Neutronen den Chopper passieren, so ist die Pulsdauer τ=w/v. Wird als Pulsdauer dagegen die Zeit gewertet, während der der Puls mindestens die Hälfte seiner Maximalintensität hat (full width half maximum), so ist die Pulsdauer τ_FWHM=w/(2*v).

[0039] Mit diesem Ausführungsbeispiel lässt sich eine Pulsdauer von etwa 3 ms bei einer Repetitionsrate von 14 Hz realisieren. Die Zeitspanne T zwischen zwei Pulsen ergibt sich zu T=I/v, worin I die Länge ist, um die das Band von einem Pulsbeginn gemäß Figur 2b bis zum nächsten derartigen Pulsbeginn weiterzubewegen ist. Diese Länge hängt von der Verteilung der Bereiche A und B auf dem Band ab. T lässt sich im laufenden Betrieb variieren, indem die Antriebsquelle im geschlossenen Zustand des Choppers mit einer anderen Geschwindigkeit betrieben wird als während eines Pulses. Typischerweise sind möglichst kurze Pulse gewünscht, so dass das Band während eines Pulses sehr viel schneller läuft als zwischen den Pulsen. Bei Radchoppern oder auch Fermi-Choppern lassen sich Pulsdauer und Repetitionszeit T nicht in diesem Maße unabhängig voneinander einstellen.

[0040] Figur 3 zeigt einen möglichen Verlauf der linearen Geschwindigkeit v des Bandes über der Zeit t. Der Vorschub des Bandes wird zwischen zwei verschiedenen Arbeitsgeschwindigkeiten v₁ und v₂ alterniert. Zwischen zwei Pulsen bewegt sich das Band mit der Geschwindigkeit v₁. Das Band wird so rechtzeitig vor Beginn eines Pulses mit der maximal möglichen Rate beschleunigt, dass es für die Dauer τ des Pulses mit der deutlich höheren Geschwindigkeit v₂ läuft. Dabei ist τ entweder über die Halbwertsbreite (FWHM) definiert oder über die Zeitspanne, während der überhaupt eine von Null verschiedene Zahl Neutronen den Chopper passiert. Nach Ablauf des Pulses wird das Band mit der maximal möglichen Verzögerung abgebremst, bis es wieder mit der Geschwindigkeit v₁ läuft.

[0041] Das Kohlefaserband kann nicht nur mit ¹⁰B oder Gd als Neutronenabsorber beschichtet, sondern auch mit diesen Materialien in Verbindung mit einem Bindemittel getränkt sein. Der Neutronenabsorber (Bereich B) ist dann bei Verbiegungen des Bandes, wie etwa beim Passieren von Rollen, weniger anfällig für Beschädigungen als eine Beschichtung, die auf die Dauer abblättern kann. Sollte das Band reißen oder seine Beschichtung verlieren, so ist es vorteilhaft deutlich einfacher auszutauschen als ein voluminöser und schwerer Radchopper, so dass weniger von der kostbaren Messzeit für die Reparatur in Anspruch genommen wird.

Ansprüche

1. Chopper für einen Neutronenstrahl, umfassend mindestens ein Steuerelement, das in mindestens zwei Bereiche A und B unterteilt ist, wobei der Bereich B eine geringere Transparenz für den Neutronenstrahl hat als der Bereich A, sowie mindestens eine Antriebsquelle zur derartigen Förderung des Steuerelements durch den Neutronenstrahl, dass dieser zeitlich abwechselnd auf die Bereiche A und B trifft, wobei das Steuerelement

• entweder aus Kohlefaser oder aus einem Faserverbundmaterial als Grundwerkstoff besteht, das den Bereich A bildet, wobei zur Bildung von Bereichen B ein neutronenabsorbierendes Material entweder als Schicht auf den Grundwerkstoff aufgebracht oder in diesen integriert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass
das Steuerelement als biegsames bandförmiges Element ausgebildet ist und kraftschlüssig am Außenumfang mindestens eines durch die Antriebsquelle in Rotation versetzbaren Elements anliegt und dass es in Förderrichtung dehnbar ist.

2. Chopper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein Kohlefaserband oder ein Band aus einem Faserverbundmaterial mit einer Dicke zwischen 0,025 mm und 0,5 mm, bevorzugt mit einer Dicke von 0,1 mm oder weniger, ist.

3. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das neutronenabsorbierende Material ¹⁰B oder Gd ist, das mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 und 0,5 mm auf das Band aufgebracht ist.

4. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftschluss zwischen der Antriebsquelle und dem Steuerelement ein Dämpfungselement angeordnet ist.

5. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine mittlere Massenbelegung von weniger als 50 g pro Meter Länge aufweist.

6. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement ein geschlossenes Band ist.

7. Chopper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement mindestens in zwei Lagen durch den Strahlengang des Teilchenstrahls geführt ist und jeweils mindestens zwei Bereiche A und zwei Bereiche B aufweist, wobei diese Bereiche zueinander dergestalt angeordnet sind, dass zumindest ein Teil des Teilchenstrahls in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in beiden Lagen durch je einen Bereich A hindurchtritt.

8. Chopper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden Lagen in der Strahlrichtung veränderbar ist.

9. Chopper nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl in mindestens einer von der Antriebsquelle anfahrbaren Konfiguration des Steuerelements in dem Umfang, in dem er in der ersten Lage durch einen Bereich A hindurchtritt, in der zweiten Lage auf einen Bereich B trifft.

10. Verfahren zum Betreiben eines Choppers nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsquelle im Zustand des Steuerelements, in dem mindestens ein Teilbereich des Neutronenstrahls ausschließlich durch Bereiche A des Steuerelements hindurchtritt, mit einer anderen Fördergeschwindigkeit betrieben wird als im Zustand des Steuerelements, in dem der Neutronenstrahl vollständig auf einen Bereich B trifft.

Claims

1. A chopper for a neutron beam, comprising at least one control element which is divided into at least two regions A and B, wherein the region B has a lower transparency for the neutron beam than the region A, and at least one drive source for such conveying of the control element by the neutron beam, that it impinges on the regions A and B in a temporally alternating manner, wherein the control element

• consists either of a carbon fibre or of a fibre composite material as a base material which forms the region A, wherein a neutron-absorbing material is either applied as a layer onto the base material or is integrated therein for the formation of regions B,

characterized in that
the control element is designed as a pliable band-shaped element and abuts, in a force-fit manner, on the outer circumference of at least one element which can be set in rotation by the drive source and that it can be expanded in the conveying direction.

2. A chopper according to claim 1, characterized in that the control element is a carbon fibre band or a band of a fibre composite material with a thickness between 0.025 mm and 0.5 mm, preferably with a thickness of 0.1 mm or less.

3. A chopper according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the neutron-absorbing material is ¹⁰B or Gd which is applied with a layer thickness between 0.1 and 0.5 mm onto the band.

4. A chopper according to any one claims 1 to 3, characterized in that a damping element is arranged in the frictional connection between the drive source and the control element.

5. A chopper according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the control element has an average mass occupancy of less than 50 g per meter length.

6. A chopper according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the control element is a closed band.

7. A chopper according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the control element is guided through the beam path of the particle beam at least in two layers and has in each case at least two regions A and two regions B, wherein these regions are arranged with respect to one another in such a way that at least a part of the particle beam passes in each case through one region A in both layers, in at least one configuration of the control element which can be launched by the drive source.

8. A chopper according to claim 7, characterized in that the distance between the two layers in the beam direction is changeable.

9. A chopper according to any one of claims 7 to 8, characterized in that the particle beam impinges on a region B in the second layer in at least one configuration of the control element, which can be launched by the drive source, in the circumference in which it passes through a region A in the first layer.

10. A method for operating a chopper according to any one of claims 1 to 9, characterized in that, in the state of the control element, in which at least one partial region of the neutron beam passes exclusively through regions A of the control element, the drive source is operated at a different conveying speed than in the state of the control element, in which the neutron beam impinges completely on a region B.

Revendications

1. Hacheur d'un faisceau de neutrons, comprenant au moins un élément de commande subdivisé en au moins deux parties A et B, la partie B ayant une transparence au faisceau de neutrons plus petite que la partie A, ainsi qu'au moins une source d'entraînement, pour l'entraînement de l'élément de commande dans le faisceau de neutrons de manière à ce que celui-ci frappe en alternance dans le temps les parties A et B, l'élément de commande

• étant comme matériau de base, qui forme la partie A, en fibre de carbone ou en un matériau fibreux composite, dans lequel, pour la formation de parties B, un matériau absorbant les neutrons est soit déposé comme couche sur le matériau de base, soit y est intégré,

caractérisé en ce que
l'élément de commande est constitué sous la forme d'un élément souple en forme de bande et s'applique à coopération de force au pourtour extérieur d'au moins un élément pouvant être mis en rotation par la source d'entraînement, et en ce qu'il est extensible dans la direction de transport.

2. Hacheur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de commande est une bande en fibre de carbone ou une bande en un matériau fibreux composite d'une épaisseur comprise entre 0,025 mm et 0,5 mm, de préférence d'une épaisseur inférieure ou égale à 1,1 mm.

3. Hacheur suivant l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le matériau absorbant les neutrons est ¹⁰B ou Gd, qui est déposé sur la bande en une épaisseur de couche comprise entre 0,1 et 0,5 mmm.

4. Hacheur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un élément d'amortissement est disposé dans la coopération de force entre la source d'entraînement et l'élément de commande.

5. Hacheur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé, en ce que l'élément de commande a une pondération moyenne de masse de moins de 50g par mètre de longueur.

6. Hacheur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de commande est une bande sans fin.

7. Hacheur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de commande passe en au moins deux couches dans le trajet du faisceau de particules et a respectivement au moins deux parties A et deux parties B, ces parties étant disposées les unes par rapport aux autres de manière à ce qu'au moins une partie du faisceau de particules, dans au moins une configuration, pouvant être mise en mouvement par la source d'entraînement, de l'élément de commande, traverse une partie A dans les deux couches.

8. Hacheur suivant la revendication 7 caractérisé en ce que la distance entre les deux couches dans la direction du faisceau peut être modifiée.

9. Hacheur suivant l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le faisceau de particules dans au moins une configuration, pouvant être mise en mouvement par la source d'entraînement, de l'élément de commande frappe, dans la mesure où il traverse la première couche dans une partie A, dans la deuxième couche une partie B.

10. Procédé pour faire fonctionner un hacheur suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la source d'entraînement ,dans l'état de l'élément de commande, dans lequel au moins une région partielle du faisceau de neutrons traverse exclusivement des parties A de l'élément de commande, fonctionne à une vitesse de transport autre que dans l'état de l'élément de commande, où le faisceau de neutrons frappe complètement une partie B.

Zeichnung