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Main Title: Linsen in der Neutronenoptik
Translated Title: Lenses in neutron optics
Author(s): Bartmann, Roland
Advisor(s): Meißner, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die modernen in Neutronenstreuzentren genutzten Neutronenquellen haben große Strahldurchmesser und Winkelverteilungen. Ein Ziel der Neutronenoptik ist es, den Neutronenstrahl möglichst unter minimalen Verlusten zum Experiment zu leiten. Die in dieser Arbeit untersuchten Neutronenoptiken sind ausgewählte Elemente zur Neutronenfokussierung und bedienen sich der Methoden der Neutronenoptik, um den Neutronenfluss am Probenort zu erhöhen. Zwei neuartige Neutronenlinsen wurden am Helmholtz-Zentrum Berlin angefertigt und getestet. Da die Neutronenwellenlänge gegenüber den Abmessungen der Linsen zu vernachlässigen ist, konnten bei der Konzeption der Linsen die Gesetze der geometrischen Optik angewendet werden. Die Festkörperlinse ist eine Reflexionslinse, die nach einer Idee von Mildner entwickelt wurde. Der Aufbau der Linse ist zweiteilig. Auf jeder Seite bilden jeweils 95 Siliziumwafer einen Stapel, der zu einem Kreis (R=1 m) gebogen in einem Halter eingesetzt ist. Die Wafer sind mit einer die Neutronen reflektierenden (m=2)-Superspiegelbeschichtung versehen worden, um die in die Linse eintretenden Neutronen reflektieren zu können. Die Fokussierung ist aufgrund der nur in einer Richtung gebogenen Wafer eindimensional. Die Messung am Neutronenreflektometer ergab für die Neutronen-Silizium-Linse eine Brennweite von 31 mm bei einer 5,6-fachen Intensitätssteigerung im Fokus. Mit der getesteten Festkörperlinse ist es möglich, die komplette Divergenz des aus einem (m=2)-beschichteten Neutronenleiter austretenden Neutronenstrahls auf eine 2,5 mm breite Probe zu fokussieren. Weiterhin ergaben die Messungen an zwei refraktiven Bleiprismenlinsen über einen 1 bzw. 2 mm breiten Messbereich eine Maximalintensität vom 2- bzw. 3-fachen Neutronensignal bei 1 bis 1.4 m Brennweite. Die Bleiprismenlinsen bestehen aus einer hohen Anzahl mit mehreren hundert Prismen profilierter Bleischichten. Sie wurden nach dem Vorbild der Clessidra aus der Röntgenoptik entworfen. Die Berechnungen zeigen, bei einer Neutronenwellenlänge von mehr als 5 Å ließe sich die Intensität im Fokus um weitere 100 % erhöhen. Durch die Kombination beider Linsentypen, der Festkörper- und Clessidra-Linse zu einer zweidimensional fokussierenden Neutronenlinse, konnte das Neutronensignal in einem (0,9x2,4) mm² großen Fokus auf maximal das 12-fache erhöht werden. Abschließend wurde eine dritte Linse untersucht, eine zweidimensional fokussierende Multikapillaroptik. Diese Linse ist aus mehreren tausend mikrometerfeinen Hohlkapillaren aus Glas zusammengesetzt. Die Messungen zeigten für die Kapillarlinse mit 77 mm Brennweite einen bis zu 16-fachen Intensitätsgewinn in dem weniger als 1 mm² kleinen Punktfokus. Es zeigte sich eine homogene Entwicklung der Neutronenverteilung in einem Abstand von 0 bis 300 mm hinter dem Brennpunkt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Clessidra-Bleiprismenlinse noch verbessert werden kann. Eine mögliche Anwendung der Festkörperlinse besteht in der Charakterisierung kleiner Proben in der Neutronenreflektometrie und die Multikapillarlinse sollte sich nutzbringend in der Neutronentomographie einsetzen lassen.
Neutron sources in modern neutron facilities produce neutron beams of a large diameter and angular distribution. One of the main points of neutron optics is the minimization of beam losses during the transport to the particular neutron experiment. The investigated neutron lenses in this work are very specific neutron focusing elements. Their purpose is a gain of flux intensity in the sample area. Two new designed neutron lenses were built and tested at the Helmholtz-Centre Berlin for Materials and Energy. The neutron wavelength is much smaller than the lens dimensions, so the laws of geometrical optics could be applied. The reflective solid state lens was developed on the basis of an concept from Mildner. The lens consists of two main parts. On each side of the lens 95 silicon wafer are stacked together and bent in a circular form (R=1 m) in an aluminum frame. All wafers are coated with a neutron reflective (m=2) supermirror layer. They guide nearly every entering neutron through the lens mount to a line focus. The silicon wafers are curved in only one spatial direction. Measurements on a neutron reflectometer result in a focal distance of 31 mm and an intensity gain of 5.6 for the solid state lens construction. The lens has the ability to focus the whole beam divergence of a (m=2) coated neutron guide on a 2.5 mm wide sample. Furthermore measurements on two refractive lead prism lenses of an effective range of 1 and 2 mm showed an intensity maximum in the neutron signal of a factor of 2 and 3. The focal distance was 1.0 and 1.4 m, respectively. The lead prism lenses are made of many lead layers with some hundred prism profile lines. The concept is based on a prototype named Clessidra from the field of X-ray optics. The performed calculations indicate a possible 100% intensity rise from neutrons with a wavelength of 5 Å in the focal region. For a two dimensional focusing neutron lens both lens types, solid state and Clessidra lens, were combined. As result, a 12-times intensity gain in a (0.9x2.4) mm² focal area was measured. Finally, a third lens was investigated, a two dimensional focusing polycapillary optic. This lens is built up of many thousands of micrometer fine glass capillaries. The lens with a 77 mm focal distance was studied. In the 1 mm² small point focus area, a maximum intensity gain of factor 16 was determined. In a distance between 0 and 300 mm behind the focal spot, a near homogeneous neutron distribution was shown. In the outcome of this work there is a potential for improvements of the Clessidra lead prism lens. Another application for the solid state lens is the investigation of small samples with neutron reflectometry. In the end, the polycapillary lens should be a useful tool for neutron tomography applications.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-23961
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2574
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2277
Exam Date: 13-Jul-2009
Issue Date: 22-Oct-2009
Date Available: 22-Oct-2009
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Clessidra-Bleiprismenlinse
Multikapillarlinse
Neutronen-Silizum-Linse
Neutronenoptik
Neutronenreflektometrie
Clessidra lead prism lens
Neutron optics
Neutron reflectometry
Neutron silicon lens
Polycapillary lens
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