Schleching 2008 Präzisions-Physik mit Neutronen / 1. Neutronenquellen 1.1

Präzisions-Physik mit Neutronen

1.Neutronenquellen2.Physik mit Neutronen, allgemein3.Neutronen-Experimente: jenseits SM4.Theorie Standard Modell5.Neutronen-Experimente: diesseits SM6.Theorie n-Zerfall

D. DubbersU. Heidelberg

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1. Neutronenquellen

1.1 Reaktor Neutronenquellen1.2 Spallations-Neutronenquellen1.3 Ultrakalte Neutronen

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1.1 Reaktor-Neutronenquellen Institut Laue-Langevin Grenoble FRM-II TU München

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FRM II

Forschungs-Reaktor München FRM-2:TU München, Garching,Start 2004, themische Leistung 20 MW Neutronenflussdichte Φmax= 0.8x1015 cm−2 s−1

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n-Leiter in FRM-II Halle, im Aufbau

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Grundriss ILL

Institut Laue –Langevin Grenoble, Start 1972themische Leistung 58 MW Neutronenflussdichte 2x1015 cm-2 s-1

~ 100 m

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ILL n-Leiterhalle

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Neutronen Leiter

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,40,000

0,004

0,008

0,012

0,016

BRIGHTNESS OF COLD SOURCE AND GUIDE

BC (

a.u.

)

(nm)

n-TOF Spektren aus kaltem n-Leiter →

Am Leiterausgang: Φn~1010 cm−2s−1.

de Broglie: λn = 0.2 nm bei υn = 800 m/s(Kalte Quelle: Tn ≈ 40 K).

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Querschnitt durch ILL Reaktor

Brennelement im Abklingbecken

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Grundriss Reaktor Becken FRM-II

Horizontaler Schnitt durch das Reaktorbecken. Im Zentrum befindet sich das Brennelement.

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Brennelement

Durch die Evolventenform der Brennstoffplatten haben die Kühlkanäle überall eine konstante Breite.

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Thermische Neutronen-Flussdichte Φn in Abh. vom Abstand zu Brennelement Mitte. Das Flussmaximum liegt außerhalb des Brennelements im Moderatortank.

n-Fluss Verteilung

235U H2O D2O Moderator

Radius→Brenn-Element

↓Φn=8·1014cm−2s−1

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Bilanz der Kettenreaktion

Brennelement 235Uin H2O, σfiss= 580 b, σstreu= 80 b

Moderator D2Oσabs= 0.0005 bσstreu= 8 b

schnell: 100 Spaltneutronen

↓

25 + 28

72

epitherm: → 22 neue Spaltneutr.

Moderation

langsam: 33 → 48 neue Spaltneutr.

30 neue Spaltneutr ←20 47

Dh. bei kritischem Reaktor werden aus 100 schnellen Spaltneutronen im Brennelement 22 + 48 + 30 = 100 neue schnelle Spaltneutronen erzeugt.

← therm. Wirkungsqu., 1 barn = 10−24 cm2

vor: nach n-Einfang:

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1.2 Spallations-Neutronenquellen

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SNS in Oak Ridge, USA

January 29, 2008: "the Spallation Neutron Source last week reached 310 kW."i.e. peak flux of thermal neutrons at present ~ 1016 cm−2 s−1.

Spallation Neutron Source ParametersProton beam power on target 1.4 MW Proton beam energy on target 1.0 GeV Average beam current on target 1.4 mA Pulse repetition rate 60 Hz Protons per pulse 1.5x1014

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Spallation Target Station

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Experimental area

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Neutronen-Intensitäten aus n-Leitern

SOURCE Beam-line

Beamarea

Acm2

TIME AVERAGE PEAK

Brightnessmaximum

∂2ΦC/ ∂λ ∂Ω

cm−2 s−1 nm−1 sr−1

Fluxmaximum∂ΦC/ ∂λ

cm−2 s−1 nm−1

Flux ΦC

cm−2 s−1

IntensityAΦC

s−1

Brightnessmaximum

∂2ΦC/ ∂λ ∂Ω

cm−2 s−1 nm−1 sr−1

ILL H113 6×206·1013

@ λ=0.5 nm 2·1010

@ λ=0.5 nm1.8·1010 1.5·1012 -

FRM2 NL-3a 5×122·1010

@ λ=0.5 nm2·1010 1.2·1012 -

NISTNG-6 6 Ø 2.3·109 6.4·1010 -

SINQCh 51

@ 700 kW 8×15

6·108

@ λ=0.4 nm~109 ~1011 -

SNS aver.FP13

@ 1.4 MW10×12 ~7·1012 ~3·109

@ λ=0.34 nm~3x109 ~1011 Peak≈102×

@ λ=0.34 nm

SNS peak ≈ 100 × average ~3x1011

Neutron capture-intensities in beam-lines for neutron-particle physics

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1.3 Ultrakalte NeutronenPh. Schmidt-Wellenburg, Th. Lauer, Sa Vorm.; S. Paul, Sa Abend

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Neutronenflaschen und -leiter

υ

υc

υ|| υ

Vakuum Metall

3cc

c8

2

2cc

c

2kin

1563

1032200/6/ist xion Totalrefleder Winkelkrit. dh.m/s 2200gkeit Geschwindi mittl.haben Neutronen Thermische

eiternNeutronenlin Neutronen schen von thermiTransport zum b)Behälternin Neutronen n ultrakalte von gSpeicherunzur a)

man benutzt Materiean Neutronen xion von Totalrefle Die

.m/s 6 dh. ,102GeV 1

neV 004

:Tempo-Fussgänger beiliegt Neutronen"n ultrakalte"dieser gkeit Geschwindi kritische Die

hat. neV 200½Neutron xion wenn Totalrefle Dh.

neV). eV10)(fm/Å(MeVHöhe neV 200~ von Potenzial-Kern mittleresein essieht Dort

. .. Ni, Fe, z.B. Materie, aufifft Neutron tr

υυυ

υmc

mυ

c

υ

υ

mυE

Vakuum Materie