Brueckmann, H.

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Februar 1971Institut für Experimentelle KernphysikModerne Flugzeitspektrometerals Instrumente der KernphysikH. BrückmannKFK 1264Naturwissenschaften 58, 87-91 (1971)© by Springer-Verlag 1971Moderne Flugzeitspektrometerals Instrumente der KernphysikH. BRÜCKMANNInstitut für Experimentelle Kernphysik des Kernforschungszentrumsund der Universität KarlsruheTime-of-flight spectrometers are frequently used in nuclear physics instrumentation.The characteristic features of such a spectrometer are described and the experimentalsetup is illustrated on the basis of the large Karlsruhe time-of-flight spectrometer.This instrument uses a flight path of 190m and proves to be a very high resolutionspectrometer with the additional feature of very high intensity. The experimentalresults obtained are demonstrated by a discussion of the measurement of neutroncross sections.EinleitungInstrumente, mit denen die kinetische Energie vonNeutronen oder von Atomkernen über eine Flugzeit-messung bestimmt wird, tragen in der Kernphysikden Namen Flugzeitspektrometer. Das Meßprinzipberuht auf einer Geschwindigkeitsmessung. Es nutztdie allgemein bekannte physikalische Verknüpfungzwischen Masse M, Energie E und Geschwindigkeit veines bewegten Teilchens aus, um die kinetischeEnergie des Teilchens aus der gemessenen Geschwin-digkeit zu bestimmen. In nichtrelativistischer Nähe-rung nimmt diese Beziehung die einfache Formv=V~an. Die Geschwindigkeit wird durch Messung derFlugzeit t, in der ein Teilchen einen festgelegten Flug-weg durchläuft, ermittelt.Bei der Anwendung von Flugzeitspektrometern in derKernphysik ist die Messung sehr hoher Teilchen-geschwindigkeiten, häufig hinauf bis in die Nähe derLichtgeschwindigkeit, erforderlich. Ein Meßbereichzwischen 108 und 1010 ern/sec ist beispielsweise erfor-derlich, um Neutronenenergien zwischen 5 keV und50 MeV zu bestimmen. Da aus Intensitätsgründennur Flugwege bis zu einigen hundert Metern ver-wendet werden können, ist die Meßgenauigkeit unddamit auch die Güte eines solchen Flugzeitspektro-meters hauptsächlich durch die Genauigkeit, mit derStart- und Ankunfts-Zeitpunkt erfaßt werden kön-nen, bestimmt. Für die Anwendungen in der Kern-physik ist eine Messung dieser beiden Zeitpunkte miteiner Genauigkeit von besser als 10-9 sec anzustreben.Bei Experimenten im Bereich mittlerer und höhererTeilchenenergien wird der Startzeitpunkt im all-gemeinen dadurch definiert, daß die Neutronen oderdie Atomkerne nur während eines sehr kurzen Zeit-intervalls mit Hilfe einer Kernreaktion produziertwerden. Dieses Verfahren setzt voraus, daß ein Teil-chenbeschleuniger zur Verfügung steht, der ent-sprechend kurze Strahlimpulse liefern kann.Es gibt derzeit mehrere Flugzeitspektrometer mitFlugwegen bis zu hunderten von Metern. Für die Er-läuterung des Prinzips eines solchen modernen In-struments der Kernphysik wird das Karlsruher N eu-tronenflugzeitspektrometer herausgegriffen, da es inso-fern eine Sonderstellung einnimmt, als hier höchstePräzision der Flugzeitmessung mit sehr hoher Inten-sität im Neutronenimpuls vereint wurde. Das Iso-chronzyklotron Karlsruhe- kann infolge seiner Bau-art extrem kurze Strahlimpulse liefern. Spezielletechnische und elektronische Entwicklungen desKernforschungszentrums Karlsruhe führten dazudaß an diesem Beschleuniger besonders leistungs~fähige Flugzeitapparaturen für die Grundlagenfor-schung und für die angewandte Forschung zur Ver-fügung stehen. Diese spezielle Meßtechnik findet einso allgemeines naturwissenschaftlich-technisches In-teresse, daß eine dieser Anlagen bereits in der Tages-presse als "modernstes Flugzeitspektrometer derWelt" bezeichnet wurde [1].Experimentelle AnordnungDie Bauart des Isochronzyklotrons Karlsruhe weichtvon der üblichen Konzeption eines Zyklotrons [2J mitnur zwei Beschleunigungsspalten insofern ab, als dasHochfrequenzbeschleunigungssystem hier insgesamtsechs Beschleunigungsspalte besitzt. Auf die techni-schen Einzelheiten dieses Beschleunigers kann hiernicht eingegangen werden, es werden nur die für dieFlugzeittechnik wesentlichen Merkmale anhand einerSkizze erläutert.Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus derZyklotronmitte. Deuterium-Ionen werden in deretwas exzentrisch angeordneten Ionenquelle produ-ziert. Die drei Beschleunigungs-Elektroden ("Dees")werden mit einer Hochfrequenzspannung UH F ver-sorgt, deren Frequenz über die Zyklotron-Resonanz-Bedingung auf 33 MHz festgelegt ist. Die Deuterium-Ionen durchlaufen beim Eintritt und beim Austrittaus einem "Dee" einen Beschleunigungsspalt. Eswerden also insgesamt sechs Beschleunigungsstreckenauf jedem der etwa 200 Umläufe durchlaufen. Aufdem ersten Umlauf wird der Ionenstrahl durch eineLaufzeitkammer L und drei Blenden B räumlich be-grenzt. Das bewirkt, daß nur solche Ionen in den1 Erstellt von AEG, Frankfurt, für die Beschleunigung vonDeuteronen auf eine Energie von 50 MeV und von IX-Teilchenauf 100 MeV.88 H. Brückmann: Moderne Flugzeitspektrometer als Instrumente der Kernphysik NaturwissenschaftenFig. 1. Ausschnitt aus der Zyklotronmitte, schematisch.1 Ionenquelle, L Laufzeitkammer, B Blenden, "Dee" dreiBeschleunigungselektroden, Cl Ablenk-Kondensatorweiteren Beschleunigungszyklus aufgenommen wer-den, die bereits im ersten Beschleunigungsprozeßzwischen Ionenquelle und Laufzeitkammer eine ganzbestimmte Energie erlangt haben. Alle diese Ionenmüssen daher innerhalb einer sehr kurzen Zeitspannean der Ionenquelle starten. Der beschleunigte Strahlhat infolgedessen eine zeitliche Impulsstruktura ]"%\AA0\/0.",b UrInsec ~ ~ ~ 0--;tI ~30 nsec-----lcLltJ I I ~ I ~tdt~~-~rtFig.2a-d. Der zeitliche Verlauf der Hochfrequenzspannun-gen und die entsprechende zeitliche Lage der Ionenpakete.a Beschleunigungsspannung 33 MHz; b zeitliche Struktur desZyklotronstrahles (1 Intensität); c zwei von drei Ionen-paketen sind unterdrückt; d Spannungsverlauf am Ablenk-Kondensator Cl tu; Gleichspannung, Uw Wechselspannung)(Fig. 2b). Solange keine weiteren Kunstgriffe an-gewendet werden, beträgt der zeitliche Abstand zwi-schen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen 30 nsec(1 nsec = 10-9 sec) und die zeitliche Länge des einzel-nen Strahlimpulses weniger als 1 nsec. Unter opti-malen Bedingungen kann eine zeitliche Impulslängevon weniger als 0,2 nsec erreicht werden [3]. Diesefür Flugzeitexperimente sehr vorteilhafte extremeKürze der Strahlimpulse ist eine direkte Folge der3-Dee-Struktur, der damit verbundenen hohen Fre-quenz der Beschleunigungsspannung und der geo-metrischen Begrenzung des Strahls in der Zyklotron-mitte.Die bisher erläuterten Besonderheiten dieses Zvklo-tronstrahles werden in Verbindung mit einer speziellenFlugzeitmethode [3J bei vielen experimentellen Unter-suchungen von Kernreaktionen am externen Strahldes Zyklotrons ausgenutzt (s. z.B. [3,4J). Für denAufbau eines Neutronenflugzeitspektrometers höch-ster Auflösung wird allerdings ein sehr langer Fiug-weg benötigt. Es stellt sich heraus, daß der zeitlicheAbstand von 30 nsec zwischen zwei Strahlimpulsenso kurz ist, daß sich Neutronen unterschiedlicher kine-tischer Energie, die aus zeitlich aufeinanderfolgendenStrahlimpulsen über Kernreaktionen entstehen, aufeinem langen Flugweg überholen können. Damit gehtdie Eindeutigkeit der Energiebestimmung verloren.Für das große Neutronen-Flugzeitspektrometer (190 mFlugweg) wurde daher ein spezielles Verfahren ent-wickelt [5J, mit dem sehr kurze und extrem intensiveNeutronenimpulse in größerem zeitlichem Abstanderzeugt werden können.Zwei neuartige Ideen bilden die Basis zu diesem Ver-fahren: .Erstens werden in der Zyklotronmitte bei noch ge-ringer Ionenenergie jeweils 2 von 3 aufeinander-folgenden Strahlimpulsen unterdrückt (Fig. 2c). Derzeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgendenImpulsen wird damit auf 90 nsec vergrößert. Veran-schaulicht man sich die geometrische Lage der ver-bleibenden Ionenpakete während ihrer Beschleuni-gung, so zeigt sich, daß dann nur noch eine von denursprünglich drei Gruppen ("Speichen") von Ionen-paketen in dem Beschleuniger umläuft (Fig. 1außen).-Zweitens werden nach der Beschleunigung auf eineEnergie von 40-50 MeV etwa 30-40 dieser Ionen-pakete gemeinsam aus der Mittelebene herausgelenkt.Alle diese Ionenpakete treffen dann gleichzeitig aufein oberhalb der Mittelebene aufgestelltes Uran-Target und produzieren dort über Kernreaktioneneinen extrem intensiven Neutronenimpuls.Aus der Erklärung des Prinzips gehen die Vorteiledieses Verfahrens bereits deutlich hervor. Die zeit-liche Länge der so produzierten Neutronenimpulseist genauso kurz wie die der einzelnen Strahlimpulse derFig. zb. Die Intensität in jedem einzelnen Neutronen-impuls wird jedoch erheblich gesteigert, da vieleIonenpakete gleichzeitig auf das Uran-Target auf-treffen.Die Methoden zur experimentellen Realisierung dieserbeiden Ideen können hier nur skizziert werden. Einedetaillierte Darstellung ist in der entsprechendenOriginalliteratur [5J zu finden. Für den ersten Schritt,die Strahlimpulsunterdrückung, wird ein kleines Ab-lenkplattenpaar (Cl in Fig. 1) in der Zyklotronmitteverwendet. An der unteren Platte dieses Platten-paares wird sowohl eine Gleichspannung Uu als aucheine Hochfrequenzspannung U; angelegt. Die Fre-quenz von Uw beträgt genau 1[3 der Beschleunigungs-frequenz und ist damit mit der Umlauffrequenz derIonen identisch. Die Phasenlage der Hochfrequenz-spannung Uw wird so gewählt, daß ein Ionenpaket dasPlattenpaar zu dem Zeitpunkt passiert, an demUw + U; = °ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Span-nung an der oberen Platte ebenfalls gleich Null ist, sowird dieses Ionenpaket im Ablenkplattenpaar Clnicht beeinflußt. Die beiden nächsten Ionenpaketegelangen zu einem Zeitpunkt an den Ablenkkoriden-58. Jg., Heft 2, 1971 H. Brückmann : Moderne Flugzeitspektrometer als Instrumente der Kernphysik 89sator, an dem eine Momentanspannung 3/2 Uu an-liegt. Diese beiden Pakete werden infolgedessen ausder Mittelebene abgelenkt, treffen auf die Wand undwerden vom weiteren Beschleunigungsvorgang aus-geschlossen. Durch Anlegen einer RechteckspannungUo an die obere Ablenkplatte läßt sich außerdem er-reichen, daß insgesamt jeweils nur eine Kette von30-40 einzelnen Ionenpaketen durchgelassen wird(während Uo=O ist). Alle später kommenden Ionenwerden durch diese zusätzliche Ablenkspannung Uoeliminiert. Auf diese Weise entsteht die in Fig. 3Fig. 3. Schema des Flugzeitspektrometers. C2 Ablenk-Kon-densator, T Uran-Target, F Neutronen-Flugweg 190 m lang,R Flugrohr, D Detektor, M Monitordetektor für die Be-stimmung des Startzeitpunktes, P Probe, von der im Trans-missionsexperiment der Neutronenwirkungsquerschnitt alsFunktion der Energie bestimmt wirdschematisch eingezeichnete Gruppe von Ionenpake-ten, Der zweite Schritt, die Ablenkung aller dieserIonen-Pakete auf das Uran-Target, wird mit einemzweiten Ablenkplattenpaar C2 erreicht (Fig.3). Die-ses Plattenpaar wird ebenfalls mit einer Impuls-spannung versorgt. Sobald die Gruppe der Ionen-pakete auf den entsprechenden Radiusbereich be-schleunigt worden ist, bewirkt diese Spannung einegemeinsame Ablenkung aller Ionen auf das Uran-Target. Außer für die Erzeugung der Ablenkspannun-gen muß auch für eine geeignete zeitliche Korrelationzwischen den einzelnen Spannungen gesorgt werden,jedoch können diese elektronischen Details hier nichtnäher erläutert werden.Fig.3 zeigt ein Schema des Flugzeitspektrometers.Die intensiven und kurzen Neutronenimpulse ent-stehen in dem Uran-Target T. Der Neutronen-Flug-weg F ist bei dem Karlsruher Flugzeitspektrometer190 m lang. Um Streuung der Neutronen an denLuftmolekülen zu vermeiden, wird das Flugrohr Revakuiert « 10-2 Torr). Im Detektor D werden dieNeutronen nachgewiesen. Er liefert die Ankunftszeitals elektronisches Signal. Spezielle Entwicklungen[3, 5J erlauben bei hochenergetischen Neutronen eineMessung der Ankunftszeit mit einer Genauigkeit von;besser als 1O~10 sec. Der Startzeitpunkt der Neutronenkann aus der Zyklotron-Hochfrequenzspannung undder Impulsspannung am Plattenpaar C2 abgeleitetwerden und wird außerdem durch den Nachweis vonprompter y-Strahlung im Monitordetektor M über-wacht. Die eigentliche Neutronenflugzeit wird ausStartzeitpunkt und Ankunftszeitpunkt des Neutronselektronisch ermittelt und auf eine elektronischeRechenmaschine übertragen.Dieses Flugzeitspektrometer ermöglicht es, die Neu-tronenwirkungsquerschnitte aller Elemente im Ener-giebereich von 0,3-3 5 MeV mit sehr hoher Genauig-keit zu ermitteln. Die Kenntnis der Neutronenwir-kungsquerschnitte ist nicht nur für die Erforschungder Struktur der Atomkerne von großer Bedeutung,sondern auch für viele Anwendungen der Kern-physik. Beispielsweise bauen die Berechnungen undKonzipierungen von modernen Reaktoren unteranderem auf dem Zahlenmaterial der experimentellbestimmten Neutronenwirkungsquerschnitte auf. Ausder Fülle der vorliegenden Meßergebnisse [6J wirdhier nur anhand eines Beispieles die Messung einessolchen Neutronenwirkungsquerschnittes herausge-griffen.Messung des NeutronenwirkungsquerschnittesDer totale Neutronenwirkungsquerschnitt (JT wird ineinem Transmissionsexperiment gemessen. In einemsolchen Experiment wird die Meßprobe P in einenNeutronenstrahl gebracht, dessen Spektrum vorheraufgenommen wurde (Fig.4). Aus der Schwächungder Neutronenintensität läßt sich dann der Wirkungs-querschnitt (JT als Funktion der Neutronenenergieermitteln.Fig.4 zeigt ein typisches Neutronenenergiespektrum,das beim Beschuß von Uran mit Deuteronen von60Vi='§4..8::lc-,~1i36.Qw"0WZ 2412!!2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 EnlMevlEnergyFig. 4. Typisches Neutronenspektrurn, das beim Beschuß vonUran mit Deuteronen einer Energie von 40-50 MeV auf-tritt [5J40-50 MeV entsteht. Unterhalb von 5 MeV ist dieGestalt des Energiespektrums hauptsächlich durchdie Bildung von Spaltungsneutronen und das Ab-dampfen von Neutronen aus hoch-angeregten Kernenbestimmt. Die hochenergetische Neutronenverteilungmit dem Maximum bei 16 MeV entsteht überwiegenddurch Aufbruch des Deuterons im Coulombfeld derUrankerne. Die Meßkurve in Fig. 5 zeigt den totalenNeutronenwirkungsquerschnitt (JT von Sauerstoff imEnergiebereich von 0,4 bis 4 MeV. Wirkungsquer-schnitt und Energie sind logarithmisch aufgetragen.Die ausgeprägte Struktur enthält Neutronenresonan-zen sehr unterschiedlicher Energiebreite, und damitveranschaulicht dieses Meßergebnis die Präzision, mit90 H. Brückmann: Moderne Flugzeitspektrometer als Instrumente der Kernphysik NaturwissenschaftenoI< I~ ~ I... I \ i! ,~ / \ i : ,,......."i I •. : :",,;. !~\ ........ ~ ~. ':J: r \., :Ui;l i.......~ ,. Vi'.~I\;~-\ . .: ..-...iIII :sI::.':~;''..110·0'E'8 1.0Ö0.4 0.6 0.8 2.0 3.0 4-0En[MeV]Fig. 5. Der totale Wirkungsquerschnitt ar von Sauerstoff im Energiebereich von 0,4-4 MeVder diese Wirkungsquerschnittsbestimmungen durch-geführt werden können. Das Spektrum zeigt bei2.3 MeV ein "Neutronenloch", d. h., der Wirkungs-querschnitt nimmt in einem schmalen Energiebereichsehr niedrige Werte an. Die Kenntnis der Existenzund der energetischen Lage solcher "Neutronen-löcher" ist einerseits für die Verwendung der ver-schiedenen Materialien als Neutronenabschirmung vonBedeutung. Andererseits lassen sich die "Neutronen-löcher' auch beim Aufbau von Neutronenfiltern aus-nutzen. Aufgrund eines solchen schmalen Loches imWirkungsquerschnitt läßt so ein Filter fast aus-schließlich Neutronen aus einem schmalen Energie-bereich durch. Die Neutronen benachbarter Energiewerden in dem Filter gestreut oder absorbiert.Die Leistungsfähigkeit eines Neutronenflugzeitspek-trometers ist aus seiner Energieauflösung und derNeutronenintensität zu ersehen. Die Energieauf-lösung LlE hängt von der Neutronenenergie ab. Fürdas beschriebene Spektrometer (190 m, 1 nsec Zeit-auflösung) seien noch einige charakteristische Zahlen-werte der Auflösung angegeben: LlE=0,055 keV bei0,5 MeV Neutronenenergie, LlE = 1,7 keV bei 5 MeVund 25,5 keV bei 30 MeV. Als Maß für die Gesamt-intensität sei erwähnt, daß am Ort des Detektorsoberhalb von 0,3 MeV insgesamt mehr als 104 Neuetronen cm-2 • sec"! für die Experimente zur Verfügungstehen. Dieses Instrument eröffnet infolgedessen vieleMöglichkeiten, neue Forschungsergebnisse zu erzielen.Diese Ergebnisse sind für das Gebiet der modernenReaktorentwicklung, für neue Erkenntnisse auf demGebiet der Struktur der Atomkerne und für diePrüfung von Theorien der Astrophysik von großerBedeutung.Fig. 6. Das 190m-Flugrohr des großen Karlsruher Neutronen-Flugzeit-Spektrometers58. Jg., Heft 2, 1971 H. Brückmann: Moderne Flugzeitspektrometer als Instrumente der Kernphysik 91[1] Die Welt, 23. 9. 69, und Pressedienst des Bundesministe-riums f. wiss. Forschg. Nr. 18, 159 (1969). - [2] Kollath, R.:Teilchenbeschleuniger. Braunschweig: Vieweg 1962. - [3]Brückmann, H., et al.: Nucl. Instr. Meth. 67, 29 (1969). -[4] Brückmann, H., Kluge, W., Schänzler, L.: Z. Physik 217,350 (1968); 221, 379 (1969); Brückmann, H., et al.: ibid. 235,453 (1970). - [5] Cierjacks, S., et al.: Rev. Sei. Instr. 39,1279 (1968). - [6] Cierjacks, S., et al.: Bericht des Kern-forschungszentrums Karlsruhe KFK 1000 (1968); Cierjacks,S., et al.: Proc. Washington D. C. Conference 1968, NSB Spec.Publ. 299 Vol. H, 743ft; Cierjacks, S., et al.: Physics Letters29B, 417 (1969); Cierjacks, S., et al.: Phys. Rev. Letters 23,866 (1969); Kirouac, G. J., Nebe, J.: Nuclear Physics (imDruck).Eingegangen am 22. Juni 1970Universitätsdruckerei H. Stürtz AG WürzburgPrinted in Germany

Moderne Flugzeitspektrometer als Instrumente der Kernphysik

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