Intensität und Polarisation von Neutronen nach Maß

Die Kontrolle des einfallenden Neutronenspektrums ist für praktisch jedes Neutronenexperiment von essentieller Bedeutung. Wir planen die Entwicklung einer neutronenoptischen Komponente, die nicht nur die Kontrolle des Neutronenspektrums erlaubt, sondern die Herstellung polarisierter Neutronenpulse von nahezu beliebiger Zeitstruktur erlaubt. Das Konzept gründet sich auf dem Drabkin Neutronenresonator in Verbindung mit magnetischen Wanderwellen. Diese Konfiguration sollte eine praktisch instantane Variation von Schlüsselparametern nur durch elektronische Einstellungen ermöglichen. Die Entwicklung ist durch das geplante PERC-Projekt motiviert, das eine zeitliche Definition und spektrale Kontrolle des einfallenden polarisierten Neutronenstrahls erfordert. Der experimentelle Test von polarisationserhaltenden Neutronenspiegeln, die das Zerfallsvolumen im PERC Instrument bestimmen, ist für seine letztendliche Leistungsfähigkeit wesentlich. Der Neutronenresonator erlaubtein optimales Verhältnis von Datenerfassungs- und Untergrundperioden zu definieren, wie es für derartige Präzisionsexperimente wesentlich ist. Identifikation und Minimierung von Untergrundereignissen ist ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit. Wir planen die Entwicklung optimierter Abschirmungskonzepte durch Monte Carlo Simulationen und experimentelle Tests mit generellem Potential für Neutroneninstrumentierung. Eine wesentliche Komponente des PERC Instruments ist das Magnetfeld, das die geladenen Teilchen aus dem Neutronenzerfall zum Detektor führt, und die Qualität des Instruments wird sich wesentlich durch dessen optimiertes Design definieren. Die Experimente werden den TRIGA-Reaktor in Wien im stationären und gepulsten Betrieb nutzen.

Es ist uns in diesem Projekt gelungen zu demonstrieren, dass mehrstufige Resonanz- systeme mit individuellen Resonatorelementen in geeigneter Weise Neutronenstrahlen be- einflussen können, um ihre spektralen und zeitlichen Eigenschaften zu definieren und damit wie geplant, Neutronenstrahlen nach Maß zur Verfügung zu stellen. Obwohl die Eigenschaften des gesamten Resonators für das Resultat bestimmend sind, ist es nicht erforderlich, dass der gesamte Resonator während des Durchflugs der Neutronen aktiv ist. Basis dieses Resonators ist die räumliche Spinresonanz der Neutronen in einer Magnetfeld- konfiguration aus vertikalem Selektorfeld, das die resonante Wellenlänge der Neutronen definiert, und einem horizontal alternierenden Resonatorfeld, das die Form und Breite der spinmanipulierten Wellenlängenverteilung bestimmt. Wird dieses Resonatorfeld als magneti- sche Wanderwelle ausgeführt, die die resonanten Neutronen durch den Resonator begleitet, ist eine sehr hohe Zeitauflösung und extrem variable zeitliche Pulsformung erzielbar. Als direkte Folge dieser Eigenschaften wird eine Entkopplung der Zeit- und Energieauflösung des Neutronenstrahls durch den Resonator ermöglicht. Wir haben mehrere Prototypen eines derartigen Resonatorsystems entwickelt und im Experiment getestet. Dabei konnten die oben angeführten Eigenschaften bezüglich der spektralen Verteilung und der zeitlichen Pulsstruktur für gepulste magnetische Wanderwellen erstmals experimentell gezeigt werden. Das resonante Neutronenspektrum entspricht dabei dem Spektrum eines Resonators mit konstant anliegendem Resonatormagnetfeld, auch wenn die magnetische Wanderwelle nur in einer beschränkten Anzahl von Resonatorelementen aktiv ist. Die Prototypen wurden sowohl mit thermischen Neutronen erfolgreich getestet, die eine der Raumtemperatur entsprechende Geschwindigkeitsverteilung aufweisen und zu Mikrosekundenpulsen geformt werden können, als auch mit sehr kalten Neutronen, deren Geschwindigkeitsverteilung nur wenigen Kelvin Temperatur entspricht und für die sonst keine äquivalenten Methoden zur Manipulation existieren. Das Resonatorkonzept wurde im Rahmen der Kooperation des PERC-Projekts entwickelt. PERC stellt ein modernstes Instrument zur Untersuchung des Betazerfalls der freien Neutronen dar, mit dessen Messgrößen eine Hochpräzisionscharakterisierung des Standardmodells der Teilchenphysik erfolgen soll. Der Resonator MONOPOL kann dabei die spektralen und zeitlichen Parameter des verwendeten Neutronenstrahls in hochflexibler Weise definieren und variieren und dadurch die systematischen Ungenauigkeiten reduzieren helfen. Darüber hinaus ermöglicht der Resonator flexible und maßgeschneiderte Formung von polarisierten Neutronenstrahlen an kontinuierlichen Neutronenquellen sowie an der im Aufbau befindlichen Europäischen Spallationsquelle ESS. Hier erlaubt er, wie bereits experimentell gezeigt, aus dem mehrere Millisekunden langen Neutronenpuls beliebige zeitliche Substrukturen mit charakteristischer spektraler Verteilung zu extrahieren.