Entwicklung eines Neutronenmoderators mit Methan bei T ＜ 10 K

摘要

Im Rahmen des Jülich High Brilliance Neutron Source (HBS)-Projektes werden sogenannte „kalte" Neutronenmoderatoren entwickelt und getestet, mit deren Hilfe freie Neutronen durch Wechselwirkung mit den Atomen und Molekülen des Moderators auf kryogene Temperaturen abgebremst werden. Ein Ansatz, die Menge kalter Neutronen mit Energien von wenigen meV am jeweiligen Neutroneninstrument und damit an der Probe zu erhöhen, besteht in der Absenkung der Moderatortemperatur unter die häufig hier verwandte Temperatur von 20 K. In diesem Temperaturbereich ist festes Methan in Phase Ⅱ aufgrund seiner hohen Anzahl an Energieübertragungsmechanismen bei niedrigen Energien ein vielversprechendes Material. Diese ermöglichen auch bei geringen Neutronenenergien noch Energieüberträge zwischen den Neutronen und den Moderatoratomen bzw. -molekülen. Das Methan wird in Form eines Batch-Prozesses in einen Moderatorbehälter mit einem Volumen von ca. 10 bis 110 ml gefüllt, in dem es gefroren und auf Betriebstemperatur gebracht wird. Die Aufrechterhaltung einer Betriebstemperatur unterhalb von 10 K, vor allem in Anbetracht der Wärmelast durch nukleare Prozesse und der geringen Wärmeleitfähigkeit von festem Methan, kann nur durch geeignete ingenieur- bzw. kryotechnische Maßnahmen realisiert werden. Weiterhin sind strahlungsinduzierte Schäden und strukturelle Veränderungen bei der Nutzung festen Methans mit ionisierender Strahlung zu beachten und geeignete Maßnahmen für eine sichere Nutzung des Moderatormaterials durchzuführen. Basierend auf diesen Betrachtungen wurde ein „Preliminary Design Report" (PDR) erstellt, dessen Ergebnisse hier vorgestellt werden und der die Grundlage für die konstruktive Auslegung des Systems bildet. Die Konstruktion eines entsprechenden kalten Methan-Moderatorsystems soll Ende des kommenden Jahres als Teil eines Prototyps an der Big Karl-Neutronenquelle am Zyklotron JULIC des Forschungszentrums Jülich getestet werden.