(57)【要約】中性子小角散乱測定技術での材料の構造検査のために、高い分解能と同時に大きな入射ビーム面積及びビーム強度が必要である。公知の絞りコリメータでは、そのために必要なビーム発散は、許容不可能な程度の強度損失なしに達成できない。本発明の中性子光学素子（１）は、格子絞り（７）として構成された、順次連続して設けられた多数のホール絞りを有しており、その際、各格子絞り（７）は、多数の絞り開口部（１４）を有している。従って、中性子ビームは、各個別ビームに分割され、各個別ビームは、各々当該ビームの収束性が改善されている。そのために、各々同じように配置された各絞り開口（１４）に亘る各格子絞り（７）全ての経過によって定義される各チャネルは、測定機器の構成に依存して形成される収束円錐状に狭幅にされる。それと同時に、そうすることによって、全ての部分ビームが、検出器位置で集光される。単色中性子の選択のために、各格子絞り（７）が、速度依存の放物線軌道上に配置されている。そうすることによって、本発明の中性子光学素子は、高分解能の集光コリメータのみならず、それと同時に速度セレクタとしても作動する。放物線軌道全体に亘る各格子絞り（７）の連続的且つサイクリックな経過によって、中性子ビーム全体を利用することができる。そうすることによって、殊に、パルス状中性子ビームで用いることができる。
2005536757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子小角散乱測定技術用の中性子光学素子であって、当該中性子光学素子は、複数のホール絞りを有しており、該ホール絞りは、中性子吸収材料から形成されていて、中性子源から測定試料への中性子ビームの広がり中で、各坦体要素内に保持されており、前記ホール絞りは、ビーム発散を減少するための少なくとも１つのアクティブな絞り開口部を有している中性子光学素子において、
中性子ビームの所要測定分解能及び広がり長さ（２）に依存して、ビーム案内を保証する個数ｎの、格子絞り（７）として構成された各ホール絞りは、相互に可変間隔で設けられており、前記各格子絞り（７）は、一定個数ｍの、狭幅に隣り合った各絞り開口部（１４）を有しており、該各絞り開口部（１４）は、透過中性子ビームを所定個数ｍの各部分ビームに分割し、且つ、前記各部分ビームの発散を低減するために、測定試料の方向に低減した大きさを有しており、全部でｎ個の前記格子絞り（７）の、所定部分ビームを定義する前記各絞り開口部（１４）が各々、単色中性子の飛行時間によって与えられる時間間隔内で当該単色中性子の放物線軌道上に設けられており、前記各部分ビームは全て検出器上に集光されることを特徴とする中性子光学素子。
【請求項２】
絞り開口部（１４）は、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内の寸法を有している請求項１記載の中性子光学素子。
【請求項３】
絞り開口部（１４）は、コンピュータ制御製造技術を用いて高い製造精度で製造される請求項１又は２記載の中性子光学素子。
【請求項４】
各格子絞り（７）の間隔は、相互に測定試料の方向に向かって狭くなる請求項１から３迄の何れか１記載の中性子光学素子。
【請求項５】
各格子絞り（７）は、正方形絞り開口部（１４）を有する格子フレーム（１３）として形成されている請求項１から４迄の何れか１記載の中性子光学素子。
【請求項６】
格子フレーム（１３）は、カドミウム製である請求項５記載の中性子光学素子。
【請求項７】
格子絞り（７）の坦体要素（４）は、高い調整精度の垂直並進ユニット（５）として構成されている請求項１から６迄の何れか１記載の中性子光学素子。
【請求項８】
垂直並進ユニット（５）は、マイクロメータネジを有する調整部材として又は圧電アクチュエータとして構成されている請求項７記載の中性子光学素子。
【請求項９】
単色中性子の飛行時間によって与えられる時間間隔内に、当該単色中性子の放物線軌道上に位置している絞り開口部（１４）は、別の単色中性子の飛行時間によって与えられる別の時間間隔内に、格子絞り（７）の相応の位置シフトによって当該単色中性子の放物線軌道上に位置している請求項１から８迄の何れか１記載の中性子光学素子。
【請求項１０】
格子絞り（７）は、中性子ビーム内に現れる単色中性子全ての放物線軌道に亘って連続的に移動される請求項９記載の中性子光学素子。
【請求項１１】
格子絞り（７）は、最も上で生じる放物線軌道と最も下で生じる放物線軌道との間で振動して移動される請求項１０記載の中性子光学素子。
【請求項１２】
格子絞り（７）は、相応の時間制御に亘って、垂直並進ユニット（５）の駆動ユニット（６）によって、又は、当該垂直並進ユニット（５）を保持する坦体レール（３，８）によってシフトされる請求項９から１１迄の何れか１記載の中性子光学素子。
【請求項１３】
駆動ユニット（６）は、制御サーボモータ、移動調整ネジ、ステップモータ駆動調整ネジ又は圧電アクチュエータとして構成されている請求項１０記載の中性子光学素子。
【請求項１４】
格子絞り（７）は、時間的に定義された加速期間中シフトされる請求項１２又は１３記載の中性子光学素子。
【請求項１５】
格子絞り（７）の坦体要素（４）用に、弾性支承部が設けられている請求項１から１３迄の何れか１記載の中性子光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子小角散乱測定技術用の中性子光学素子であって、当該中性子光学素子は、複数のホール絞りを有しており、該ホール絞りは、中性子吸収材料から形成されていて、中性子源から測定試料への中性子ビームの広がり中で、各坦体要素内に保持されており、前記ホール絞りは、ビーム発散を減少するための少なくとも１つのアクティブな絞り開口部を有している中性子光学素子に関する。
【０００２】
中性子光学素子として、中性子ビーム、例えば、冷中性子ビームの伝導用、偏向用及び所望の制御用の構成部品があげられる。この構成部品は、中性子小角散乱測定技術用の測定モジュールで使用される。特定の測定を実行することができるためには、中性子は、所定の特性、例えば、所定のエネルギ（速度と等価）、発散、又は測定個所での集光を有する必要があり、これら各特性は、中性子光学素子によって生起される。測定試料の物理的又は化学的不均一性に基づいて散乱される中性子ビームが、試料から見て前方方向（測定機器方向）の、比較的小さな角度領域が相応の測定機器によって検出される中性子小角散乱（Ｓｍａｌｌ  Ａｎｇｌｅ  Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ＳＡＮＳ）は、ナノメートル領域（１ｎｍ〜１００ｎｍ）又はそれを超える領域（Ｕｌｔｒａ  Ｓｍａｌｌ  Ａｎｇｌｅ  Ｎｅｕｔｒｏｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ＵＳＡＮＳ）での構造検査用のキーテクノロジーをなしている。中性子小角散乱ＳＡＮＳ用の可能な用途は、例えば、バイオ及び医療、ポリマー化学、材料科学、物理学、地質学又は冶金学にある。
【０００３】
中性子ビーム発散を低減するために、測定機器内の中性子光学素子として、所謂「コリメータ」が使われる。基本的には、ここでは、中性子反射薄膜と中性子吸収薄膜とが交互に重ねられた束からなる「層コリメータ（”Ｓｃｈｉｃｈｔｅｎ−Ｋｏｌｌｉｍｅｔｅｒ”）」と、スリット又はホール状の各絞り開口部のある、光学系と比較可能な絞り系をなす「絞りコリメータ」（”Ｂｌｅｎｄｅｎ−Ｋｏｌｌｉｍｅｔｅｒ”）とが区別される。通常、中性子小角散乱つまりＳＡＮＳで使われる絞りコリメータは、中性子吸収材料製の１つの円板内に、中心に設けられた絞り開口、又は１つの周回円上に複数設けられた、１ｃｍ〜２ｃｍ直径の絞り開口を有している簡単なホール絞りである。このホール絞りは、１つの坦体要素内に支承されており、中性子ビームのビーム路内に設けられている。このホール絞りは、一般的に相互に２ｍ〜１６ｍの所定間隔を有している。その種のホール絞りは、従来技術では、例えば英国ＩＳＩＳ−Ａｎｌａｇｅ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｓｉｓ．ｒｌ．ａｃ．ｕｋ／ｌａｒｇｅｓｃａｌｅ／ＬＯＱ／ｉｍａｇｅｓ／Ｌｏｑ．ｇｉｆ，  Ｓｔａｎｄ  ２１．０８．２００２参照）の「ＬＯＱディフラクトメータ」又は中性子小角散乱ＳＡＮＳスペクトロメータでは、”Ｙｅｌｌｏｗ  Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ”（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｋｉ．ｋｆｋｉ．ｈｕ／ｎｕｃｌｅａｒ／ｂｎｃ／ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ／ｉｎｓｔｒ  ｓａｎｓ．ｈｔｍｌ，  Ｓｔａｎｄ  １９．０８．２００２参照）が使われる。論文”Ｎｅｗ  ＳＡＮＳ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ａｔ  ｔｈｅ  ＢＥＲ  ＩＩ  ｒｅａｃｔｏｒ  ｉｎ  Ｂｅｒｌｉｎ，  Ｇｅｒｍａｎｙ  ｖｏｎ  Ｕ．Ｋｅｉｄｅｒｌｉｎｇ  ｕｎｄ  Ａ．Ｗｉｅｄｅｎｍａｎｎ（Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｂ２１３＆２１４（１９９５）ｐｐ８９５−８９７）からは、マルチファンクショナルコリメータシステムが公知であり、このコリメータシステムは、レボルバー状の種々異なった中性子光学素子を有する、回転可能な４つのドラム部分からなる。このコリメータシステムはホール絞りであり、その結果、この公知のコリメータを用いると、最大４つのホール絞りを中性子ビーム内で回転することができるが、しかし、測定機器の初めと終わりのホール絞りしか有効でない。中性子小角散乱ＳＡＮＳスペクトロメータ”Ｙｅｌｌｏｗ  Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ”では、間隔を置かれた３つのホール絞りが使用され、この３つのホール絞りは、全て有効である。
【０００４】
本発明が極めて近い従来技術として基づいているＬＯＱディフラクトメータでは、２つのホール絞りが使われている。両ホール絞りには、直径が種々異なる複数の絞り開口が１つの周回円上に設けられており、これらの複数絞り開口が、必要に応じて中性子ビーム内に入るように回転することができ、その結果、各々常に１つの絞り開口しかアクティブでない。一方のホール絞りは、中性子源と試料との間の中性子ビームの広がりの始端領域内に設けられており、他方のホール絞りは、中性子源と試料との間の中性子ビームの広がりの終端領域内に設けられている。各絞り開口を通ってのみ中性子が透過するようにすることによって、中性子ビーム発散を低減することができる。各絞り開口の向う側では、ホール絞りが形成されている中性子吸収材料により、軌道が所望の発散円錐内にない中性子は存在しない。ホール絞りの大きさの低減、及び／又は、有効ホール絞り相互の間隔の増大により、発散円錐が小さくなり、そうすることによって、測定機器の計器上の分解能を改善することができる。しかし、発散円錐の開角を小さくし、ホール絞りの大きさを低減することにより、絞り系の後ろ側で測定可能なビーム強度がかなり低減される。従って、測定試料の透過放射時に、同じ高さの測定分解能で十分な中性子強度を達成することができない。
【０００５】
測定分解能を改善するために、集光ミラーを備えた組合せ屈折率測定−及び小角散乱装置ＫＷＳ３が公知である（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｚ−ｊｕｅｌｉｃｈ．ｄｅ／ｉｆｆ／Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ／ｉｓｍ／ｐｉｃｔｕｒｅｓ／ｐｏｓｔｅｒ．ｊｐｇ，  Ｓｔａｎｄ  ２１．０８．２００２参照）。この際、集光中性子光学素子として、中性子ビームを複数平面内で試料を通って検出器面の一点に集光する多数の湾曲鏡層を備えたトロイダルミラーが使われる。何れにせよ、そのようなミラーは、その製造時に非常にコスト高である。トロイダルミラーの前には、ビーム発散の低減のために、１ｍｍ２〜１００ｍｍ２で可変の絞り開口を有するホール絞りが設けられている。このような、ｃｍ２領域内での絞り開口を備えた公知のホール絞りに較べて非常に小さな絞り開口によって、ビーム発散を改善することができるが、何れにせよ、ビーム強度は極めて低減される。別の集光中性子光学素子は、屈折レンズ、磁気レンズ又は湾曲水晶を有している。得られる焦点は、この中性子光学素子では、中性子速度に依存し、それにより、中性子光学素子を、広域の速度分布を利用する測定機器に用いるのに不利に作用する。この、広域の速度分布を利用する測定機器は、例えば、飛行時間方式で作動する中性子機器、例えば、主として新世代の中性子源であるスパレーション中性子源で作動する中性子機器である。ここでは、各パルスをできる限り完全に利用するようにされている。屈折レンズは、中性子ビームに沿って複数センチメートルに亘って拡がっている。これにより、問題となる材料に対して、強度損失が生じる。反射又は屈折により作動する中性子光学素子は、一般的に理想的に製造可能でないために生じる、当該中性子光学素子の固有の散乱特性によって、散乱像に対して不利となる。
【０００６】
連続及びパルス状の中性子ビームは、種々異なった速度の中性子を有している。中性子の、速度と波長との等価性によって、中性子で同じ速度のものは、「単色中性子」と呼ばれる。従って、測定のために、波長帯域の中性子しか利用できないために、速度選択が必要である。この速度選択は、例えば、前述の、集光ミラーを備えた組合せ屈折率測定−及び小角散乱装置ＫＷＳ３から公知であるような、速度セレクタ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ−Ｓｅｌｅｃｔｏｒ）を用いて行われる。ここでは、回転ドラム（当該回転ドラムに沿って螺旋状の吸収剤仕切（Ａｂｓｏｒｂｅｒｆａｅｃｈｅｒ）が設けられている）を有する中性子光学素子が用いられている。停止しているドラムは、中性子非透過性である。その理由は、各螺旋状仕切間の材料なしのチャネルを貫通する中空の視界は得られないからである。しかし、このドラムの回転中、中性子は、適切な速度でこの各チャネルを貫通することができる。この公知の速度セレクタは、製造コストが比較的高い。
【０００７】
中性子は、その質量に基づいて重力の影響を受けるので、その飛行軌道は放物線である。その曲率は、中性子の飛行速度に依存する。従って、飛行放物線は、単色中性子用の波長選択性の分類尺度である。高速中性子は、平坦な飛行軌道を有しており、遅速中性子は、強く湾曲した飛行軌道を有している。
【０００８】
前述の従来技術の背景を前提にして、本発明の課題は、冒頭に記載した、ホール絞りを備えた中性子光学素子を改良して、絞りコリメータの機能に高い測定分解能を達成することにある。そのために、ビーム発散に依存して、測定試料での、できる限り大きなビーム透過面積で、十分な高さのビーム強度を達成することにある。更に、本発明の中性子光学素子は、別のビーム制御機能、殊に、ビームフォーカシング及び速度選択を担える必要がある。殊に、パルス状中性子ビーム用にも用いることができる必要がある。この多機能性にも拘わらず、本発明の中性子光学素子は、その構造が比較的簡単で、技術的に構成し易いようにする必要がある。更に、本発明の中性子光学素子は、散乱画像にノイズの影響がないように形成する必要がある。
【０００９】
これらの各課題解決のために、本発明は、冒頭に記載した形式の中性子小角散乱測定技術用の中性子光学素子において、中性子ビームの所要測定分解能及び広がり長さに依存して、ビーム案内を保証する個数ｎの、格子絞りとして構成された各ホール絞りは、相互に可変間隔で設けられており、各格子絞りは、一定個数ｍの、狭幅に隣り合った各絞り開口部を有しており、該各絞り開口部は、透過中性子ビームを所定個数ｍの各部分ビームに分割し、且つ、各部分ビームの発散を低減するために、測定試料の方向に低減した大きさを有しており、全部でｎ個の前記格子絞りの、所定部分ビームを定義する各絞り開口部が各々、単色中性子の飛行時間によって与えられる時間間隔内で当該単色中性子の放物線軌道上に設けられており、各部分ビームは全て検出器上に集光されることを提案するものである。
【００１０】
本発明の中性子光学素子は、格子絞りの形式でホール絞りを有している。このような、公知の絞り開口に較べて極度に小さな絞り開口（そうすることによって、ビーム発散が著しく低減される）によって、測定試料の透過ビームで特に高い分解能を達成することができる。絞り開口を単に小さくした結果生じる極端な強度損失（測定されたビーム強度は、絞り開口直径の４％に比例する）は、中性子源によって形成された中性子ビームが、非常に多数の小さな絞り開口の格子絞りの形式で、ホール絞りを篩状、スクリーン状（ｓｉｅｂａｒｔｉｇｅ）に形成することによって、相応個数の部分ビームに分割するようにして回避することができる。固有の１チャネルをなす部分ビームのどれも、連続的に相互に対応付けられた絞り開口全てを通って、全ての格子絞りに案内され、そうすることによって、連続的に部分ビーム発散が改善される。各々個別に改善された部分ビーム全ての総和によって、測定試料上の大きな入射面が、大きな強度で透過照射される。従来技術の単一チャネル系に較べてファクタ１０〜１００も照射測定試料面を拡大することができる。その際、中性子ビームの強度も殆ど低減され、利用される中性子は良好に利用され、このことは、殊にパルス状の中性子ビームでは特に有利である。１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内での有利な寸法を有していて、高精度のコンピュータ制御製造技術（例えば、レーザ切断）を利用することによって、０．０１ｍｍ〜０．０２ｍｍの高い製造精度で切断することができる多数の小さな絞り開口によって、各絞り開口間のウェブでの中性子の吸収による強度損失を非常に小さく保持し続けることができる。その際、それにも拘わらず、ウェブ幅の寸法選定によって、個別チャネル間での中性子の移動を回避することができる。
【００１１】
更に、個別部分ビームは、検出器位置に集光され、その結果、本発明によると、集光コリメータを構成することができる。全ての個別ビームチャネルの束を焦点に相応に案内することによって集光が行われる。その際、小型化の尺度は、全測定機器によって形成される収束円錐に依存する。この収束円錐によって、基本的に、個別格子絞りの個数及び間隔、並びに、絞り開口の個数、間隔及び大きさに関して、本発明のコリメータの全構成が基本的に決められる。発散円錐の変化は、それに応じてコリメータ構成の変化も生じる。発散円錐は、中性子源によって発生された中性子ビームのビーム横断面で始まり、理想的には点状の検出器位置で終わる。発散円錐の長さは、初めの中性子ビームと、測定機器内の検出器位置との間の広がりの長さによって決められる。測定試料は、所望のビーム面に応じて収束円錐内に位置している。従って、ビームセット後、個別絞り開口の所要の縮小は、収束円錐内の各々のホール絞りの位置に依存して算出可能である。コンピュータ支援の算出は、パラメータを求める際に役立つ。
【００１２】
用いられる格子絞りの個数は、測定機器内の中性子ビームの路長に応じて調整される。例えば、小型の寸法の構成（例えば、２ｍ）では、２０個の格子絞りをビーム経過内に設けることができる。個数選択時に重要な点は、個別格子絞り内の各絞り開口の間隔及び取り囲んでいるウェブでの各々の吸収によって生じる個別部分ビームのガイドを確実に行うことである。中性子ビームの始まり領域内で未だ比較的多くの、部分ビーム発散があるので、ここで、十分なビームガイドは、有利には、格子絞りの比較的密な配列によって達成することができる。その際、発散の低減度を大きくするに連れて、測定試料の方向での個別格子絞りの間隔を大きくすることができる。そのために、本発明の実施の際、有利には、各格子絞りの間隔を相互に試料方向に大きくしていくとよい。更に、各格子絞りを、正方形絞り開口の格子フレームとして構成するとよい。その種の格子フレーム（殊に、中性子を良好に吸収するカドミウム製にするとよい）は、行及び列に配列された正方形の絞り開口を、丸い絞り開口よりも著しく簡単に製造することができる簡単な構成部品である。所要の中性子吸収ウェブのディメンショニング、及び、個別絞り開口を、発散円錐の経過に連れて小さくしていくのは、問題なく数値により算出及び実施可能である。従って、本発明の中性子光学素子を用いると、格子絞りの個数ｎ、及び、チャネル形成用の絞り開口の個数ｍを相応に選択することによって、測定機器の測定分解能を、広い領域内で自由に調整可能である。
【００１３】
本発明の中性子光学素子は、機能の点で、検出器面内の同じ位置に流入するビーム経過のみを透過する、複数の格子絞りを配列した集光コリメータとして構成される。各チャネルには、各格子絞りでの所定の絞り開口が配属されている。その際、格子絞りの順次連続する列により、個別チャネル、乃至、個別部分ビームの収束する経過を、焦点が検出器面内に位置するように定めることができる。個別チャネルの形成のために、格子絞りを、その絞り開口に関して正確に中性子ビームのビーム路内に配向する必要がある。このように、ビーム路に沿って、乃至、ビーム路の特定のために、各格子絞りを正確に配向することは、各格子絞りを保持する坦体要素を用いて達成される。高い調整精度の垂直並進ユニット、例えば、マイクロメータネジ又は圧電アクチュエータを有する調整部材を用いて、０．０１ｍｍ又はそれ以上の精度で配向することができる。その際、各格子絞り乃至個別絞り開口の配向は、中性子が重力の影響下にあるので、中性子の飛行速度によって特徴付けられる単色中性子の放物線軌道上に行われる。許容された各放物線軌道は、中性子によってほぼ同じ速度及び波長でしか飛行されない。所定チャネル乃至部分ビームを定める全ての絞り開口を、全ての格子絞りの全体に亘って正確に配向することによって、中性子速度から生じる理想波長を中心とした狭幅波長帯域が、コリメータ系によって透過される。つまり、本発明の中性子光学素子を用いて、速度選択も可能である。従って、本発明の中性子光学素子は、集光コリメータとしてのみならず、それと同時に、速度セレクタとしても作動する。従って、本発明の中性子光学素子は、中性子小角散乱ＳＡＮＳ測定技術での２つの主要機能を充足し、コンパクトさの点で優れていて、製造が簡単な多機能素子として使われる。従来技術から公知のような、コスト高な回転式の速度セレクタは必要ない。
【００１４】
各格子絞りの垂直配向の際には、静的な場合と動的な場合とが区別される。連続中性子ビームでの静的な場合には、速度選択が必要である。この場合には、各格子絞りの各絞り開口は、持続的に予め決められた放物線軌道上に配向される。垂直並進ユニットによって、各々の格子絞りを想定可能な放物線軌道上に配向することができる。従って、何時でも、調整された放物線軌道上を全中性子ビーム内を飛行する中性子だけが測定試料に達する。しかし、中性子ビームパルスを用いると、パルス内で生じる強度全てをできる限り十分に利用することが必須である。これは、各絞り開口を配向する際に動的な場合によって達成することができる。上述の静的な場合には、部分ビームを定める、全部でｎ個の格子絞りの各絞り開口は、少なくとも、単色中性子の飛行時間によって決められる所定時間間隔内で、当該中性子の放物線軌道上に設けられる。その際、概念「少なくとも」は、ここでは、個別放物線軌道上に持続的に配向するという意味に解釈される。動的な場合、各格子絞り乃至当該格子絞りの各絞り開口は、想定可能な多数の放物線軌道を通過する。その際、各放物線軌道の調整時には、測定機器内での中性子飛行区間に沿った所定の時間遅延を考慮するとよい。動的な場合には、本発明の中性子光学素子で有利には、単色中性子の飛行時間によって決められる時間間隔内で、単色中性子の放物線軌道上に位置している各絞り開口は、別の単色中性子の飛行時間によって決められる別の時間間隔内で、格子絞りの相応の位置シフトによって当該中性子の放物線軌道上に位置しているようにするとよい。従って、種々異なる速度の単色中性子がコリメートされ、集光される。従って、飛行する中性子に有効に作用する重力の影響が等しくなるように、種々異なった放物線軌道上で選択可能に調整することによって、速度セレクタとして作動する中性子光学素子の透過波長帯域を、本発明により所期のように調整することができる。中性子ビーム内に形成される単色中性子全ての放物線軌道に亘って格子絞りを連続的に動かす場合に、中性子の速度に対する選択効果が完全に消滅し、いはば、無重力系が形成され、中性子光学素子は、パルス状中性子源で必要な広帯域光学系になる。パルス状中性子ビームでの放物線軌道全てに亘る移動は、有利には、連続的に振動する経過で行うとよい。相応して、有利には、格子絞りは、生起する最上部の放物線と生起する最下部の放物線との間で振動して動かされる。
【００１５】
格子絞り全てと共に、本発明の中性子光学素子全てでの前述の運動周期の実行（例えば、後述の無重力状況を必要とするような）は、格子絞りを電子的に制御して動かすことによって達成することができる。そのために、有利には、各格子絞りのシフトを、垂直並進ユニットの駆動ユニット又は垂直並進ユニットを保持する坦体レールの駆動ユニットの相応の時間制御を介して行うとよい。このシフトに必要な駆動ユニットは、制御サーボモータによって動かされる調整ネジ（マイクロメータネジ）、ステップモータ駆動される調整ネジ、圧電アクチュエータ又は他の電子的にプログラミング可能な運動系にするとよい。生じた加速力を低減するために、素子全体乃至格子絞りの坦体素子を、有利にはバネに支承してもよく、その結果、当該素子の固有周波数をクロック周波数の近傍にすることができる。従って、この場合、アクティブフェーズ中、格子絞り用の振動ベースの正弦波状の運動を、一定加速度の放物線状の運動に変換することは、電子制御の役割でもある。
【００１６】
中性子通過中格子絞りを垂直方向に加速度Ａで動かすので、本発明の中性子光学素子に有効に作用する重力は変えられる。均等加速期間後、格子絞りを、その出発位置に戻すために、加速度は対向方向に有効となる。加速度Ａの大きさは、所望の速度帯域の選択尖鋭度を決める。従って、中性子光学素子では、有利には、格子絞りを時間的に定めた加速期間内にシフトするとよい。特殊な場合Ａ＝ｇ（ｇ＝重力加速度）には、加速度に依存しないコリメーションが行われる。以下、この方式を実施するための数値例について、詳細に説明する。４０ｍｓの時間での無重力コリメーションが、加速度Ａ＝ｇの選択によって達成される。その際、運動の一般的な相対性の基本法則の意味での「リラティビスティックコリメータ」が構成され、即ち、中性子に対して重力なしの場合がシミュレートされる。例えば、１６．６６Ｈｚのパルス状中性子を発生するスパレーション源の場合に生じるような、６６０ｍｓ長周期の残りの２０ｍｓ内で、その際、格子絞りは、Ａ＝−２ｇの選択により、その出発位置に戻すことができる。格子絞りの、重力なしの場合が開始される初期位置は、上の方を向いた０．１９６２ｍ／ｓの垂直初期速度を必要とする。２０ｍｓ後、格子絞りは、その最高位置、つまり、初期位置の上１．９６２ｍｍに達し、重力なしの場合の期間の残りの２０ｍｓで、格子絞りは、初期位置に戻される。それに続く２０ｍｓ内で、その速度は反転され、それによってサイクルを新たに開始することができ、その際、中性子は、その最も低い位置、つまり、初期位置の下側０．９８１ｍｍを通過する。
【００１７】
本発明の中性子光学素子を更に理解するために、本発明の図示の実施例を用いて以下詳細に説明する。その際：
図１は、中性子光学素子の側面図、
図２は、図１の構成の前面図、
図３は、この構成の初めの格子絞りを示す図、
図４は、この構成の終わりの格子絞りを示す図、
図５は、ディメンショニングテーブルを示す図、
図６は、速度セレクタとしての中性子光学素子の機能の速度ダイアグラム
である。
【００１８】
図１には、中性子小角散乱測定技術用の本発明の中性子光学素子１の側面図が示されている。中性子ビームの形成個所、つまり、図示の実施例では右側から、測定試料に至る迄の中性子光学素子１の広がり長さ２は、主軸で、高精度の坦体レール３によって定められる。この長さは、例えば、２ｍ〜２０ｍの長さを有することがある。坦体レール３の案内溝内に、個数ｎの坦体要素４が設けられている。選択された実施例では、ｎ＝２０である。坦体要素４は、特に高い調整精度の垂直並進ユニット５であり、実施例では、マイクロメータネジとして構成されている。これは、連続的な中性子ビームの静的な用途の場合、固定値に調整される。パルス状中性子ビームの動的な場合、この坦体要素（又は、その代わりに用いられる圧電アクチュエータ）は、駆動ユニット６によって連続的に調整されるか、又は、図１に示されていない別の駆動ユニットによって、坦体レール３全体が動かされ、その際、坦体レール３は、相応にフレキシブルに構成されている。
【００１９】
各坦体要素４には、格子絞り７として構成されたホール絞りが接続され、従って、ｎ＝２０の格子絞り７が設けられている。分かりやすくするために、中性子光学素子１の初めと終わりに各々１つずつ格子絞り７の正面から見た様子が示されている。中性子光学素子１の図示の状態では、格子絞り７は全て、まっすぐなビーム軸上に配向されている。作動中、１つ又は複数の放物線軌道上での配向が、単色中性子を速度選択するように行われており、そうすることによって、本発明の中性子光学素子１は、集光コリメータとしてのみならず、速度セレクタとしても作動する。各格子絞り７間の間隔は、広がり長さ２に依存し、中性子ビームを光学的に案内するようにされている。中性子ビームは、中性子光学素子１の初めでは未だ大きな発散を有しているので、ここでは、個別格子絞り７相互の間隔が狭く構成されていて、それにより、格子絞り７の収束領域内に位置していない中性子が、格子絞り７の材料によって十分に吸収されるようになる。ビーム発散の低減が大きくなると、つまり、複数格子絞り７を順次連続することによって吸収する必要性が低減するので、各格子絞り７間の案内間隔を相応に大きくすることができる。図示の実施例では、各格子絞り７間の非直線的な間隔分布が選定されている。こうすることによって、ビーム発散を最適に低減することができる。初めの領域内で、各坦体要素４の間隔を狭幅にすることによって、動的な場合に、広帯域を達成するために、各坦体要素４に配属された（当該坦体要素４に直角に結合することができる）各駆動ユニット６を、各坦体要素４の両側で交互に配向すると有意義であり、その際、坦体要素４を、平行に移動する２つの坦体レール３，８上に交互に設けてもよい。
【００２０】
この詳細は、図２から分かる。つまり、本発明の中性子光学素子１は、正面から見た様子が、入射中性子ビームの方向から、つまり、図１の右側から示されている。下側の領域内には、平行に延びている坦体レール３，８が示されている。坦体レール３上には、第１の坦体要素４が左側向きに設けられており、この第１の坦体要素４は、坦体フレーム９の上側の領域内に第１の格子絞り７を支持している。レール８上に右側向きに設けられた坦体要素４は、第２の格子絞りを支持しており、この第２の格子絞りは、第１の格子絞りの丁度後ろ側に位置しており、従って、図２では見えない。図示の両坦体要素４は、下側領域内に坦体スリット１０を有しており、この坦体スリット上で、坦体要素４は、坦体レール３，８に沿って位置決め可能であり、ローレット付ネジ１１を介して固定可能である。真ん中の領域内では、格子絞り７の垂直調整のために、坦体要素４は、電気制御可能な駆動ユニット６と結合されている。坦体フレーム９は、格子絞り７の微調整のために、下側領域内に、ローレット付ネジ１２を有している。格子絞り７は、図示の実施例では、正方形絞り開口１４のある格子フレーム１３として構成されている。
【００２１】
図３には、図２の格子フレーム１３の、中性子光学素子１の入力側（右側）が詳細に図示されている。この格子フレームは、中性子吸収性のカドミウム製であり、高い精度の製造技術（許容偏差＋／−０．０２ｍｍ）を用いて製造され、１２列、１２行の、従ってｍ＝１４４の絞り開口１４を有している。格子フレーム１３を透過する中性子ビームは、個数ｍの絞り開口１４に相応してｍ＝１４４の部分ビームに分割され、各部分ビームは、固有のチャネルをなす。各部分ビームは、格子フレーム１３乃至格子絞り７の全ての経過に連れて収束性が大きくなって、検出器位置で集光する。従って、測定試料上の透過ビーム面積が比較的大きい場合、維持されている高い中性子強度に基づいて、それにも拘わらず、高い分解能及び検出器位置での集光によって特に高い小角散乱測定が測定試料で可能である。図３の格子フレーム１３内の絞り開口１４は、この例では、最大の（２ｍｍｘ２ｍｍ）である。水平及び垂直方向のウェブ幅は、ここでは０．６ｍｍである。最小の絞り開口１４（１ｍｍｘ１ｍｍ）は、図４のように、中性子光学素子１の出力側（左側）の格子フレーム１３の場合である。ここでは、ウェブ幅は、０．３ｍｍである。明らかに、個別絞り開口１４及びウェブ幅の大きさは小さくなっている。このように小さくなっているのは、個別チャネルが狭幅になって、従って、チャネルの発散が改善されることに相応し、本発明の中性子光学素子１の収束円錐内の格子フレーム１３（乃至格子絞り７）の位置に依存して、各絞り開口１４によって形成される各部分ビームの大きな収束が達成される。各絞り開口１４の絶対数は、できる限り大きくする必要がある、測定試料上で形成したい照射面積、及び、達成可能な発散の低減に依存する。
【００２２】
実施例での、各絞り開口及びウェブの寸法は、図５のテーブルから分かる。その際、第１列には、格子絞り番号ｉが記載されている。本発明の中性子光学素子の始まり側（右側）の格子絞りの絶対位置ｐｏｓは、第２列にｍｍ単位で示されている。生じた発散ｄｉｖは、第３列に相対ファクタとして記載されている。各格子絞りの位置が前に進むに連れて、発散は低減することが分かる。正方形絞り開口の開口直径ｏｐｅｎは、ｍｍで、第４列に記載されている。この開口直径は、連続的に２ｍｍから１ｍｍに低減する。第５の列には、この低減に所属する低減率ｒｅｄｆが記載されている。その種のディメンショニングは、問題なくコンピュータ支援の算出プログラムを用いて任意のパラメータ構成で実行することができる。
【００２３】
上述のように、本発明の中性子光学素子は、集光コリメータとしてのみならず、速度セレクタとしても作動する。その際、中性子の放物線軌道の経過に作用する重力が利用される。例としてあげた、１５ｍの広がり長さに亘って、３ｍｍ〜１．５ｍｍの正方形絞り開口の透過部を備えた中性子光学素子の速度選択の変換は、波長ｗａｖに亘って透過度ｔｒａｎｓを記載した図６の速度ダイアグラムに示されている。左側及び右側の半曲線は、各々異なった波長帯域に属し、即ち、２つの異なった放物線軌道上での各格子絞りの種々異なった位置に属する。従って、放物線軌道の調整によって、特定の波長帯域を選択することができる（連続的な中性子ビームの静的な場合に該当し、パルス状中性子ビームでの動的な場合には、中性子ビームで生じる波長は全て、加速度運動時に連続的且つ周期的に形成される）。従って、中性子光学素子は、その構成パラメータの点で問題なく種々異なって調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】中性子光学素子の側面図
【図２】図１の構成の前面図
【図３】図１の構成の初めの格子絞りを示す図
【図４】図１の構成の終わりの格子絞りを示す図
【図５】ディメンショニングテーブルを示す図
【図６】速度セレクタとしての中性子光学素子の機能の速度ダイアグラム
【符号の説明】
【００２５】
１  中性子光学素子
２  広がり長さ
３  坦体レール
４  坦体要素
５  並進ユニット
６  駆動ユニット
７  格子絞り
８  坦体レール
９  坦体フレーム
１０  坦体スリット
１１  ローレット付ネジ
１２  ローレット付ネジ
１３  格子フレーム
１４  絞り開口
ｎ  格子絞りの個数
ｍ  絞り開口の個数
ｉ  格子絞り番号
ｐｏｓ  位置（ｍ）
ｄｉｖ  発散
ｏｐｅｎ  開口直径
ｒｅｄｆ  低減率
ｔｒａｎｓ  透過度
ｗａｖ  波長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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