Neutron Spectrometer
Neutronenspektrometer
The old neutron spectrometer at Seibersdorf Research Centre does not exist anymore. Twenty years ago I had to made a microprocessor control for this spectrometer, using a National SC/MP mikroprocessor (Scamp). The report deals with reminiscences, for that reason I have kept it in german language only.
Die Neutronenspektrometrie dient zur Struktur- und Verhaltensanalyse
von Materialien und wird ähnlich wie die Röntgenspektroskopie verwendet,
wenn Neutronenquellen zur Verfügung stehen (z.B. Forschungsreaktoren).
Das nebenstehende Bild zeigt das (nicht mehr existierende) Dreiachsen-
Neutronenspektrometer. Im Hintergrund, durch Bleiblöcke abgeschirmt,
befindet sich ein direkter Kanal zum Reaktorkern des 12 Megawatt
Astra-Forschungsreaktors.
Für den Meßvorgang werden thermische
Neutronen (Energie < 1eV) aus dem Reaktor über einen
Kollimator (Strahlrohr) auf einen drehbar angeordneten
Monochromatorkristall (Tisch 1) geführt, durch den eine
Wellenlänge aus dem Neutronenstrahl ausgefiltert wird. Dieser
monochromatische Neutronenstrahl wird an der Probe gestreut und
der Streubereich mit einem Zählrohr (Tisch 2) abgetastet. Durch
das Drehen des Monochromatorkristalls kann der Einfallswinkel des
aus dem Kollimator kommenden Neutronenstrahls und somit die
Wellenlänge nach der Braggschen Beziehung verändert werden.
Dies ist möglich, weil die Wellenlänge thermischer Neutronen in
der Größenordnung der Gitterkonstanten der verwendeten
metallischen Einkristalle (Cu, Al, Pb, Zn) liegt.
Aufgabenstellung
- Schalten der Motoren, Kupplungen und
Magnete (Hubmagnet, Noniusmagnete) zum Positionieren der
Meßtische. Die Tische müssen in Schritten von 0,1 Grad
einstellbar sein.
- Erkennen der Ist-Position der Tische
- Vergleich mit einer vorgegebenen
Soll-Position und Ableitung der resultierenden
Positionierbefehle (Motor Vorwärts oder rückwärts)
Realisierung
Die technischen Details dieser Entwicklung aus
dem Jahre 1978 sind mit heutigem Stand der Technik bedeutungslos.
Interessant sind aber zwei Facetten:
- Die alte robuste elektromechanische
Steuerung sollte ursprünglich durch eine
TTL-Steuerelektronik mit Flipflops und Monoflops ersetzt
werden, durch den hohen Elektrosmog der Drehstrommotoren
und Schaltmagneten war die diskrete Schaltlogik trotzt
hohem Entstöraufwand nicht zum Funktionieren zu bringen.
Die anschließende Mikroprozessorlösung erwies sich als
praktisch störungsunempfindlich.
- Der Aufwand zur Lösung der doch komplexen
Aufgabenstellung war in Vergleich zu heutigen
Resourcenbedarf für ähnliche Anwendungen minimalst:
- knapp 256 Byte Programmkode
- 6 Byte Datenspeicher pro Tisch
Die beiden Bilder zeigen einen
Größenvergleich der alten, elektro-mechanischen,
Steuerung zum neuen Mikroprozessorsystem.
Neutronen weisen wie Licht- oder Röntgenquanten Welleneigenschaften
auf und können daher gebeugt werden. Diese Beugungseigenschaften,
deren Ursache die Wechselwirkung der Neutronen mit dem Atomkern darstellt
(Röntgenstrahlen werden an der Elektronenhülle gebeugt),
erlauben Rückschlüsse auf die Struktur der untersuchten Probe.
Neutronen zählen neben Protonen und Elektronen
zu den Grundbausteinen der Materie. Abgesehen vom
Wasserstoffisotop
1H kommen Neutronen in jedem
Atomkern vor, und sie sind auch nur in Kernen stabil. Ein freies
Neutron zerfällt mit einer Halbwertszeit von ca. 15 min in ein
Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (ein masseloses, aber
durchaus energiereiches Antiteilchen). Das Neutron wurde 1932 von
James Chadwick entdeckt.
Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik
haben Neutronen eine Substruktur: sie bestehen aus einem UP-Quark
und zwei DOWN-Quarks. Der Name Quark wurde von Murray Gell-Mann
(Nobelpreis für Physik 1969) für diese hypothetischen Teilchen
aus dem Roman
Finnegans Wake von James Joice entlehnt:
"Three quarks for Muster Mark".
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