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Entwicklung von Methoden und Instrumenten für Neutronenstreuung

DNS - Spektrometer für diffuse Streuung: vollständige Polarisationsanalyse

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Das Instrument DNS ist mit polarisierenden Superspiegeln für Streuung mit Polarisationsanalyse ausgestattet. Anwendungen sind (i) die Separation kohärenter und inkohärenter Streuung insbesondere für Wasserstoff-haltige Materialien, typisch für "weiche Materie", und (ii) die Separation magnetischer Streuung aus der Richtungsabhängigkeit der Polarisation. Neben der üblichen, longitudinalen xyz-Methode, wird am DNS eine neue, einzigartige Methode angewendet: Mit eingangs präzedierender Polarisation, bei kontrolliertem Phasenwinkel, wird die nicht präzidierende Komponente nach der Streuung bestimmt. So können ohne zusätzliche Apparaturen beliebige Polarisationsdrehungen für alle Impuls- und Energieänderungen gleichzeitig gemessen werden - ein wichtiges Werkzeug für die Erforschung komplexer magnetischer Phänomene.

Yixi Su, Kirill Nemkovskiy, Werner Schweika

DNS - Spektrometer für diffuse Streuung: Flugzeit-Einkristall-Spektroskopie

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Zur Zeit erneuern wir die Flugzeit Option mit einem phasengeregelten 2-Choppersystem, mit höheren Frequenzen von 300 Hz zur Auflösungsverbesserung mit Wiederholraten bis 900 Hz. Durch die zwei Chopper wird alternativ der Untergrund durch lambda/2 Beiträge unterdrückt oder anstelle der lambda-Beiträge selektiert, um bei kürzerer Wellenlänge mit genauerer Energieauflösung zu messen. Zudem wird das System aus 50 kleinen Detektoren in Kürze durch 128 positionsempfindliche He-3 Detektoren von 1 m Höhe ersetzt, und damit die Raumwinkelabdeckung auf 1.8 sr um mehr als eine Grössenordnung erhöht. Zusätzlich zu der verbesserten Q-Auflösung gewinnen wir eine neue, vertikale Dimension. Damit wird das DNS bisherige Möglichkeiten für Einkristallspektroskopie mit einer effizienten Messung von S(Q,E) in allen vier Dimensionen entscheidend verbessern.

Yixi Su, Kirill Nemkovskiy, Werner Schweika

IN12 - Umzug und Verbesserungen

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Das kalte Drei-Achsen-Spektrometer IN12 wird vom FZ Jülich in Zusammenarbeit mit dem CEA Grenoble als ein CRG-B Instrument am Forschungsreaktor des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, betrieben. Als ein Drei-Achsen Spektrometer für kalte Neutronen liegt eines der Hauptanwendungsgebiete im Bereich hochauflösender Untersuchungen niedrig energetischer Anregungen.
Im Rahmen des Millennium Programms des ILL wird IN12 eine Endposition an einem eigenen neuen Neutronenleiter erhalten.
Dies ist die Gelegenheit weiterer Verbesserungen:

  • ein optimierter ballistischer Leiter (m=2) mit dem Konzept der virtuellen Quelle und einem neuen doppelt fokussierenden PG Monochromator
  • ein erweiterter Wellenlängenbereich von 1.5-6.3 A (im Vergleich zu bisher 2.4-6 A)
  • Das neue Design verspricht einen Flußgewinn von ca. 1 Größenordnung. Weitere neue Komponenten sind zur Verbesserung der Eigenschaften und der Effizienz geplant:
  • eine neue Monochromatorabschirmung angepaßt an die Bedürfnisse der neuen Endposition, den höheren Fluss sowie den größeren Winkel- und Wellenlängenbereich wird im Haus konstruiert
  • ein Geschwindigkeitsselektor zur Eliminierung Beiträge höherer Ordnung garantiert einen niedrigen Untergrund
  • eine Kavität mit einem Transmissions-Polarisator gewährt eine effiziente und einfache Polarisation des einfallenden Strahls
  • ein Wechsler vor dem Monochromator erlaubt eine kollimierte anstelle der fokussierten Strahloption
    (unerläßlich für z.B. Hochdruck-Experimente oder UFO (siehe nächster Beitrag)
  • optional ist ein 'perfectly bent silicon' Monochromator für eine Fokussierung des Strahls auf kleine Probenvolumina vorgesehen

Karin Schmalzl, Wolfgang Schmidt, Raphael Hermann

Multi-Analysator IN12-UFO

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Als weitere Option wird IN12 mit einem 2-dimensionalen ortsauflösenden Detektor und einem Array aus 15 Analysatoren ausgerüstet werden. Diese Analysatoren können individuell gedreht und positioniert werden, um so einen vom Benutzer definierten Pfad im Q-Raum abzubilden. Je nach Anforderung kann der Benutzer zum Beispiel einen Scan mit konstantem Energieübertrag definieren. Möglich sind auch Scans entlang einer bestimmten Q-Richtung (genannt "linear Q"-scan). Dieses Multianalysatorkonzept bezeichnen wir als IN12-UFO ("Universal Focusing Option"). Damit wird IN12 in der Lage sein, zukünftige Herausforderungen für einen vollen Multiplexbetrieb zu erfüllen.

Karin Schmalzl, Wolfgang Schmidt, Raphael Hermann

KWS-3 Fokussierende Kleinwinkelkamera

The world wide only small angle neutron scattering instrument with focussing mirror optics: improved resolution by one order of magnitude.

Vitaliy Pipich, Zhendong Fu, Emmanuel Kentzinger

MARIA, ein Reflektometer entwickelt für Untersuchungen an Nanostrukturen und dünnen magnetischen Schichten

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Das neue Reflektometer MARIA ist für die Untersuchungen an dünnsten magnetischen Schichten bis hinunter zu Submonolagen bei gleichzeitig kleiner Probengröße von 1cm2 optimiert worden. Damit wird MARIA es ermöglichen magnetischen Nanostrukturen zu analysieren, welche die Basis magnetetoelektronischer Bauelemente (wie z.B. 'MRAM's' oder 'patterend recording media') bilden. Durch die immer weiter voranschreitende Miniaturisierung der Strukturen und die damit verbundene Nähe zum superparamagnetischen Limit, wird es in Zukunft immer wichtiger sein die magnetische Wechselwirkung zwischen benachbarten Bereichen nicht nur zu kontrollieren und sondern auch zu verstehen.

Um die kleinen Strukturen und die damit geringen Mengen an Probenmaterial untersuchen zu können, wird ein dynamischer Bereich von ca. 9 Größenordnungen benötigt. Um die nötige Grundintensität zu erreichen kann die Wellenlängenauflösung in einem Band von 4.5A bis 11A auf bis zu 10% relaxiert werden. Zusätzlich verfügt MARIA über einem vertikal elliptisch fokussierenden Leiter.
Zur Untersuchung magnetischer Strukturen ist eine Polarisationanalyse (Polarisation: Neutronenleiter mit Fe/Si Superspiegel; Analysator He3) als Standard vorgesehen. Weiterhin erlaubt ein schneller Wechsel zwischen Reflektometer- und GISANS-Modus Strukturen in einem Längenskalen von nm bis zu µm zu untersuchen.

Stefan Mattauch, Alexandros Koutsioumpas, Sabine Pütter, Ulrich Rücker

POWTEX - High-intensity time-of-flight neutron diffractometer

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In order to provide the large chemistry, geo- and materials science communities with a powerful tool for rapid neutron-data acquisition, the novel time-of-flight diffractometer POWTEX will be installed at the new MLZ reactor in Munich. POWTEX - a shortcut for POWder and TEXture - was approved by the BMBF and is build by RWTH Aachen University and the Forschungszentrum Jülich within the JARA project as well as the Göttingen University. We expect to outperform comparable monochromator instruments by one order of magnitude in intensity (> 1×107 neutrons/cm2s) for samples of less than a cubic centimeter. This extraordinary performance will be achieved by combining several new concepts: the ballistic beam compressor with double focusing super-mirrors, the four-unit disk-chopper system, including the double-disk pulse chopper, the use of position-sensitive detectors to access the full Debye-Scherrer cones by a huge solid angle (> 9 steradian) and, not to forget, the multiple measurements of all reflections using the time-of-flight strategy. The high neutron current at the sample position will allow us, for example, to in-situ investigate chemical reactions and to characterize phase transitions as a function of temperature, pressure, magnetic fields (or other sample environments) in comparatively short measurement times. Geo- and materials sciences applications for this instrument are mainly related to texture measurements on natural samples and, additionally, to measurements during in-situ deformation and recrystallization/annealing experiments with special sample environments. While POWTEX is under construction at the very moment, we expect to conduct the first measurements in the year 2012.

Andreas Houben (RWTH Aachen), Werner Schweika

TOPAS, ein neues thermisches Flugzeitspektrometer

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Die Hauptaufgabe von TOPAS besteht in der Untersuchung der Anregungsspektren in neuartigen Materialien. Der Energieaustausch zwischen Probe und Neutronen wird durch Flugzeitanalyse bestimmt, wobei die Winkelkoordinaten noch benutzt werden könnnen, um die vollständige Dispersionsrelation zu entziffern. Die Kombination von Polarisationsanalyse und einem großflächigen ortsempfindlichen Detektors wird einen einmaligen Einblick in die elementaren Anregungen einkristalliner Materialien erlauben. Vor allem für magnetische Materialien öffnet sich ein neues Fenster zur Messung der Dynamik.

Aufgrund der kleinen Wirkungsquerschnitte für inelastische Neutronenstreuung ist ein hoher Neutronenfluss auf der Probe wichtig. Als erstes reaktorbasiertes Flugzeitspektrometer realisiert TOPAS die Fokusierung auf die Probe durch einen doppelt elliptischen Neutronenleiter. Die Energieselektion erfolgt durch ein System von Fermi Choppern. Dadurch können Anregungen bis zu Energien von 140 meV mit guter Energieauflösung und hohem Fluss gemessen werden.

Jörg Voigt, Robert Aldus

3He Neutronen-Spinfilter

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Spin-polarisierte Neutronen eignen sich ausgezeichnet für Untersuchungen an unterschiedlichsten Materialien. Kernspinpolarisiertes 3He wird in der Forschung als Filter in der Neutronenstreuphysik eingesetzt. Damit kann man einerseits einfallende polarisierte Neutronen gewinnen und andererseits den Polarisationsgrad der von der Probe gestreuten Neutronen bestimmen.

Wir arbeiten zur Zeit an der Entwicklung verfeinerter Verfahren zur Erzeugung hoher 3He-Polarisationsgrade. Dabei kommen zwei verschiedene optische Methoden zur Anwendung:

Metastable MEOP (Metastable Exchange Optical Pumping)
Die direkte Polarisation von 3He-Gas bei erniedrigtem Druck und anschließender Kompression bis zum erforderlichen Enddruck (typischerweise in der Größenordnung von wenigen Bar).

Spin SEOP (Spin Exchange Optical Pumping)
Die indirekte Polarisation: In diesem Fall wird ein Alkali-Metall wie Kalium oder Rubidium zunächst optisch polarisiert und überträgt durch Kollision seine Polarisation auf 3He-Kerne.

Earl Babcock, Alexander Ioffe

Polarisierte Neutronentechniken

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Die umfangreichsten Verbundaktivitäten der "Integrated Infrastructure Initiative for Neutron Scattering and Muon Spectroscopy" NMI3, innerhalb des 6. EU-Rahmenprogramms
PNT werden vom Jülicher Wissenschaftler Dr. Alexander Ioffe koordiniert. Beteiligt sind 11 Partner aus 7 EU-Ländern sowie aus USA, Japan und Australien. Ziel ist die Entwicklung von:

  • Vorrichtungen für 3D-Polarisationsanalyse der inelastischen/quasielastischen Neutronenstreuung, Beugung und Reflektometrie
  • verbesserten Neutronenspinechotechniken zur Erhöhung der Auflösung von inelastischen Streuinstrumenten
  • Larmor-Präzessionsvorrichtungen, basierend auf dünnen Schichten
  • neuartiger Larmor-Präzessionsinstrumentierung für Reflektometrie, SANS und Beugung.

Alexander Ioffe


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