NRSE Methode

Um eine außergewöhnlich hohe Energieauflösung zu erreichen – zwei Größenordnungen besser als die eines Dreiachsenspektrometers – nutzt die Neutronen-Spin-Echo (NSE) Methode Larmor-Präzession von Spin-polarisierten Neutronen [1]. Zwei Magnetfeld-Bereiche werden benötigt, einer vor und einer hinter der Probe. Ein bedeutender Vorteil der NSE-Methode ist, dass die Energieauflösung nicht vom Monochromatismus des Neutronenstrahls abhängt, da der Energietransfer an der Probe in der Differenz der Präzessionswinkel vor und nach dem Streuprozess enthalten ist.

Im Gegensatz zu konventionellen inelastischen Neutronenstreumethoden misst NSE-Spektroskopie die intermediäre Streufunktion, d.h. die Dynamik wird als Funktion der Zeit und nicht als Funktion der Energie untersucht. Als wichtige Konsequenz ergibt sich, dass die instrumentelle Auflösung nicht mit der Streufunktion gefaltet ist. Den Einfluss der Auflösung kann man deshalb einfach korrigieren, indem man die NSE-Daten durch die Auflösungsfunktion teilt.

Die Neutronen-Resonanz-Spin-Echo (NRSE)-Variante der Spin-Echo-Methode nutzt zwei Hochfrequenz (HF)-Flipper, die jeweils ein statisches Magnetfeld B0 und ein rotierendes HF-Feld erzeugen, wobei das HF-Feld in Resonanz zur Larmor-Präzessionsfrequenz der Neutronen im Feld B0 steht. Zwei HF-Flipper, die sich im Abstand L zueinander befinden, verhalten sich wie ein homogenes Magnetfeld, das senkrecht auf der Streuebene steht und ein effektives Feldintegral von 2LB0 hat. Das Feldintegral kann nochmal um einen Faktor zwei gesteigert werden, indem man die Anzahl der HF-Flipper (auch Bootstrap-Spulen genannt) verdoppelt. Die HF-Flipper befinden sich in Boxen aus µ-Metall, die externe Magnetfelder abschirmen und so eine ungewollte Rotation des Polarisationsvektors der Neutronen verhindern.

Um die Linienbreiten dispersiver Anregungen mit endlicher Gruppengeschwindigkeit zu messen, müssen die Grenzflächen der Präzessionsbereiche relativ zur Richtung des Neutronenstrahls gedreht werden. Dies nennt man Spin-Echo-Fokussierung oder Phononenfokussierung [2]. Falls die Anregung eine intrinsische Breite von Null hat, bewirkt die Drehung der Feldgrenzen identische Larmor-Präzessionswinkel für alle inelastisch gestreuten Neutronen, unabhängig von der Steigung der Dispersion. Mit dem NRSE-Aufbau können solche verkippten Felder sehr leicht umgesetzt werden. Die Oberflächen der B0-Spulen stellen klare Grenzflächen für die Magnetfelder dar. Durch die Drehung der HF-Spulen, die auf einzeln ansteuerbaren Rotationstischen mit vertikaler Drehachse angebracht sind, können Drehwinkel von 45° und mehr erreicht werden, wobei trotzdem eine hohe Transmission gegeben ist.

Die hohe Flexibilität bei der Einstellung der Feldgrenzen ermöglicht auch elastische Messungen mit sehr hoher Wellenvektor-Auflösung. Mit dieser Larmor-Diffraktions-Methode [3] lässt sich die Verteilung von Gitterparametern mit hoher Empfindlichkeit aus der Polarisation des Neutronenstrahls ablesen. Ebenso lassen sich relative Änderungen der Gitterparameter, z.B. als Funktion der Temperatur, aus der Phasenverschiebung der Polarisations-Modulierung bestimmen. Wenn die Präzessionsfelder so eingestellt werden, dass ihre Orientierung einander entgegengesetzt ist, kann man die Mosaizität der Probe genau vermessen, die z.B. für die Analyse von inelastischen NRSE-Daten von großer Bedeutung ist.

Abb. 1 zeigt die wichtigsten Komponenten des NRSE-Aufbaus am Dreiachsenspektrometer FLEXX. Für die Installation der NRSE-Option werden zwei Module in das Spektrometer eingefügt, das erste zwischen Monochromator und Probe und das zweite zwischen Probe und Analysator. Diese Module beinhalten die µ-Metall-Boxen (im Betrieb geschlossen) mit den drehbaren HF-Flippern. Im Rahmen der Modernisierung der NRSE-Option wurden neue Spulen installiert, die einen größeren Strahlquerschnitt, höhere Frequenzen und größere Drehwinkel ermöglichen.


 

NRSE Option an FLEXX

Abb. 1: Dreiachen-Spektrometer FLEXX mit der NRSE-Option. Je ein Spinflipper-Paar vor und hinter der Probenposition befindet sich in einer μ-Metall-Box (im Betrieb geschlossen). Die Bereiche verkippter Präzessionsfelder, die für dispersive Anregungen benötigt werden, können leicht realisiert werden, indem man die Spinflipper um ihre vertikale Achse dreht.

Literatur

[1] F. Mezei, The Principles of Neutron Spin Echo, in ‘Neutron Spin Echo’, Lecture Notes in Physics, Vol. 128, ed. by F. Mezei, 3-26, Springer, Berlin (1980).

[2] K. Habicht, R. Golub, R. Gähler, T. Keller, Space-Time View of Neutron Spin Echo, Correlation Functions and Phonon Focusing, in ‘Neutron Spin Echo Spectroscopy’, Lecture Notes in Physics, F. Mezei, C. Pappas, T. Gutberlet (Eds.), 116-132, Springer, Berlin (2003).

[3] M.T. Rekveldt, T. Keller, R. Golub, Larmor precession, a technique for high-sensitivity neutron diffraction, Europhys. Lett. 54 (2001) 342-346.