Neutronenoptik

Die Gruppe Neutronenoptik in der Abteilung EM-AMCT hat sich auf die Erforschung und Entwicklung im Bereich Neutronenoptik spezialisiert und stellt neutronenoptische Bauelemente für den Bedarf im Hause her. Dafür betreibt sie eine Sputteranlage und den Spiegelmessplatz V14. Im Folgenden werden bedeutende Beispiele innovativer Bauelemente vorgestellt.

Für die Vermarktung der Forschungsergebnisse wurde im Jahr 2000 die Spin-Off-Firma Neutron Optics Berlin GmbH gegründet. Technologietransfer- und Lizenzverträge sind zwischen der Firma und dem HZB abgeschlossen worden. Die Entwicklungsarbeit wird ab Ende 2017 von NOB fortgesetzt.

 

Polarisierende Fe-Si Neutronensuperspiegel

Diese Systeme bestehen aus einigen hundert dünnen Schichten aus Silizium und Eisen, deren Dicken zwischen 50 Å und 800 Å liegen, und werden in einer Sputteranlage auf Substrate aus Glas oder Silizium aufgebracht. Sie reflektieren diejenige Spinkomponente eines Neutronenstrahls, die parallel zu einem Magnetfeld steht und transmittieren die antiparallele Komponente. Zurzeit können Werte von bis zu m=4 erreicht werden.

 

Strahlteiler und  Kavität

Werden die polarisierenden Superspiegel auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht und unter kleinem Winkel in einen Neutronenstrahl gestellt, können die reflektierte wie auch die transmittierte Strahlkomponente genutzt werden. In der sogenannten Kavität (cavity) stehen die beschichteten Substrate unter einem gewissen Winkel in einem Neutronenleiter. Hier wird nur die transmittierte Komponente genutzt, während die reflektierte Komponente im Neutronenleiter absorbiert wird [1], [2], [10].

 

Festkörperbauelemente

Ein wesentlicher Fortschritt wurde durch die Entwicklung von neutronenoptischen Bauelementen erzielt, in denen die Neutronen in dünnen Scheiben aus einkristallinem Silizium (Siliziumwafer) geführt werden. In dieser Bauform wurden polarisierende Bender und Kollimatoren hergestellt. Die Vorteile dieser Festkörperbauelemente liegen in der einfacheren mechanischen Handhabung und den wesentlich geringeren Abmessungen. So konnte der Platzbedarf längs des Strahls für die Polarisation eines 6 cm breiten Neutronenstrahls von 9 m auf 7.5 cm reduziert werden [3], [4].

 

Polarisierender Co-Cu Neutronensuperspiegel

Von uns wurden erstmalig polarisierende Co-Cu Neutronensuperspiegel hergestellt, die die Spin-down-Komponente eines Neutronenstrahls reflektieren, während alle anderen polarisierenden Superspiegel die Spin-up-Komponente reflektieren [5].

 

Neue Bauform von Kollimatoren

Ebenfalls aus Siliziumwafern wurden Kollimatoren hergestellt, indem auf das Silizium eine absorbierende Schicht aufgebracht und mehrere Wafer nebeneinander in den Neutronenstrahl gestellt wurden. Dieses System zeigt für verschiedene Einfallswinkel die bekannte dreiecksförmige Transmissionsfunktion der  herkömmlichen Kollimatoren. Wie auch bei den Bendern sind Länge und Gewicht dieser Kollimatoren wesentlich kleiner.

Die Verwendung der Siliziumwafer erlaubt es, die Kanalwände erst mit einer reflektierenden und dann mit einer absorbierenden Schicht zu belegen. Wird der Totalreflexionswinkel der ersten Schicht so gewählt, dass er halb so groß ist, wie die Breite des maximalen Kollimatorwinkels, wird eine rechteckige Transmissionsfunktion mit der Breite der Dreiecksbasis erreicht und damit eine Verdopplung der transmittierten Neutronen [6].

 

Neue Bauform von polarisierenden Bendern

Es wurden polarisierende Bender als Festkörperbauelemente hergestellt, die entweder, wie die klassische Bauform mit Kanälen, die durch verspiegelte Gläser begrenzt sind, eine Spinkomponente ablenken und die andere absorbieren, oder als Spinsplitter die beiden Komponenten unter unterschiedlichen Winkeln transmittieren. Das letzte System hat kein klassisches Analogon Analogon bei den klassischen Bendern mit Glaswänden.

Mit den bisher gebauten Bendern wurden bei Neutronen der Wellenlänge 5 Å Transmissionen bis zu von 65% und eine Polarisation bis zu 95% erzielt. In Bendern werden Neutronen aller Wellenlängen oberhalb einer Grenzwellenlänge polarisiert. Unterhalb dieser Grenzwellenlänge werden sie mit abnehmender Intensität, aber gleicher Polarisation transmittiert [7].

 

Zweidimensionale Weitwinkel-Spinanalysatoren

Für die Spinanalyse eines Neutronenstrahls in zwei Dimensionen haben wir ein Festkörpersystem [8] und mehrere Vielfach-Kavitäten gebaut [9]. In allen oben genannten Analysatoren wurde eine Polarisation von 95% erreicht.

 

S-Bender

Um die Polarisation zu erhöhen, wurden S-förmige Festkörper-Bender gebaut. Da es zwei Reflektionsprozesse gibt, die den Strahl polarisieren, kann eine wesentlich höhere Polarisation erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die mittlere Strahlrichtung erhalten bleibt. Daher kann es in ein Instrument eingebaut werden, ohne dass eine Änderung der Ausrichtung erforderlich ist, wenn von unpolarisiertem zu polarisiertem Betriebsmodus gewechselt wird. Außerdem werden Neutronen unterhalb einer Grenz-Wellenlänge nicht transmittiert, weil Neutronen, die mit Girlandenreflektionen den ersten Teil des Benders passieren, im zweiten Teil nicht reflektiert werden.

Einer der so entworfenen S-Bender war für eine Wellenlänge von 3.5 Å konstruiert und zeigte bei 4.4 Å eine Transmission von 65% und eine Polarisation von 98% [11].

 

Fokussierende Systeme

Seit einigen Jahren werden Systeme entwickelt, die es erlauben, Neutronenstrahlen zu fokussieren. Das erste System benutzt Reflexion und ist daher achromatisch. Hier werden die Neutronen wieder in gebogenen Siliziumwafern verschiedener Länge geführt, die beidseitig spiegelnd beschichtet sind. Damit wird der gesamte in einem Neutronenleiter transportierte Strahl fokussiert. Bei Fokussierung in einer Dimension wurden eine Fokusgröße von 2 mm und eine Intensitätssteigerung auf das 5.6-fache erreicht gegenüber der Intensität an diesem Ort ohne Linse [12].

Das zweite System beruht auf der Brechung an Prismen und ist daher chromatisch. Durch Anordnung der Prismen in unterschiedlich langen Reihen kann die Fokussierung eines parallelen Strahls erreicht oder eine Quelle abgebildet werden. Mit einer solchen Anordnung wurde ein Schlitz abgebildet, so dass innerhalb der Halbwertsbreite von 0.35 mm ein Intensitätsgewinn von einem Faktor 7.9 gegenüber der Intensität an diesem Ort ohne Linse erreicht wurde.

 

Energieanalyse

Ein System aus Prismen gleicher Länge lenkt Neutronen unterschiedlicher Wellenlänge in verschiedene Winkel ab und erlaubt dadurch eine Analyse der Neutronenenergie. Mit einem solchen System konnte ein Wellenlängenband von 2 – 8 Å aufgespalten werden. Bei 6.7 Å betrug die Auflösung 5% [13], [14].

Literatur

[1] Th. Krist, C. Pappas, Th. Keller, F. Mezei, The polarizing beam splitter guide at BENSC, Physica B 213-214 (1995) 939-941.

[2] T. Keller, Th. Krist, A. Danzig, U. Keiderling, F. Mezei, A. Wiedenmann, The polarized neutron small angle scattering instrument at BENSC Berlin, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 451 (2000) 474-479.

[3] Th. Krist, S.J. Kennedy, T.J. Hicks, F. Mezei, New compact neutron polarizer, Physica B 241-243 (1998) 82-85.

[4] Th. Krist, Solid state and conventional neutron optical elements, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 529 (2004) 50-53.

[5] Th. Krist, J. Hoffmann, P. Schubert-Bischoff, F. Mezei, Inversely polarizing Co-Cu neutron supermirrors, Physica B 241-243 (1998) 86-88.

[6] Th. Krist, F. Mezei, High performance, short solid state collimators with reflecting walls, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 450 (2000) 389-390.

[7] Th. Krist, J. Peters, H.M. Shimizu, J. Suzuki, T. Oku, Transmission bender for polarizing neutrons, Physica B 356 (2005) 197–200.

[8] Th. Krist, H. Fritzsche, F. Mezei, A large-angle neutron polarisation analyser, Appl. Phys. A 74 [Suppl.] (2002) s221-s223.

[9] P. Falus, A. Vorobiev, Th. Krist, Test of a two-dimensional neutron spin analyser, Physica B 385-386 (2006) 1149-1151.

[10] Th. Krist, C. Pappas, A. Teichert, C. Fehr, D. Clemens, E. Steichele, F. Mezei, New polarizing guide for neutron wavelengths above 2.5 Å, J. Phys. Conf. Ser. 251 (2010) 012081.

[11] Th. Krist, F. Rucker, G. Brandl, R. Georgii, High performance, large cross section S-bender for neutron polarization, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 698 (2013) 94-97.

[12] R. Bartmann, N. Behr, A. Hilger, Th. Krist, New solid state lens for reflective neutron focusing, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 634 (2011) S104–S107.

[13] J. Schulz, F. Ott, Ch. Hülsen, Th. Krist, Neutron energy analysis by silicon prisms, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 729 (2013) 334-337.

[14] J. Schulz, F. Ott, Th. Krist, An improved prism energy analyzer for neutrons, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 744 (2014) 69-72.