NeutronenStreuung. Grundlagen. Aufbau. Eigenschaften & Vorteile Messgrößen. Historie Erzeugung Präparation Detektoren. Diffraktometer.

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1 NeutronenStreuung Grundlagen Eigenschaften & Vorteile Messgrößen Historie Erzeugung Präparation Detektoren Inhalt Diffraktometer 1 / 24

2 Einführung detaillierte Eigenschaften auf atomarer Ebene n- & Röntgen-Streuung wichtigste Methoden Vorteile n-streuung: reagieren mit Atomkern leichtere Atome: stärkere Resonanz als Röntgen unterscheidet: ähnliche Ordnungszahlen unterscheidet: Isotope n kleine Energie ~ elementare Anregung Dynamik kleine Schäden (Bio) Grundlagen 2 / 24

3 Einführung Vorteile hohe Eindringtiefe magnetisches Moment langsame n m = 1,675 * kg 1 mev = 0,242 Thz = 8,07 cm-1 = 11,6 K = 17,3 T k p =ℏ 2π k = λ Grundlagen 3 / 24

4 Grundlegende Prinzipien Messgröße: Wahrscheinlichkeit P ( k k ' ) ( k k ' ) Streuvektor: Δ p =ℏ Q=ℏ 2 ℏ 2 2 Energieübertrag: Δ E =ℏ ω= (k k ' ) 2m elastische Streuung: ħω = 0 k = k ' ( τ Q= k k ' )= τ + q inelastische Streuung: Q= q: elementare, zu bestimmende Anregung q ) zu genaueste exp. Methode, um ℏ ω ( vermessen Grundlagen 4 / 24

5 WirkungsQuerschnitt Anzahl der auslaufenden n innerhalb [ω,ω+d ω] 1 σ (Zeit ) (Raumwinkel ) Anzahl der einlaufenden n Fermis Goldene Regel Größenordnung: cm² = 1 barn komplexe Größe, Im Absorption Grundlagen 5 / 24

6 Historie erste n Quelle: natürliche α-strahler und Be Kernreaktoren gepulste Quellen Zyklotron e- - Beschleuniger heute: ProtonenBeschleuniger (1017 n / cm² / s) Zukunft: vielleicht Fusion 6 / 24

7 Qualität des Experiments Fluss, Luminosität (N / cm² / s) Wärmeentwicklung 7 / 24

8 KernAufsplitterungs-Quellen Spaltung angeregter Zerfall verdampfen 8 / 24

9 Spallations-Quellen H- Linac ~ β = 0,9 Kohlenstoffschicht p in Ring gespeichert Bunches Target (flüssiges Metall) n Hz P ~ MW Moderator: MeV mev (H2O, D2O) RT ~ 1 Å 9 / 24

10 Instrumente n werden isotrop abgestrahlt Schirmung, Blende Neutronen-Reflektor Monochromator time of flight Kristall drehender Kristall n haben Spin müssen polarisiert werden 10 / 24

11 Instrumente n haben Spin... Bragg-Reflexion: magnetische Streuamplitude Kristalle, z.b. Cu2MgAl 95 % polarisiert Spiegel > 95 % Filter He bis zu 80 % benötigt B-Feld 3 Spin-Flip alle Mechanismen zur Präparation können auch zur Analyse verwendet werden 11 / 24

12 Detektoren Detektion von Neutronen durch Kernreaktionen Ionisierungsstrahlung Ionisierung von Teilchen Gasrohr mit 3He-Isotop Anliegende Spannung ~1800V Gain 105 Langsame Antwortzeiten Nicht gut für hohe Zählraten 12 / 24

13 Detektoren Scintillatoren ZnS dotiert mit 6Li Bei eindringen von Neutronen Photoemission Messung durch Photomultiplier 13 / 24

14 Diffraktometer Pulverdiffraktometrie Streuung der Neutronen an dem zu untersuchenden Pulver Alle möglichen Orientierungen der Netzebenen ADP (angular dispersive method) EDP (Energy dispersive method) 14 / 24

15 Diffraktometer Einkristall-Diffraktion Mehr Informationen als bei Pulverdiffraktiometer Probe kann kontrolliert mit allen drei Eulerwinkeln ausgerichtet werden (Bragg-Bedingung) 15 / 24

16 Diffraktometer Flugzeitdiffraktometer (Time-of-Flight) Monochromatische Neutronen werden in Pakete gehakt Flugzeit + Winkel werden gemessen Informationen über Streuprozesse höherer Ordnung 16 / 24

17 Diffraktometer Triple-Axis-Spectrometer Genaue Einstellung der Wellenvektoren Kontrollierte Aufnahme der Dispersionsrelation möglich 17 / 24

18 Diffraktometer Weitere Backscattering Spectrometer Small Angle Scattering Spin-Echo Spectrometer Reflectometer 18 / 24

19 Diffraktometer Weitere Variablen Temperatur Äußeres Magnetfeld Druck Äußeres Elektrisches Feld 19 / 24

20 Strukturfaktor Wirkungsquerschnitt Einatomige Basis 3 (2 π) dσ 2 =N0 <b> δ (Q τ) dω V0 τ Mehratomige Basis 3 (2 π) dσ 2 =N 0 <b>2 S τ δ(q τ) dω V0 τ S τ = b d ei τ d d 20 / 24

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22 Mit Deuterium versetzte Terephthalsäure

23 Strukturfaktor Resultate der Neutronendiffraktion Größe, Form der Einheitszelle Informationen über Position der Atome in einer Einheitszelle Auslenkung der Atome 23 / 24

24 Quellen Neutron Scattering in Condensed Matter Physics, Furrer, World Scientific Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! 24 / 24