Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1116
Main Title: Energieanalyse und Fokussierung von Neutronenstrahlen
Translated Title: Energy analysis and focusing of neutrons
Author(s): Schulz, Jennifer
Advisor(s): Tennant, Alan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit dokumentiert Konzeption, Bau und Messung von zwei Prismensystemen zur Energieanalyse und Fokussierung von Neutronenstrahlen. Die Energieanalyse von Neutronen ermöglicht es mit verschiedenen Wellenlängen zur gleichen Zeit zu arbeiten. Da auf diese Weise der komplette weiße Strahl genutzt werden kann, sind große Intensitätsgewinne im Vergleich zur Verwendung von Choppern oder Monochromatoren möglich. Durch Fokussierung lässt sich die Intensität am Probenort steigern, aber auch Abbildungen von Punktquellen über weite Strecken können dazu genutzt werden, den Neutronenfluss lokal zu erhöhen. Als Material für die Prismen wurden Magnesiumdifluorid und Silizium getestet, da beide Materialien ein gutes Verhältnis zwischen Dispersion und Absorption aufweisen. Es wurden die Ablenkung, die Transmission und die Winkelaufweitung durch MgF2 und Si-Prismen am V14 Reflektometer am HZB gemessen. Hier zeigte sich, dass bei den MgF2-Prismen diffuse Streuung an Oberflächen auftrat, welche zu einer Winkelaufweitung und Verminderung der Transmission führten. Die Optiken wurden daher mit 0,25 mm hohen Si-Prismen realisiert. Der Energieanalysator besteht aus mehreren gleichlangen Schichten von Prismenreihen mit insgesamt 191 Si-Prismen. Am EROS Reflektometer am LLB wurde mit dem Energieanalysator ein 0,3 mm hoher weißer Strahl über 2 m mit einer Wellenlängenauflösung von 34% bei 2,4Å und 5% bei 6,7Å abgelenkt. Der Gain gegenüber einem Chopper mit einer Wellenlängenauflösung von ebenfalls 34% liegt dabei bei dem 22- bzw. 14-fachen. An der Unterseite der Prismen kommt es teilweise zur Totalreflexion. Diese Neutronen werden bei falschen Winkeln detektiert und gehen für die Energieanalyse verloren. Die Transmission der nutzbaren Neutronen ist daher stark verringert und sinkt bei 8Å auf 9%. Es wurde gezeigt, dass die störenden Reflexionen an den Prismen aus dem Spektrum entfernt werden können, indem auf der Unterseite der Prismenreihen eine absorbierende Schicht aufgebracht wird. Simulationen zeigen, dass sich die Transmission vergrößern lässt, wenn der gesamte Prismenstapel gebogen wird. Bei der Neutronenlinse nimmt die Anzahl der Prismen in jeder Schicht mit dem Abstand zur optischen Achse zu. Die Stärke der Prismenlinse liegt in der Abbildung, da die Divergenz des Strahls hierbei nicht zu einer Aufweitung des Strahls im Fokus führt. Am V14 Reflektometer am HZB konnte bei einer Wellenlänge von 4,9Å ein 0,2mm großer Spalt mit einer 3,25mm hohen Linse in einem Abstand von 4,6m abgebildet werden. Die Brennweite der Linse betrug dabei 110cm. Innerhalb der Halbwertsbreite des Bildes konnte eine Intensitätssteigerung auf das 7,9-fache der Intensität des Direktstrahls im gleichen Bereich nachgewiesen werden. Die Abbildung mit der Prismenlinse kann in der Kleinwinkel-instrumentierung angewendet werden. Simulationen hierzu zeigen, dass sich die Intensität im Vergleich zum klassischen Pinhole-Aufbau um mehr als eine Größenordnung steigern lässt. Der Energieanalysator und die Linse können in der Reflektometrie eingesetzt werden. Die Wellenlängen eines kollimierter weißen Strahls können nach der Reflexion an der Probe durch den Energieanalysator räumlich aufgelöst werden. Bei einem unkollimierten monochromatischen Strahl hingegen können die Neutronen durch eine Linse hinter der Probe nach ihren Winkeln sortiert werden. Der Intensitätsgewinn ergibt sich jeweils daraus, dass bei verschiedenen Wellenlängen bzw. verschiedenen Winkeln gleichzeitig gemessen werden kann.
The present work documents the development, from initial concept through to implementation, of a new energy analyzing and focusing technique for neutrons by means of prism systems. A prism system may be used to separate different wavelength neutrons into different directions allowing measurements at different wavelengths at the same time. In this way, using the white beam and an energy analyzing device instead of monochromators or choppers high gains of intensity are possible. Moreover, a prism system may act as a neutron lens, which can be used to increase the intensity at the sample position as well as to image point sources over large distances. MgF2 and Si were tested for their applicability as prism material, because both materials show a good ratio of dispersion and attenuation. The deflection, attenuation and the broadening of the neutron beam was measured at the V14 reflectometer at the HZB. It was found that MgF2 prisms cause a broadening and decrease of the transmitted intensity of the neutron beam due to diffuse scattering at the prism surfaces. Therefore both optical elements are realized with Si prisms. The energy analyzer consists of several layers, each with 191 prisms. The refraction of a 0.3mm white beam over 2m was measured at the EROS reflectometer at the LLB. At a wavelength of 2.4Å a wavelength resolution of 34% was measured. At 6.7Å the wavelength resolution improves to 5 %. Compared to a chopper with a resolution of 34% this gives a gain of 22 at 2.4Å and 14 at 6.7 Å. At the back side of the prisms total reflection occurs. These neutrons are detected at wrong angles and cannot be used for the energy analysis. Thus, the transmission is smaller than expected due to the attenuation in the silicon. At 8Å the transmission rate is only 9% due to the reflected neutrons. The reflected neutrons were removed from the spectrum by coating the back side of the prism rows with an absorbing layer. Furthermore, simulations show that the transmission increases when the prism stack is bent. For the prism lens it is necessary that the number of prisms in each layer increases with the distance to the optical axis. The strength of the prism lens is the imaging of a point source. At the V14 reflectometer at HZB a 0.2mm slit was imaged with a 3.25mm high lens over a distance of 4.6m at a wavelength of 4.9Å and with a focal length of 110 cm. In the FWHM a gain in intensity of 7.9 was measured compared to the intensity of the direct beam in the same area. Imaging with the prism lens can be used in small angle scattering instruments. Simulations show that intensity gains of more than one order of magnitude can be achieved. In reflectometry an energy analyzer can be used to encode the wavelengths after the interaction of a white collimated beam with the sample. Using a monochromatic and uncollimated beam a lens can be used to encode the angles of the neutrons after the sample. The increase of intensity is due to the possibility of measuring at different wavelength or angles at the same time.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-40288
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1413
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1116
Exam Date: 19-Apr-2013
Issue Date: 18-Jun-2013
Date Available: 18-Jun-2013
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Neutronen
Optik
Neutrons
Optics
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/
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