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New software tools for simulations of new instruments for the future neutron sources
Manochine, Serguei
Neutronenstreuung ist eine wichtige Technik zur Untersuchung von Struktur, Dynamik und magnetischen Eigenschaften kondensierter Materie. Aufgrund der recht komplizierten Konstruktion und der hohen Kosten für moderne Neutronenstreu-Instrumente kann ein gewöhnlicher trial and error Ansatz zu gefährlich sein. Die Möglichkeit, die Parameter des Instruments abzuschätzen, und eine a-priori-Analyse seiner Leistungsfähigkeit erlaubt, ziemlich kostspielige Fehler zu vermeiden und die Konstruktion dahingehend zu verbessern, dass die höchstmögliche Leistung erzielt wird. Eine Möglichkeit für solche Abschätzungen und Leistungstests sind numerische Simulationsmethoden. Einen speziellen Bedarf dafür gab es durch die jahrelangen Aktivitäten am Projekt der Europäische Spallationsquelle (ESS), initiiert Mitte der neunziger Jahre. Das VITESS Programm ist am Hahn-Meitner-Institut Berlin seit 1998 entwickelt worden, insbesondere für Monte-Carlo-Simulationen von zeitlich strukturierten Neutronenstrahlen, (wie sie von Spallationsquellen erzeugt werden). Monte-Carlo-Simulationen von Neutronenstreu-Experimenten erfordern weitere Entwicklungen zur Analyse der Leistungsfähigkeit von Instrumenten und ihrer Komponenten, auch wenn sie an kontinuierlichen Quellen - Reaktoren mit konstanter Leistung -installiert werden. Entsprechend dieser Anforderung wurden vier neue Module ("Bender", "Rotierendes Feld", "Drabkin Resonator" and "Gradienten-Flipper") erfolgreich geschrieben, debuggt und getestet, was die Simulation der Leistungsfähigkeit von neutronenoptischen Komponenten und Instrumenten zur Streuung polarisierter Neutronen wie Spin-Echo-Instrumenten, Resonatoren und Flippern erlaubt. Die Simulation des Gravitationseffektes wurde ebenfalls erfolgreich eingebaut und getestet. Diese neuen Module bieten breite Simulationsmöglichkeiten von neuen Neutronenstreu-Instrumenten und sind inzwischen auch von anderen Programmbenutzern verwendet worden. Vier Hauptsimulationen sind in dieser Arbeit durchgeführt worden : 1.Der konvergierende Bender für das hochauflösende Spin-Echo-Spektrometer für die ESS wurde simuliert und optimiert. Es wurden Bedingungen für die Geometrie und das beschichtende Material gefunden, die die gewünschten Anforderungen erfüllen. 2.Das neue Kleinwinkel-Spektrometer VSANS und sein Strahlrohr mit dem multi-spektralen Extraktionssystem wurden optimiert. Die Simulationen habe gezeigt, dass ein divergenter Neutronenleiter als primäre Kollimation und das multiple Strahl-Fokussierungssystem (Viel-Loch-System) als letzte Kollimation die beste Wahl sind. Als minimaler Wert des Streuvektors wurde Qmin = 0.0033 ... 0.00067 Å-1 für einen Wellenlängenbereich von 3 bis 15 Å bestimmt. 3.Die dritte Aufgabe war es, das Neutronen-Resonanz-Spin-Echo (NRSE) Spektrometer ZETA, das am Institut Laue-Langevin in Grenoble gebaut wurde, zu simulieren und die korrekte Arbeitsweise der neuen Module zu überprüfen. 4.Der neue Typ eines Neutronen-Spin-Echo-Instruments mit dünnen magnetischen Folien (TMF) und mit rotierendem magnetischen Feld (RMF), vorgeschlagen von A. Ioffe, ist erfolgreich simuliert worden. Die Simulationen zeigten die hervorragende Leitungsfähigkeit eines solchen TMF RMF Spektrometers sowie einige nützliche und wichtige Anwendungsmöglichkeiten: "Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering" (SERGIS), "Spin Echo Small Angle Neutron Scattering" (SESANS) und "Modulation of Intensity for Zero Effort-downstream" (MIEZE). Die Stabilität der Spektrometer wurde bestimmt.
Neutron scattering is an important technique for investigating the structure, dynamic and magnetic properties of condensed matters. Because of a rather complicate construction and high cost of modern neutron scattering instruments, a usual trial and errors approach can be too risky. Therefore, a possibility to estimate parameters of the instrument and to a-priori analyse its performance allows not only to avoid quite costly mistakes, but also to improve the construction of the instrument thus achieving its best performance. A possibility for such estimations and performance tests is provided by numerical simulation methods. A special request was generated by many years activities around the European Spallation Source (ESS) project initiated in mid of 90th. The VITESS software package has been developed at Hahn-Meitner-Institute Berlin since 1998, particularly for purposes of Monte Carlo simulations with time-structured neutron beams (as they are generated by spallation sources). However, Monte Carlo simulations of neutron scattering experiments also require further developments for the analysis of performance of instruments and/or their components to be installed at continuous sources (steady power reactors) as well. Following this request, four new modules ("Bender", "Rotating field", "Drabkin resonator" and "Gradient flipper") were successfully written, debugged and tested allowing for simulations of performance of neutron optical components and polarised neutron scattering instruments such as neutron spin echo spectrometers, resonators and flippers. Simulation of gravity effect was successfully included and tested in the VITESS too. These new modules provide wide opportunities for simulations of new neutron scattering instruments and have been using now by other users. Four main simulation tasks are considered in this thesis. 1. The convergent bender for the high-resolution spin echo spectrometer at the ESS was simulated and optimised. Requirements for the geometry and coating material were found to achieve the demanded characteristics. 2. The new small angle scattering spectrometer VSANS and its beam line with the multi-spectrum extraction system were optimised. The simulations proved that the best choice is a divergent guide as the primary collimation and the multiple beam focussing system (multiple pinhole system) as the final collimation. Minimum value of the scattering vector was evaluated: Qmin = 0.0033 ... 0.00067 Å-1 for wavelength range l = 3 ... 15 Å respectively. 3. The third task was to simulate the neutron resonance spin-echo (NRSE) spectrometer ZETA, which was built at Institute Laue-Langevin, Grenoble, and to check correct operation of the new modules. 4. The new kind of a neutron spin echo spectrometer with thin magnetic foils (TMF) and with rotating magnetic fields (RMF) proposed by A. Ioffe was successfully simulated. These simulations proved the perfect performance of such a TMF RMF spectrometer as well as some useful and important applications: Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering (SERGIS), Spin Echo Small Angle Neutron Scattering (SESANS) and Modulation of Intensity for Zero Effort-downstream MIEZE. The robustness of the spectrometer was evaluated.
