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MLZ

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85748 Garching

J-NSE

Neutronen Spin Echo Spektrometer

J-NSE J-NSE


Die Neutronen-Spin-Echo-Technik verwendet den Neutronenspin als Indikator für die Geschwindigkeitsänderung, die ein individuelles Neutron während eines Streuprozesses in der Probe erfährt. Dieser Trick erlaubt es, ein breites Wellenlängenband zu akzeptieren und trotzdem empfindlich auf relative Geschwindigkeitsänderungen bis zu 10-5 zu sein. Die Geschwindigkeitsinformation des Spins kann allerdings nur bis auf eine ganzzahlige Anzahl von Präzessionen als Intensitätsmodulation, proportional zum Cosinus der Differenz der Präzessionswinkel. Das gemessene Signal ist die Cosinus-Fouriertransformierte S(Q, τ) der Streufunktion S(Q, ω). Alle Spinmanipulationen dienen nur dazu, diese Art der Geschwindigkeitsanalyse durchzuführen. Details können im Buch “Neutron Spin Echo”, ed. F. Mezei, Lecture Notes in Physics, Vol 128, Springer Verlag, Heidelberg, 1980 nachgelesen werden.

Durch die intrinsische Eigenschaft des NSE-Instruments, die Fouriertransformierte der Streufunktion zu messen, ist die Technik besonders geeignet für relaxationsartige Bewegungen, die bei dem entsprechenden Impulsübertrag einige Prozent zur gesamten Streuintensität beitragen. Die Relaxationsfunktion wird so direkt ohne numerische Transformationen und aufwändige Auflösungskorrekturen gemessen. Die Auflösungskorrektur einer NSE-Messung ist eine einfache Division.

Für eine gegebene Wellenlänge ist der Fourier-Zeitbereich zu kurzen Zeiten (etwa 2 ps für das J-NSE) durch die Spindepolarisation durch verschwindende Führungsfelder limitiert, zu langen Zeiten durch das maximal erreichbare Feldintegral J. Tie Fourierzeit ist proportional zu J × λ3. Das J-NSE erreicht maximal J = 0.5 Tm, was einer Fourierzeit τ = 48 ns bei λ = 8 Å entspricht.

Das Instrument selbst besteht hauptsächlich aus zwei wassergekühlten Kupferspulen, die das Feld für die Spinpräzessionen erzeugen. Die Präzessionsstrecken sind außen durch pi/2-Flipper und nahe der Probenposition durch einen pi-Flipper beschränkt. Diverse Hilfsspulen gewährleisten ein durchgängig präzise definiertes Magnetfeld.

Nach dem letzten Flipper passieren die Neutronen einen Analysator mit 60 (30 × 30 cm2) CoTi Superspiegeln, die in Magnetspulen liegen. Diese Spiegel reflektieren nur Neutronen einer Spinorientierung in den Detektor.

Kompensationsspulen reduzieren das Feld der Hauptspulen und Analysatorspulen im Außenraum, um gegenseitige Einflüsse zu minimieren.

Typische Anwendungen

Das Spin Echo Spektrometer J-NSE ist besonders geeignet zur Messung langsamer Relaxationsprozesse (etwa 1 – 100 ns). Typische Fragestellungen aus dem Bereich der weichen Materie sind:

  • Thermische Fluktuationen von Tensidmembranen in Mikroemulsionen
  • Polymer-Kettendynamik in der Schmelze
  • Thermisch aktivierte Domänenbewegung in Proteinen, die ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis der Proteinfunktion ist.
Beispielexperiment

Die intermediäre Streufunktion S(q,tau) einer bikontinuierlichen Mikroemulsion ist in Abb. 1 zu sehen. Man misst die thermischen Fluktuationen einer Tensidmembran bei verschiedenen q-Werten. Das Inset zeigt eine Spin-Echo-Gruppe, im direkten Strahl bei lambda = 5 Å und einer Fourier-Zeit von 0.24 ns gemessen. Die maximale Amplitude der Oszillation im Vergleich zum Mittelwert enthält die gewünschte Information über die Zeitabhängigkeit von S(q,tau). Die Restintensität im Minimum ist durch die nicht perfekten Polarisatoren, Hallenuntergrund und bei großen tau's durch Inhomogenitäten des Feldintegrals gegeben.

Probenumgebung
  • Thermostat-Ofen (260 – 360 K)
  • Cryofour (3 – 650 K)
  • Ofen (300 – 510 K)
  • CO2-Druckzelle (500 bar)

Weitere spezialisierte Probenumgebungen auf Anfrage.

Technische Daten

Parameter:

  • Polarisierter Neutronenfluß am Probenort:
    • 7 Å: 1·107 n cm2 s-1
    • 12 Å: 6.8·105 n cm2 s-1
  • Impulsübertragsbereich: 0.02 – 1.5 Å-1
  • Fourier-Zeitbereich: 2 ps (4.5 Å) < τ < 350 ns (16 Å)
  • Max. Feldintegral: 0.5 Tm

Primärer Neutronenstrahl:

  • Neutronenleiter NL2a
  • Polarisation:
    • Kurze Wellenlängen durch ein gebogenes Neutronenleiterstück
      mit FeSi m = 3 remanenter Superspiegelbeschichtung
    • Lange Wellenlängen durch einen FeSi Polarisator am Eingang
      des Spektrometers
  • Querschnitt des Neutronenleiters: 6 cm x 6 cm
  • max. Probengröße: 3 cm x 3 cm
  • Kollimation: Durch Quelle und Probe oder Drahtkollimatoren 0.5° x 0.5°

Analysator:

  • 30 cm x 30 cm CoTi Superspiegel Venetian blind

Detektor

  • 3He Detetor mit 32 × 32 Pixeln von 1 cm2

Instrumentverantwortlicher

Dr. Olaf Holderer
Telefon: +49 (0)89 289-10707
E-Mail:

Dr. Oxana Ivanova
Telefon: +49 (0)89 289-10730
E-Mail:

J-NSE
Telefon: +49 (0)89 289-14903

Betreiber

JCNS

Publikationen

Finden Sie alle aktuellen Publikationen zu J-NSE in unserer Publikationsdatenbank iMPULSE:

impulse.mlz-garching.de

Zitierung Instrument

Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. (2015). J-NSE: Neutron spin echo spectrometer. Journal of large-scale research facilities, 1, A11. http://dx.doi.org/10.17815/jlsrf-1-34

Zitat bitte stets einschließlich DOI.

Galerie

J-NSE
J-NSE

Probenort am J-NSE-Instrument, Vorderansicht. © W. Schürmann, TUM

Abbildung1
Abbildung1

Intermediäre Streufunktion S(q,tau) einer bikontinuierlichen Mikroemulsion.

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