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PUMA

Thermisches Dreiachsenspektrometer

PUMA PUMA

Das thermische Dreiachsenspektrometer PUMA wird vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen in Kooperation mit dem Physik Department der Technischen Universität München betrieben. Dreiachsenspektrometer sind flexibel einsetzbare Geräte, die die direkte Messung der Streufunktion S(Q,ω) an wohldefinierten Punkten im reziproken Gitter und für dezidierte Frequenzen erlauben.

Das Instrument PUMA wird durch einen hohen Neutronenfluss charakterisiert, der aus dem effizienten Einsatz von Fokussierungstechniken bei der Neutronenstrahlführung resultiert. Die Größe des Primärstrahls vor dem Monochromator kann durch eine Horizontalblende variabel bis zu einem Öffnungswinkel von 40 mm definiert werden. Der Untergrund aufgrund von epithermischen Neutronen kann durch einen Saphirfilter, der automatisch vor dem Monochromator in den Strahl gefahren werden kann, effizient reduziert werden. Die rechnerkontrollierte Wechseleinheit des Monochromators, die für vier Monochromatoren ausgelegt ist, ermöglicht die Einstellung eines großen Energieübertragsbereichs am Instrument bis 90 meV. Hochpräzise Maschinenkupplungen zur Befestigung der einzelnen Monochromatoren auf dem Goniometertisch gewährleisten die optimale Justierung nach dem Monochromatorwechsel ohne zusätzliche Nachjustierung. Im Augenblick werden drei Monochromatoren, PG(002), Cu(220) und Cu(111), mit einem Energieübertragsbereich von bis zu 120 meV zur Verfügung gestellt. Auf der Sekundärseite kann die gestreute Strahlung mit einem PG(002) sowie einem Ge(311) Analysator untersucht werden. Alle Kristalleinheiten verfügen über eine doppelt fokussierende Krümmmechanik, um die Fokussierung für unterschiedliche Wellenvektoren automatisch nachzufahren. Diese hochpräzisen Verstelleinheiten wurden in den Werkstätten der Universität Göttingen entwickelt und gebaut. In naher Zukunft soll ein weiterer Monochromator, Si(311), bereit gestellt werden. Die Divergenz des Strahls kann durch den Einsatz von Soller-Kollimatoren variiert werden. Die Einheiten vor und nach dem Monochromator können über rechnergesteuerte Wechseleinheiten automatisch eingefahren werden, die Einheiten vor und nach dem Monochromator werden manuell eingesetzt. Auch hier sorgen die hochpräzisen Halterungen dafür, dass nach Einwechseln der Kollimatoren keine Nachjustierungen des Instruments vorgenommen werden müssen. Die Orientierung der Probe kann über ein Kipp- und Translationsgoniometer (+/- 20°, +/- 12 mm) kontrolliert werden. Dieses hat eine Tragkraft von bis zu einer Tonne und erlaubt den Einsatz von schwerer Probenumgebung. Alternativ dazu kann eine Eulerwiege mit höheren Kippwinkeln zur Verfügung gestellt werden (+/- 90°). Neben der Standardprobenumgebung des FRM II stellt PUMA zwei Closed-Cycle He Kryostate mit einer Basistemperatur von 3.5 K und einen Kryo-Ofen (3.5 K bis 680 K) zur Verfügung.

Eine Besonderheit des Instruments ist die Möglichkeit, stroboskopische, zeitaufgelöste Messungen von elastischen wie inelastischen Signalen mit einer Zeitauflösung von bis zu einer Mikrosekunde durchzuführen. Die Probe wird dabei periodisch durch ein externes Feld (Temperatur, elektrisches Feld oder Druck) gestört. Das zu messende Signal wird dann nicht nur in Abhängigkeit vom Impulsübertrag und der Frequenz aufgenommen, sondern erhält synchron zur Änderung des externen Parameters einen Zeitstempel. Neben der speziellen Detektorelektronik wurden für diese Messungen eigene Probenumgebungen zu den Zyklen der Temperatur, des elektrischen Feldes und des Druckes entwickelt.

Typische Anwendungen

Phonon

  • Elektron/ Phonon Wechselwirkungen
  • Anharmonische Effekte

Magnonen

  • Spinwellen in Antiferromagneten
  • Kinematische/ Dynamische Wechselwirkungen
  • Elektron-Magnon Wechselwirkungen
  • Unkonventionelle Superleiter
  • Kristallfelder

Zeitaufgelöste/ stroboskopische Messungen

  • Temperaturabhängigkeiten (Anregungen während des Entmischungprozesses)
  • Elektrische Felder (Polarisationsprozesse in Ferroelektrika)
  • Druckabhängigkeiten

Diffraktion

  • Superstrukturen/ Satelliten
  • Diffuse Streuung
Probenumgebung
  • Closed-Cycle He Kryostat (3.5 K < T < 300 K)
    • -650 K mit anpassungsfähigem Heizgerät
  • Kryo-Ofen (5 K – 750 K)
  • Druckzelle p < 10 GPa (Paris-Edinbourgh)

Zusammen mit der für zeitaufgelöste Messungen benötigten Detektorelektronik steht eine spezielle Probenumgebung für schnelle Temperaturwechsel zur Verfügung:

  • Ofen für schnelle Temperatursprünge (~ 5 K/s Abkühlungsrate, < 620 K, Raumatmosphäre)
  • Regelbares HV Power Supply (< 500 Hz, ± 10 kV)
Technische Daten

Primärstrahl:

  • Strahlrohr S7 (thermische Neutronen)
  • Strahlrohrquerschnitt: 140 mm x 90 mm
  • Querschnitt der Eingangsblende:
    • Horizontal 0-40 mm
    • Vertikal 90 mm, 110 mm, 130 mm

Abstände:

  • Strahlrohreingang – Monochromator 5.5 m
  • Eingangsblende – Monochromator 2.0 m
  • Monochromator – Probe 2.0 (± 0.1) m
  • Probe – Analysator 1.0 (± 0.1) m
  • Analysator – Detektor 0.9 m

Kollimation:

  • Primärseite (gesteuert von remote):
    • α1: 20’, 40’, 60’
    • α2: 14’, 20’, 24’, 30’, 45’, 60’
  • Sekundärseite (manuell veränderbar):
    • α3: 10’, 20’, 30’, 45’, 60’
    • α4: 10’, 30’, 45’, 60’

Monochromatoren:

  • PG(002), Cu(220), Cu(111), Ge(311); Größe: 260 mm x 162 mm
  • vertikal und horizontal fokussierbar

Analysatoren:

  • PG(002), Ge(311); Größe: 210 mm x 150 mm (horizontal fokussierbar)

Probentisch:

  • Durchmesser 800 mm
  • Maximale Tragfähigkeit 900 kg
  • Nichtmagnetisches Goniometer (± 15° in x- und y-Richtung; ±20 mm in z-Richtung)
  • Alternativ können die Messungen mit einer Eulerwiege durchgeführt werden

Parameter:

  • Winkelbereich des Monochromators -15° < 2q < -115°
  • Streuwinkelbereich -70° < 2q < 120°
  • Streuwinkel des Analysators -120° < 2q < 120°
  • Einfallende Energie 5 meV – 160 meV
  • Impulsübertrag < 12 Å-1
  • Energieübertrag < 100 meV

Weitere Option:

Messungen mit dem Multianalysator/ Multidetektorsystem

  • Messungen von mehreren Punkten im S(Q,w) Raum gleichzeitig
  • Schnelle Messungen von Anregungen in Abhängigkeit von äußeren Feldern (Temperatur, elektr. Feld u.s.w.) zeitaufgelöst als Einzelaufnahmen ohne Nachpositionieren des Instruments

Instrumentverantwortliche

Dr. Jitae T. Park
Telefon: +49 (0)89 289-13983
E-Mail:

Dr. Oleg Sobolev
Telefon: +49 (0)89 289-14754
E-Mail:

PUMA
Telefon: +49 (0)89 289-14914

Kooperationspartner

Götz Eckold (Projektleiter)
Georg-August-Universität Göttingen
Institut für Physikalische Chemie (IPC)
Telefon: +49 (0)551 39-33143
E-mail:

Volker Meyer and staff (Mechanische Werkstatt IPC Göttingen)
Georg-August-Universität Göttingen
Institut für Physikalische Chemie (IPC)
Telefon: +49 (0)551 39-33157
E-mail:

Andreas Knorr and staff (Elektronische Werkstatt IPC Göttingen)
Georg-August-Universität Göttingen
Institut für Physikalische Chemie (IPC)
Telefon: +49 (0)551 39-33159
E-mail:

Betreiber

Uni Göttingen
TUM

Publikationen

Finden Sie alle aktuellen Publikationen zu PUMA in unserer Publikationsdatenbank iMPULSE:

impulse.mlz-garching.de

Zitierung Instrument

Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. (2015).PUMA: Thermal three axes spectrometer. Journal of large-scale research facilities, 1, A13. http://dx.doi.org/10.17815/jlsrf-1-36

Zitat bitte stets einschließlich DOI.

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