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Experimentelle Methoden

Verschiedene Längen- und Zeitskalen Verschiedene Längen- und Zeitskalen Verschiedene Längen- und Zeitskalen, die von verschiedenen Instrumenten gemessen werden können (Foto: Karin Griewatsch, Christian-Albrechts-Universitaet zu Kiel, KFN).

Verschiedene Längen- und Zeitskalen, die von verschiedenen Instrumenten gemessen werden können (Picture: Karin Griewatsch, Christian-Albrechts-Universitaet zu Kiel, KFN).

Wenn ein Neutronen auf eine Probe trifft, können folgenden Prozesse ablaufen:

  • Streuung (Das Neutron ändert seine Flugrichtung und gegebenenfalls seine Energie/ Geschwindigkeit.)
  • Absorption (Das Neutron wird von der Probe absorbiert.)
  • Transmission (Das Neutron geht ohne Wechselwirkung durch die Probe hindurch.)

Die verschiedenen Wechselwirkungsprozesse werden bei diversen zerstörungsfreien analytischen Techniken ausgenutzt. Dabei werden verschiedene optimierte Instrumente verwendet, um Strukturen auf unterschiedlichen Längenskalen sowie Bewegungen oder Abläufe auf unterschiedlichen Zeitskalen zu messen (Abbildung, oben).

Elastische Streuung

Wenn Neutronen an Kernen oder magnetischen Momenten in Proben ohne Änderung ihrer Energie gestreut werden, wird der Streuprozess als „elastisch“ bezeichnet. Diffraktometer und Neutronenstreuinstrumente für elastische Streuung bestimmen den Winkel unter dem die gestreuten Neutronen abgelenkt werden. Dies liefert strukturelle Informationen über Atompositionen, Gittermatrix und Symmetrie, eine mögliche magnetische Ordnung oder Informationen über größere Strukturen. Instrumente für diese Untersungen sind:

  • Einkristalldiffraktometer (RESI, HEiDi, POLI, BIODIFF, MIRA)
  • Pulverdiffraktometer (SPODI, POWTEX)
  • Materialwissenschafts-Diffraktometer (STRESS-SPEC)
  • Kleinwinkelstreu-Anlagen (SANS-1, KWS 1, KWS 2, KWS 3)
  • Reflektometer (REFSANS, MARIA, NREX)

Inelastische Streuung

Tritt bei dem Wechselwirkungsprozess zwischen einem Neutron mit einem Atomkern in der Probe eine Energieänderung auf und wird während des Prozesses ein Phonon erzeugt (Energiegewinn) oder absorbiert (Energieverlust), so wird der Streuprozess als inelastisch bezeichnet. Instrumente, die die Eigenschaften der Probe als Funktion der Neutronenenergie untersuchen, werden im Allgemeinen Spektrometer genannt. Diese Instrumente liefern Informationen über die orts- und zeitaufgelöste Bewegung von Teilchen sowie deren magnetische Ordnung in einer Probe. Typische Beispiele sind:

  • Drei-Achsen-Spektrometer (MIRA, PANDA, PUMA, TRISP, KOMPASS)
  • Flugzeitspektrometer (DNS, TOF-TOF, TOPAS)
  • Rückstreuspektrometer (SPHERES)
  • Spin-Echo-Spektrometer (J-NSE, Reseda, MIRA)

Bildgebende Verfahren und Analyse

Radiographie Radiographie Polarisierte Radiographie des magnetischen Streufelds eines Permanentmagneten (Foto: ANTARES, FRM II).

Bildgebende Verfahren detektieren alle Neutronen, die eine Probe passieren, d.h. alle Neutronen, die nicht aus dem Strahl durch Absorptions- oder Streuprozesse entfernt werden. Radiographie- (2-dimensionale) oder Tomographie- (3-dimensionale) Aufnahmen von verschiedenartigsten Objekten liefern dabei Informationen über die inneren Strukturen.

  • Radiographie. und Tomographie-Anlagen (ANTARES, NECTAR)

Prompte Gamma-Aktivierungs-Analyse (PGAA) und Neutronen-Aktivierungs-Analyse (NAA) sind nukleare Analyseverfahren. Nach Einfang eines Neutrons durch den Atomkern in einer Probe wird prompte oder verzögerte Gammastrahlung mit einer vom Isotop abhängigen, spezifischen Energie emittiert. Ihr Nachweis kann für die zerstörungsfreie, hochempfindliche Isotopenanalyse für eine große Vielfalt von Materialien verwendet werden.

  • Neutronen-Aktivierungs-Analyse (NAA) / Prompte Gamma-Aktivierungs-Analyse (PGAA)

Kern-und Teilchenphysik

Experimente auf dem Gebiet der Kern- und Teilchenphysik geben Informationen über fundamentale Wechselwirkungen von Teilchen sowie deren zugrunde liegenden Symmetrien.
Experimente, bei denen das Neutron Untersuchungsobjekt selbst ist, liefern genauere Informationen über das Gewicht, die Lebensdauer, die Gravitationsmasse sowie das Dipolmoment des Neutrons.
Die genaue Kenntnis dieser grundlegenden Größen sowie deren Fehler ist wichtig, um bestehende Theorien in der Physik zu untersuchen und zu verbessern.

  • Kern-und Teilchenphysik (Mephisto, UCN, EDM, …)

Positron-Techniken

Positrons

Analyseverfahren unter Verwendung von Positronen, basieren auf dem Prinzip, dass Positronen nach dem Eindringen in Materie mit einem Elektron entweder direkt nach kurzer Zeit oder nach Einfang in Kristalldefekten oder an der Oberfläche vernichtet (annihiliert) werden und dabei Gammastrahlung freisetzen. Diese Methode wird für Untersuchungen im Bereich der Festkörper-und Oberflächenphysik sowie für die Grundlagenforschung in der Kern-und Teilchenphysik verwendet.

  • Positronenstrahl-Anlage (NEPOMUC)
Neutronenleiterhalle West Neutronenleiterhalle West Neutronenleiterhalle West mit den Instrumenten BIODIFF, DNS, J-NSE, KWS-1, KWS-2, KWS-3, MARIA, MIRA, NREX, PGAA, REFSANS, RESEDA, SANS-1, SPHERES, TOFTOF und KOMPAS. KOMPASS ist im Bau (Foto: W. Schürmann, TUM).

Neutronenleiterhalle West mit den Instrumenten BIODIFF, DNS, J-NSE, KWS-1, KWS-2, KWS-3, MARIA, MIRA, NREX, PGAA, REFSANS, RESEDA, SANS-1, SPHERES, TOFTOF und KOMPAS. KOMPASS ist im Bau (Foto: W. Schürmann, TUM).

Experimentierhalle Experimentierhalle Experimentierhalle mit den Instrumenten ANTARES, HEIDI, MEDAPP, NECTAR, NEPOMUC, PANDA, PUMA, POLI, RESI, SPODI, STRESS-SPEC, TRISP, UCN. UCN ist im Bau (Foto: W. Schürmann, TUM).

Experimentierhalle mit den Instrumenten ANTARES, HEIDI, MEDAPP, NECTAR, NEPOMUC, PANDA, PUMA, POLI, RESI, SPODI, STRESS-SPEC, TRISP, UCN. UCN ist im Bau (Foto: W. Schürmann, TUM).

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