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85748 Garching

J-NSE “PHOENIX”

Neutronen Spin Echo Spektrometer

Schema Schema © FZJ
© FZJ

Im letzten Messzyklus 2017 ging das runderneuerte J-NSE (“PHOENIX”) wieder mit neuen supraleitenden Spulen in Betrieb, die eine optimierte Form des Magnetfeldes bereitstellen, sowie mit neuen Zusatzspulen und Hilfsnetzteilen. Die Auflösung wurde so um den Faktor 2.5 erhöht.

Beschreibung:
Die Neutronen-Spin-Echo-Technik verwendet den Neutronenspin als Indikator für die Geschwindigkeitsänderung, die ein individuelles Neutron während eines Streuprozesses in der Probe erfährt. Die Neutronen als individuelle Stoppuhren zu verwenden erlaubt es, ein breites Wellenlängenband (einfallende Wellenlängenverteilung) zu akzeptieren und trotzdem empfindlich auf relative Geschwindigkeitsänderungen bis zu 10-5 zu sein. Die Geschwindigkeitsinformation tragen die Spins als Intensitätsmodulation proportional zum Cosinus der Differenz der Präzessionswinkel vor und nach der Streuung. Das gemessene Signal ist die Intermediäre Streufunktion, d.h. die Cosinus-Fouriertransformierte S(Q, τ) der Streufunktion S(Q, ω) für kleine Geschwindigkeitsänderungen (bzw. Energiedifferenzen) und eine symmetrische Streufunktion. 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. Die Fourierzeit ist proportional zu J × λ3. Die supraleitenden Hauptspulen des J-NSE können ein maximales Feldintegral von J = 1.5 Tm erzeugen, das momentan installierte Korrekturspulen-Setup zusammen mit den neuen Hauptspulen erlaubt Experimente mit τ = 100 ns bei λ = 8 Å, was J=1 Tm entspricht.

Im große Upgrade 2017 wurde das Instrument mit supraleitenden Hauptspulen ausgerüstet, die das erreichbare Feldintegral um den Faktor 3 erhöhen im Vergleich zu den vorherigen normalleitenden Kupferspulen. Die Feldform der neuen Hauptspulen ist so optimiert, dass die geforderte Feldhomogenität für verschiedene Neutronenpfade durch das Spektrometer bestmöglich erreicht wird. Dadurch wird im Vergleich zum alten Setup der Bereich mit akzeptabler Feldhomogenität um den Faktor 2.5 erweitert. Mit diesem neuen Setup werden Fourier Zeiten bis zu 500 ns für Nutzerexperimente zugänglich sein, oder die Intensität (und damit die Statistik) kann durch die Verwendung kürzerer Wellenlängen bei gegebenem Zeitbereich erhöht werden.

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 Polymerkette in Lösung (PEP in deuteriertem Dekan) ist in Abb.1 zu sehen, wo die Segmentdynamik der Gaussschen Polymerkette gemessen wird. Eine repräsentative Spin-Echo Gruppe zeigt die rechte Seite von Abb. 1 für τ= 80 ns bei λ = 8 Å, was nur dank des Intrument-Upgrades erreichbar ist. Die normalisierte Amplitude der Spin-Echo Gruppe ist die intermediäre Streufunktion an diesem Punkt.

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

Instrument Parameters
• Polarisierter Neutronenfluss am Probenort (10% Selector)
o 7 Å: 1·107 n cm-2 s-1
o 12 Å: 6.8·105 n cm-2 s-1
• Impulsübertragsbereich: 0.02 – 1.8 Å-1
• Fourier Zeitbereich: 2 ps (4.5 Å) < τ < 500 ns (16 Å)
• Max. Feldintegral: 1.2 Tm
• Nutzbare max. Fourierzeit: 100ns×(λ/8Å)2 für λ > 6 Å ; 45ns × (λ/6Å)3 λ <6 Å
• Streuwinkel: 2.50 < Φ < 850
Primärstrahl
• Neutronenleiter NL2a
• Polarisation: * FeSi m=5 single reflection Polarisator am Eingang des Spektrometers
• Leiterquerschnitt: 6 cm × 6 cm
• Max. Probengröße: 3 cm × 3 cm
• Kollimation: Durch Quelle und Probe 0.5° × 0.5°
Analysator
• 30 × 30 cm2 CoTi Superspiegel Venetian blind
Detektor
3He Detektor mit 32 × 32 1 cm² Pixeln

Instrumentverantwortlicher

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

Dr. Stefano Pasini
Telefon: +49 (0)89 289-54810
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

Phoenix
Phoenix

Jetzt noch cooler: das J-NSE mit supraleitenden Spulen. © Olaf Holderer, JCNS

Abbildung1
Abbildung1

Intermediäre Streufunktion einer Polymerkette in Lösung vor (rot) und nach (blau) dem Instrument-Upgrade bei der gleichen Wellenlänge mit erweitertem Fourier Zeitbereich. Rechts: Echo Gruppe bei einer Fourier Zeit von 80 ns (8 Å), die jetzt nur dank der neuen supraleitenden Spulen bei dieser Wellenlänge erreichbar ist. © Olaf Holderer / JCNS

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