● Grundlagen● Eigenschaften & Vorteile● Messgrößen

● Aufbau● Historie● Erzeugung● Präparation● Detektoren

– Diffraktometer

Inhalt

NeutronenStreuung

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● detaillierte Eigenschaften auf atomarer Ebene● n- & Röntgen-Streuung wichtigste Methoden● Vorteile n-Streuung:

● reagieren mit Atomkern● leichtere Atome: stärkere Resonanz als Röntgen● unterscheidet: ähnliche Ordnungszahlen● unterscheidet: Isotope● n kleine Energie ~ elementare Anregung → Dynamik● kleine Schäden (Bio)

Grundlagen

Einführung

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● Vorteile …● hohe Eindringtiefe● magnetisches Moment

● langsame n● m = 1,675 * 10-27 kg● 1 meV = 0,242 Thz = 8,07 cm-1 = 11,6 K = 17,3 T●

●

Grundlagen

Einführung

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p⃗=ℏ k⃗∣k∣=2πλ

● Messgröße: Wahrscheinlichkeit● Streuvektor: ● Energieübertrag:

● elastische Streuung: ħω = 0 →

● inelastische Streuung:● q: elementare, zu bestimmende Anregung

● genaueste exp. Methode, um zu vermessen

Grundlagen

Grundlegende Prinzipien

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P ( k⃗− k⃗ ' )Δ p⃗=ℏ Q⃗=ℏ( k⃗− k⃗ ' )

Δ E=ℏω= ℏ2

2m(k 2−k ' 2)∣⃗k∣=∣⃗k '∣

Q⃗=( k⃗−k⃗ ' )=τ⃗Q⃗=τ⃗+q⃗

ℏ ω(q⃗ )

●

●

● Fermis Goldene Regel● Größenordnung: 10-24 cm² = 1 barn● komplexe Größe, Im → Absorption

Grundlagen

WirkungsQuerschnitt

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σ∼Anzahl der auslaufenden n innerhalb [ω ,ω+d ω]Anzahl der einlaufenden n

⋅1

(Zeit )⋅(Raumwinkel )

● erste n Quelle: natürliche α-Strahler und Be● Kernreaktoren● gepulste Quellen

● Zyklotron● e- - Beschleuniger

● heute: ProtonenBeschleuniger (1017 n / cm² / s)● Zukunft: vielleicht Fusion

Aufbau

Historie

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● Fluss, Luminosität (N / cm² / s)● Wärmeentwicklung

Aufbau

Qualität des Experiments

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Aufbau

KernAufsplitterungs-Quellen

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Spaltung

verdampfen

angeregterZerfall

● H-

● Linac ~ β = 0,9● Kohlenstoffschicht → p● in Ring gespeichert → Bunches

● 10 – 100 Hz● Target (flüssiges Metall) → n

● P ~ MW● Moderator: MeV → meV (H2O, D2O)

● RT ~ 1 ÅAufbau

Spallations-Quellen

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● n werden isotrop abgestrahlt● Schirmung, Blende● Neutronen-Reflektor

● Monochromator● time of flight● Kristall● drehender Kristall

● n haben Spin● müssen polarisiert werden

Aufbau

Instrumente

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● n haben Spin...● Bragg-Reflexion: magnetische Streuamplitude

– Kristalle, z.B. Cu2MgAl → 95 % polarisiert– Spiegel → > 95 %

● Filter– 3He → bis zu 80 %– benötigt B-Feld

● Spin-Flip● alle Mechanismen zur Präparation können auch

zur Analyse verwendet werden

Aufbau

Instrumente

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● Detektion von Neutronen durch Kernreaktionen● Ionisierungsstrahlung● Ionisierung von Teilchen● Gasrohr mit 3He-Isotop● Anliegende Spannung ~1800V

● Gain 105

● Langsame Antwortzeiten Nicht gut für hohe Zählraten

Aufbau

Detektoren

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●ScintillatorenZnS dotiert mit 6LiBei eindringen von Neutronen PhotoemissionMessung durch Photomultiplier

Aufbau

Detektoren

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Pulverdiffraktometrie● Streuung der Neutronen an dem zu

untersuchenden Pulver● Alle möglichen Orientierungen der Netzebenen● ADP (angular dispersive method)● EDP (Energy dispersive method)

Aufbau

Diffraktometer

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Einkristall-Diffraktion● Mehr Informationen als bei Pulverdiffraktiometer● Probe kann kontrolliert mit allen drei Eulerwinkeln

ausgerichtet werden (Bragg-Bedingung)

Aufbau

Diffraktometer

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Flugzeitdiffraktometer (Time-of-Flight)● Monochromatische Neutronen werden in Pakete

„gehakt“● Flugzeit + Winkel werden gemessen● Informationen über Streuprozesse höherer

Ordnung

Aufbau

Diffraktometer

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Triple-Axis-Spectrometer● Genaue Einstellung der Wellenvektoren● Kontrollierte Aufnahme der Dispersionsrelation

möglich

Aufbau

Diffraktometer

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Weitere● Backscattering Spectrometer● Small Angle Scattering● Spin-Echo Spectrometer● Reflectometer

Aufbau

Diffraktometer

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Weitere Variablen● Temperatur● Äußeres Magnetfeld● Druck● Äußeres Elektrisches Feld

Aufbau

Diffraktometer

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WirkungsquerschnittEinatomige Basis

Mehratomige Basis

Aufbau

Strukturfaktor

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d σdΩ

=N 0(2π)3

V 02∑

τ∣S τ∣

2δ(Q−τ)

d σdΩ

=N 0(2π)3

V 02∑

τδ(Q−τ)

S τ=∑dbd e

i τd

Mit Deuterium versetzte Terephthalsäure

Resultate der Neutronendiffraktion● Größe, Form der Einheitszelle● Informationen über Position der Atome in einer

Einheitszelle● Auslenkung der Atome

Aufbau

Strukturfaktor

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● Neutron Scattering inCondensed Matter Physics,Furrer, World Scientific

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!

Quellen

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