Neutronenoptik

Die Gruppe Neutronenoptik erforscht und entwickelt neutronenoptische Bauelemente und stellt sie für den Bedarf im Hause her. Dafür betreibt sie eine Sputteranlage und den Spiegelmessplatz V 14. Im Rahmen des Technologietransfers wurden Verträge zwischen dem Helmholtz-Zentrum Berlin und der Firma NOB Neutron Optics Berlin GmbH abgeschlossen, die eine Vermarktung der in der Arbeitsgruppe erarbeiteten Ergebnisse ermöglichen. Im Folgenden werden die wichtigsten Bauelemente vorgestellt.

Polarisierende Fe-Si Neutronensuperspiegel

Diese Systeme bestehen aus einigen hundert dünnen Schichten aus Silizium und Eisen, deren Dicken zwischen 50 Å und 800 Å liegen, und werden in einer Sputteranlage auf Substrate aus Glas oder Silizium aufgebracht. Sie reflektieren diejenige Spinkomponente eines Neutronenstrahls, die parallel zu einem Magnetfeld steht und transmittieren die antiparallele Komponente.

Polarisierender Co-Cu Neutronensuperspiegel

Erstmalig wurden polarisierende Co-Cu Neutronensuperspiegel hergestellt, die die spin down-Komponente eines Neutronenstrahls reflektieren, während alle anderen polarisierenden Superspiegel die spin up-Komponente reflektieren.

Strahlteiler und  cavity

Werden die polarisierenden Superspiegel auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht und in einen Neutronenstrahl gestellt, können die reflektierte wie auch die transmittierte Strahlkomponente genutzt werden. In der sogenannten cavity stehen die beschichteten Substrate in einem Neutronenleiter. Hier wird nur die transmittierte Komponente genutzt, während die reflektierte Komponente im Neutronenleiter absorbiert wird.

Festkörperbauelemente

Ein wesentlicher Fortschritt wurde durch die Entwicklung von neutronenoptischen Bauelementen erzielt, in denen die Neutronen in dünnen Scheiben aus einkristallinem Silizium (Siliziumwafer) geführt werden. In dieser Bauform wurden polarisierende Bender und Kollimatoren hergestellt. Die Vorteile dieser Festkörperbauelemente liegen in der einfacheren mechanischen Handhabung und den wesentlich geringeren Abmessungen. So konnte der Platzbedarf längs des Strahls für die Polarisation eines 6 cm breiten Neutronenstrahls von 9 m auf 7.5 cm reduziert werden.

Neue Bauform von Bendern

Es wurden als Festkörperbauelemente Bender hergestellt, die entweder, wie die klassische Bauform mit Kanälen, die durch verspiegelte Gläser begrenzt sind, eine Spinkomponente ablenken und die andere absorbieren, oder als Spinsplitter die beiden Komponenten unter unterschiedlichen Winkeln transmittieren. Das letzte System hat kein klassisches Analogon. Mit den bisher gebauten Bendern wurden bei Neutronen der Wellenlänge 5 Å Transmissionen bis zu von 65% und eine Polarisation bis zu 95% erzielt. In Bendern werden Neutronen aller Wellenlängen oberhalb einer Grenzwellenlänge polarisiert. Unterhalb dieser Grenzwellenlänge werden sie mit abnehmender Intensität, aber gleicher Polarisation transmittiert.

S-Bender

Kürzlich wurde ein S-förmiger Bender gebaut. Er war für eine Wellenlänge von 3.5 Å konstruiert und zeigt bei 4.4 Å eine Transmission von 65% und eine Polarisation von 98%.

Neue Bauform von Kollimatoren

Ebenfalls aus Siliziumwafern wurden Kollimatoren hergestellt, indem auf das Silizium eine absorbierende Schicht aufgebracht und mehrere wafer nebeneinander in den Neutronenstrahl gestellt wurden. Dieses System zeigt für verschiedene Einfallswinkel die bekannte dreiecksförmige Transmissionsfunktion der  herkömmlichen Kollimatoren. Wie auch bei den Bendern sind Länge und Gewicht dieser Kollimatoren wesentlich kleiner. Die Verwendung der Siliziumwafer erlaubt es, die Kanalwände erst mit einer reflektierenden und dann mit einer absorbierenden Schicht zu belegen. Wird der Totalreflexionswinkel der ersten Schicht so gewählt, dass er halb so groß ist, wie die Breite des maximalen Kollimatorwinkels, wird eine rechteckige Transmissionsfunktion mit der Breite der Dreiecksbasis erreicht und damit eine Verdopplung der transmittierten Neutronen.

Fokussierende Systeme

Seit einigen Jahren werden Systeme entwickelt, die es erlauben, Neutronenstrahlen zu fokussieren. Das erste System beruht auf Reflexion und ist daher achromatisch. Hier werden die Neutronen wieder in gebogenen Siliziumwafern verschiedener Länge geführt, die beidseitig spiegelnd beschichtet sind. Damit wird der gesamte in einem Neutronenleiter transportierte Strahl fokussiert. Bei Fokussierung in einer Dimension wurden eine Fokusgröße von 2 mm und eine Intensitätssteigerunge auf das Fünffache erreicht. Das zweite System beruht auf der Brechung an Prismen und ist daher chromatisch. Durch Anordnung der Prismen in unterschiedlich langen Reihen kann die Fokussierung eines parallelen Strahls erreicht oder eine Quelle abgebildet werden. Mit einer solchen Anordnung wurde ein Schlitz abgebildet, so dass innerhalb der Halbwertsbreite von 0.35 mm ein Intensitätsgewinn von einem Faktor 7.9 gegenüber der Intensität an diesem Ort ohne Linse erreicht wurde.

Energieanalyse

Ein System aus Prismen gleicher Länge lenkt Neutronen unterschiedlicher Wellenlänge in verschiedene Winkel ab und erlaubt dadurch eine Energieanalyse. Mit einem solchen System konnte ein Wellenlängenband von 2 Å – 8 Å aufgespalten werden. Bei 6.7 Å betrug die Auflösung 5%.