MLZ is a cooperation between:

Technische Universität München> Technische Universität MünchenHelmholtz-Zentrum Geesthacht> Helmholtz-Zentrum GeesthachtForschungszentrum Jülich> Forschungszentrum Jülich
Logo

MLZ

Lichtenbergstr.1
85748 Garching

SPHERES

Rückstreuspektrometer

SPHERES SPHERES

SPHERES (Spektrometer für hohe Energieauflösung (SPectrometer for High Energy RESolution)) ist ein Rückstreuspektrometer der dritten Generation mit fokussierender Optik und einem Phasenraumtransformations-Chopper. Es ist geeignet für Untersuchungen atomarer und molekularer Dynamik auf einer GHz Skala.

Die nötige Selektion der Neutronenenergien wird durch Bragg-Reflexion an perfekten Monochromator- und Analysatorkristallen unter Winkeln nahe 180° erreicht. Die Rückstreugeometrie macht es unvermeidlich, den primären Strahl abzulenken und einen Duty-Cycle-Chopper zu verwenden. In SPHERES sind diese beiden Funktionen in einem Chopper realisiert, der die Deflektorkristalle auf seinem Rand trägt. Dies führt zu einem besonders kompakten Spektrometerlayout, so dass der fokussierende Neutronenleiter gut genutzt werden kann. Als ein zusätzlicher Vorteil wird durch die schnelle Bewegung der Deflektorkristallen eine Phasenraumtransformation des primären Spektrums erreicht, wodurch der Fluss an der Probe erhöht wird.

Die wichtigsten Kenngrößen (spektraler Fluss, Auflösung, Dynamikbereich, Signal-zu-Rausch-Verhältnis, siehe Abb. 1) zeichnen SPHERES als eines der besten seiner Klasse aus [1]. Zählraten und Signal-zu-Rausch-Verhältnis wurden durch die Flutung des gesamten Instruments mit Argon verbessert, wodurch die Streuung an Luft im Sekundärspektrometer vermieden wird. Ein weiterer Gewinn an Fluss wird durch einen effizienteren Phasenraumtransformations-Chopper erreicht werden, der sich derzeit in der Inbetriebnahme befindet. Der neu entwickelte Chopper wird durch die optimierte Rotationsgeschwindigkeit und höhere Reflektivität und Mosaizität der Graphitkristalle effizienter. Die Auflösung der kleinen Winkeldetektoren wurde durch eine Verringerung des Azimutwinkelbereichs der Analysatoren verbessert [2].

Als Multi-Detektor-Instrument mit gelockerter Winkelauflösung ist SPHERES besonders geeignet für die Untersuchung von Bewegungen durch inkohärente Streuung. Ein Thema ist die Dynamik von Wasser in eingeschränkter Geometrie. Die beispiellose Empfindlichkeit von SPHERES hilft uns, den Anfang der quasielastischen Streuung tief im unterkühlten Zustand zu erkennen [3]. Die hohe Auflösung des Spektrometers erlaubt es, die Dynamik von Wasser in begrenzter Geometrie zu untersuchen. Die beispiellose Empfindlichkeit von SPHERES hilft, den Beginn der quasielastischen Streuung tief im unterkühlten Zustand zu erkennen [4]. Weitere wichtige Anwendungen sind Hyperfeinaufspaltung in magnetischen Materialien [5] und Rotations-Tunneln [6]. Die hohen Zählraten ermöglichen inelastische Temperatur-Scans [7] (Abb. 2) und kinetische Experimente in Echtzeit [8].

Rohdaten-Histogramme werden auf einem äquidistanten ω Raster akkumuliert. Ein Skript basiertes Programm, SLAW [9], ermöglicht es, die Rohdaten zu normalisieren, optionales Binning durchzuführen und S(q, ω) in einer Vielzahl von Formaten auszugeben, so dass die Benutzer nicht an ein spezielles Daten-Analyse-Programm gebundenen sind. Für die Datenauswertung ist es wichtig, die theoretischen Modelle mit der gemessenen Auflösungsfunktion in einer effizienten und numerisch stabilen Weise zu falten, was durch das FRIDA Paket unterstützt wird [10].

[1] Wuttke, J. et al., Rev. Sci. Instrum. 83, 075109 (2012).
[2] Wuttke, J. , Zamponi, M., Rev. Sci. Instrum. 84, 115108 (2013).
[3] Gallat, F.-X. et. al., J. Am. Chem. Soc. 134, 13168 (2012).
[4] Doster, W. et al., Phys. Rev. Lett. 104, 098101 (2010).
[5] Chatterji, T. at al., Phys. Rev. B 78, 012411 (2008).
[6] Bator, G. et al., Chem. Phys. 410, 55 (2013).
[7] Häußler, W. et al., Neutron News 22, 24 (2011).
[8] Leon, A., Wuttke, J., J. Phys.: Condens Matter 23, 254214 (2011).
[9] Wuttke, J.: SLAW – a neutron histogram to scattering law converter, http://apps.jcns.fz-juelich.de/slaw
[10] Wuttke, J.: FRIDA – fast reliable interactive data analysis, http://apps.jcns.fz-juelich.de/doku/frida/start

Typische Anwendungen

• Hyperfeinaufspaltung
• Molekulare Reorientierungen und Rotations-Tunneln
• Dynamische Signatur von Phasenübergängen
• Wasserstoff Diffusion
• Dynamik in Flüssigkeiten
• Polymer Relaxation
• Protein-Aggregation

Probenumgebung
  • Kryo-Ofen 3..700 K
  • Dilution inset 20 mK
  • Ofen
Technische Daten

Primärstrahl

  • Neutronenleiter: NL6-S
  • Neutronenwellenlänge: 6.27 Å
  • Neutronenenergie: 2.08 meV

Parameter

  • Auflösung FWHM: 0.62 – 0.65 µeV
  • Dynamischer Bereich: ± 31 µeV
  • Q-Bereich: 0.2 – 1.8 Å-1
  • Neutronenfluss nach dem Selektor: 1010 s-1
  • Neutronenfluss an der Probe: 8 ·106 s-1
  • Bestrahlter Bereich: 40 × 30 mm2

Instrumentverantwortliche

Dr. Michaela Zamponi
Telefon: +49 (0)89 289-10793
E-Mail:

Dr. Marina Khaneft
Telefon: +49 (0)89 289-11676
E-Mail:

SPHERES
Telefon: +49 (0)89 289-14875

Betreiber

JCNS

Publikationen

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

impulse.mlz-garching.de

Zitierung Instrument

Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. (2015). SPHERES: Backscattering spectrometer. Journal of large-scale research facilities, 1, A30. http://dx.doi.org/10.17815/jlsrf-1-38

Zitat bitte stets einschließlich DOI.

Galerie

SPHERES
SPHERES
© Andreas Heddergott/ TU Muenchen
Auflösung am SPHERES
Auflösung am SPHERES

Abbildung 1: Eine Auflösung von 0,65 UEV, ein dynamischer Bereich von ± 31 μeV,
und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 1000: 1 oder besser werden routinemäßig
erreicht in User-Experimenten [5].

Unelastischer Temperaturscan
Unelastischer Temperaturscan

Abbildung 2: Der inelastische Temperatur-Scan, während 23 h gemessen,
offenbart einen bisher unbekannten Phasenübergang in Mg(NH3)6Cl2 [5].

MLZ is a cooperation between:

Technische Universität München> Technische Universität MünchenHelmholtz-Zentrum Geesthacht> Helmholtz-Zentrum GeesthachtForschungszentrum Jülich> Forschungszentrum Jülich