TOPAS (im Aufbau)

Thermisches Flugzeitspektrometer mit Polarisationsanalyse

TOPAS Schema

TOPAS wird das neue thermische Flugzeitspektrometer, ausgestattet mit Polarisationsanalyse. Es ist auf eine hohe Intensität bei guter Energieauflösung optimiert.

Ein 45 m langer elliptischer Neutronenleiter fokussiert die Neutronen auf die Probe. Neben dem möglichst verlustarmen Neutronentransport ist die Realisierung eines niedrigen Untergrundniveaus das zweite Designkriterium. Dazu wird die direkte Sicht auf den Reaktorkern vermieden und der Neutronenleiter lediglich so weit auf der Seite des Reaktorkerns geöffnet, dass nur nutzbare Neutronen ans Instrument transportiert werden.

Das Choppersystem besteht aus zwei Fermi-Choppern, die sehr kurze Neutronenpulse selbst für große Leiterquerschnitte definieren können. Diese Anforderung ergibt sich aus der elliptischen Form des Neutronenleiters. Zusätzlich ermöglichen Fermi-Chopper sehr hohe Wiederholraten von bis zu 900 Hz. Da TOPAS mit thermischen Neutronen arbeitet, können diese Wiederholraten auch ausgeschöpft werden. Das Choppersystem wird durch einen zusätzlichen Scheiben-Chopper komplettiert, der Neutronen mit falscher Geschwindigkeit aus dem Spektrum herausfiltert.

Der Neutronenstrahl kann durch eine kontinuierlich betriebene ³He-Spinfilterzelle polarisiert werden, wodurch die Polarisationseffizienz konstant bleibt. Die Anzahl von Neutronenfenstern ist minimiert, um den Untergrund durch parasitäre Streuung niedrig zu halten. Die Probenumgebung und der Flugweg befinden sich im gemeinsamen Vakuum der TOPAS-Kammer (76 m³), was Tiefsttemperaturanwendungen erlaubt. Eine neuartige Mechanik kommt zum Einsatz, um die Probenumgebung in der Probenkammer (0,3 m³) trotzdem schnell und flexibel zu wechseln. Probendrehungen von bis zu 360º ermöglichen Messungen der vollständigen Dispersionsrelationen in einkristallinen Materialien.

Der Detektor besteht aus 288 ortsempfindlichen ³He-Zählrohren, die einen Raumwinkel von 2,33 Steradiant abdecken. Die Auflösung der Zählrohre von 20 × 20 mm² ist perfekt an die Divergenz angepasst, die durch den Neutronenleiter transportiert wird.

Typische Anwendungen

Die inelastische Streuung thermischer Neutronen liefert Informationen über einen weiten Bereich der Anregungsenergien und –ausbreitung in kondensierter Materie. In der Flugzeitspektroskopie enthüllt die Messung der Flugzeit die Energie, während die Richtung, in die gestreut wird, mit der Ausbreitung verknüpft ist. Durch Messungen an Einkristallen untersucht man gleichzeitig den Q-, ω-Raum und bestimmt direkt die Dispersionsrelationen, da der Detektor einen großen Raumwinkelbereich abdeckt.

Aus diesem Grund eignet sich TOPAS für vielfältige Anwendungen, vor allem bei der Untersuchung neuartiger Materialien:

Vollständige Bestimmung der Dispersionsrelationen in korrelierten Elektronensystemen mit einem Schwerpunkt auf magnetische Anregungen
Messungen der Phononzustandsdichte als Test der Molekulardynamik molekularer Festkörper
Einfluss der endlichen Größe und reduzierten Dimensionalität auf die Dynamik von Nanopartikeln
Protonendynamik von Hydriden zur Anwendung in Energiematerialien

Für viele dieser Fragestellungen ergeben sich völlig neue Möglichkeiten durch die Polarisationsanalyse, z. B. die eindeutige Identifizierung und Charakterisierung von magnetischen Anregungen oder die Separation der spin-inkohärenten Streuung in Materialien mit hohem Wasserstoffanteil.

Technische Daten

Primärstrahl