Neutronenoptik

Die Neutronenoptik-Gruppe (NOG) ist für die Neutronenleiteranlagen des FRM II zuständig. Unsere Aufgaben umfassen neben Wartungs- und Reparaturarbeiten an den bestehenden Neutronenleitern auch die Beschaffung oder Produktion von neuen Neutronenleiterelementen, Unterstützung bei Beschaffung von Kristallmonochronomatoren und die Bereitstellung von polarisiertem ³He für Neutronenspinfilter. Im Rahmen dieser Aufgaben betreiben wir eine DC-Magnetron-Sputteranlage und in Kooperation mit JCNS das Neutronenreflektometer TREFF.

Mit dem Ziel, mechanischen Stress in den beschichteten Superspiegeln zu reduzieren und damit deren Reflektivität zu erhöhen, wurde der Sputterprozess in den letzten Jahren optimiert. Somit kann die NOG nun Ni/Ti-Superspiegel mit einer Beschichtung von m = 4 herstellen. Für Experimente, die polarisierte Neutronen benötigen, hat die NOG in den letzten Jahren Cu/Ti-Superspiegel mit m = 2 entwickelt, die eine geringe Depolarisierung gewährleisten. Kontrolle über Rauheit, Wachstum und Interdiffusion ermöglichen einen großen Totalreflexionswinkel in den Superspiegeln sowie eine hohe Reflektivität von polarisierten Neutronen. Reflektivitätsmessungen am ILL zeigen, dass die Depolarisationsrate der Cu/Ti-Superspiegel besser als 10^-4 ist.

Alle Arbeitsschritte für die Produktion von Neutronenleiterelementen werden in unseren Laboren durchgeführt. Das Zurichten der Glasplatten erfolgt mit einer Präzisions-Diamantsäge. Die zugesägten Glasplatten werden anschließend in unserer DC-Magnetron-Sputteranlage zu Superspiegeln beschichtet – mit Beschichtungen aus Ni/Ti, NiMo/Ti oder Cu/Ti. Als Substratmaterial wird typischerweise Borofloat³³, Eurofloat oder Silicium verwendet mit einer Maximalfläche von 220 × 1000 mm². Unsere Präzisionswerkbänke ermöglichen den Zusammenbau von geraden oder gekrümmten Neutronenleitern bis zu einer Länge von 2,5 m.
Die Kontrolle der neutronenoptischen Eigenschaften der fertigen Spiegel erfolgt auf unserem Neutronenreflektometer TREFF.
Aus den im Hause gefertigten oder von anderen Herstellern beschafften Leiterelementen werden die Neutronenleiterstrecken für die jeweiligen Instrumente aufgebaut. Für die Ausrichtung der Neutronenleiterelemente verfügen wir sowohl über eine Totalstation als auch über ein Lasertrackersystem. Besonderes Augenmerk verdient darüber hinaus die Optimierung der radiologischen Abschirmung, die in der Neutronenleiterhallen für eine geringe Untergrundstrahlen sorgen.

HELIOS ist eine nach dem MEOP-Prinzip arbeitende Anlage zur Spinpolarisation von ³He Gas, das am MLZ von verschiedenen Instrumenten für Messungen mit polarisierten Neutronen benutzt wird. Ausgestattet mit vier Hochleistungslasern, kann HELIOS in einer Stunde etwa 1 bar∙l ³He polarisieren – mit einer Polarisation von etwa 72%. Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung der HELIOS-Anlage entwickeln wir geeignete Filterzellen für die unterschiedlichen Strahlgeometrien der verschiedenen Instrumente des MLZ und stellen mit den so genannten Magic-Boxen spezielle Umgebungen mit sehr homogenem inneren Magnetfeld für die Filterzellen bereit, um die Depolarisation des ³He möglichst gering zu halten.
Eine weitere Inhouse-Entwicklung stellen die AFP-Spin-Flipper dar (AFP = adiabatic fast passage). Diese vereinen in einem handlichen Gehäuse sowohl die Elektronik zum Generieren des HF-Pulses als auch die Konstantstromversorgung für das Magnetfeld der Magic-Box. Der Strom für das Magnetfeld wird vom Spin-Flipper permanent überwacht, um eine ungewollte Depolarisation des ³HE-Gases zu verhindern. Die Flip-Effizienz der Spin-Flipper erreicht dabei Werte über 0,9999. In Kooperation mit dem ILL versucht die NOG derzeit, diese Effizienzgrenze weiter zu verschieben.

In Zusammenarbeit mit dem JCNS betreiben wir das Neutronenreflektometer TREFF am NL5-S-Neutronenleiter. Über ein PG(002)-Doppelmonochromator mit einem festen Streuwinkel von 90° werden Neutronen mit einer Wellenlänge von λ = 4.74 Å (2.4 Å / PG 004) aus dem weißen Strahl des Neutronenleiters NL5-S ausgekoppelt.
Damit eignet sich TREFF hervorragend zur Charakterisierung von dünnen Multischichten (wie. z.B. Superspiegeln), Mosaikkristallen und natürlich für hochauflösende Reflektometrie mit polarisierten Neutronen im Allgemeinen.
Dank seines flexiblen Setups und der geringen Untergrundstrahlung am Instrument ist TREFF bestens zum Entwickeln und Testen neuer neutronenoptischer und Detektor-Komponenten geeignet. Beispielsweise wird TREFF als hochauflösendes Reflektometer häufig für die grobe Charakterisierung der magnetischen Eigenschaften von dünnen Schichten verwendet.
Da TREFF über die Möglichkeit verfügt, mit polarisierten Neutronen zu arbeiten und Weitwinkel-Polarisationsanalysen durchzuführen, bietet es PhD-Studenten am MLZ die wertvolle Möglichkeit, Erfahrungen mit Specular- und Off-Specular-Messungen in der Reflektometrie mit polarisierten Neutronen zu sammeln.

Referenzen:

Heinz Maier-Leibnitz Zentrum et al., (2017). TREFF: Reflectometer and instrument component test beamline at MLZ. Journal of large-scale research facilities, 3, A121.

J. M. Gomez-Guzman et al., Nucl. Ins. Meth. Phys. Res. A 1059, 169005 (2024).