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● 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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