Status und Perspektiven - SNI-Portal
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Gößere Detektorfläche<br />
Mit großfl ächigen positionsempfi ndlichen Detektoren<br />
für zeitaufgelöste Messungen steht ein kostengünstiger<br />
Weg zur Verfügung, Neutronenstreuexperimente, insbesondere<br />
an existierenden Quellen, um ein Vielfaches<br />
effi zienter zu machen. Voraussetzung ist, dass entsprechende<br />
Programme die Entwicklung der Detektoren<br />
<strong>und</strong> den Ausbau der Experimente unterstützen. Das<br />
Millenniumprogramm des ILL ist ein gutes <strong>und</strong> erfolgreiches<br />
Beispiel hierfür.<br />
Extreme Probenumgebung<br />
Ein großer Vorzug der Neutronen besteht in ihrem<br />
hohen Durchdringungsvermögen für viele, insbesondere<br />
metallische, Konstruktionsmaterialien. So werden<br />
Neutronenstrahlen des Wellenlängenbereichs, der<br />
typischerweise für Streuexperimente verwendet wird,<br />
beim Durchgang durch Aluminium von 1 mm Materialdicke<br />
nur um ca. 1 % geschwächt. Diese Eigenschaft<br />
der Neutronen erleichtert die Konstruktion komplexer<br />
<strong>und</strong> extremer Probenumgebungen enorm <strong>und</strong> stellt<br />
einen entscheidenden Vorteil der Neutronen gegenüber<br />
anderen Strahlenarten, wie z. B. Röntgenstrahlung, dar.<br />
Kryostaten für tiefste Temperaturen (im Extremfall bis<br />
herab zu einigen 100 pK), Kryomagnete für höchste<br />
Magnetfelder (bis zu 17 T stationär), Öfen für höchste<br />
Temperaturen (bis zu 2500 °C) <strong>und</strong> Apparaturen für<br />
höchste Drücke (bis zu 30 GPa) stehen nicht nur wenigen<br />
Spezialisten, sondern einer breiten Nutzergemeinde<br />
zur Verfügung.<br />
Höchste Magnetfelder,<br />
tiefste Temperaturen<br />
Um magnetische Phänomene zu studieren, werden<br />
Neutronenstreuexperimente in der Regel als Funktion<br />
der Temperatur <strong>und</strong> eines äußeren Magnetfeldes<br />
durchgeführt. Die höchsten Magnetfelder, die derzeit<br />
im stationären Betrieb für Neutronenstreuexperimente<br />
möglich sind, erreichen eine Stärke von 15 T für einen<br />
Temperaturbereich von 50 mK - 300 K. Bei Verzicht<br />
auf die tiefsten Temperaturen lässt sich das Magnetfeld<br />
durch besondere Dysprosium-Polschuhe bis auf 17,5 T<br />
erhöhen (Temperaturbereich 1,5 K - 300 K). Solche<br />
mit supraleitenden Spulen gebauten Kryomagnete sind<br />
seit einigen Jahren bei BENSC (HMI) im Routinebetrieb,<br />
seit kurzem auch am ILL <strong>und</strong> am FRM-II.<br />
Abb. 7.1 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen<br />
Kryomagneten. Zur Kombination mit tiefen Temperaturen<br />
im mK-Bereich werden kompakt gebaute Einsätze<br />
benutzt, die nach dem 3 He/ 4 He-Entmischerprinzip arbeiten.<br />
Um zu noch höheren Magnetfeldern zu kommen,<br />
plant das HMI gegenwärtig in Zusammenarbeit<br />
mit dem FZK den Bau eines neuen 25 T-Kryomagneten,<br />
der durch Verwendung von supraleitenden Spulen aus<br />
Hoch-T c<br />
-Materialien verwirklicht werden soll.<br />
Höchste Temperaturen<br />
Als Standardprobenumgebung für hohe Temperaturen<br />
haben sich evakuierbare Öfen mit zylinderförmigen<br />
Metallfolien als Heizelement <strong>und</strong> Hitzeschilden herausgebildet.<br />
Mit solchen Öfen lassen sich Temperaturen bis<br />
maximal 2000 °C erreichen.<br />
Für noch höhere Temperaturen muss auf Spezialöfen<br />
zurückgegriffen werden, die von einzelnen Gruppen<br />
konstruiert wurden <strong>und</strong> nicht zum Standardrepertoire<br />
eines Zentrums gehören. Solche Entwicklungen sind<br />
z. B. Spiegelöfen, Öfen mit Elektronenstrahlheizung<br />
oder Öfen, bei denen die Probe durch ein Levitationssystem<br />
frei schwebend gehalten <strong>und</strong> induktiv oder<br />
durch Laser aufgeheizt wird. Abb. 7.2 zeigt einen<br />
Spiegelofen, der am Institut für Mineralogie der Universität<br />
München konstruiert wurde. Derartige Öfen<br />
erlauben Neutronenstreuexperimente bei Temperaturen<br />
über 2000 °C. Ein Vorteil der Spiegel- <strong>und</strong> Levitationsöfen<br />
ist, dass außer der Probe kein weiteres Material im<br />
Strahl sein muss. Im Falle des Levitationsofens kommt<br />
hinzu, dass die Probe absolut berührungsfrei im Strahl<br />
gehalten wird. Das ist vor allem für die Untersuchung<br />
von Schmelzen von großer Bedeutung. Es muss ein<br />
Bestreben der Zentren sein, diese zurzeit noch sehr spezialisierte<br />
Art von Hochtemperatureinrichtungen dem<br />
allgemeinen Nutzerbetrieb zur Verfügung zu stellen<br />
<strong>und</strong> weiterzuentwickeln.<br />
Höchste Drücke<br />
Standardprobenumgebung für Druckexperimente sind<br />
an vielen Zentren Zylinderzellen mit Wolframcarbid-<br />
Stempeln <strong>und</strong> Klemmringen zum Aufrechterhalten des<br />
mechanisch erzeugten Drucks, mit denen Drücke bis zu<br />
1,5 GPa erreicht werden können.<br />
Für Neutronenstreuexperimente bei höchsten Drücken<br />
wurde die „Paris-Edinburgh“-Zelle entwickelt. Es handelt<br />
sich dabei um den klassischen Typ einer Druckzelle<br />
mit einander gegenüberliegenden Druckstempeln. Der<br />
normale Arbeitsbereich dieser Zelle liegt zwischen 2<br />
<strong>und</strong> 20 GPa im Temperaturintervall von 100 bis 300 K.<br />
Bei Verwendung von gesinterten Diamantstempeln statt<br />
Wolframcarbid-Stempeln sind in diesem Temperaturbereich<br />
sogar Drücke bis 30 GPa möglich. Die Probe<br />
kann mit Hilfe eines Mikroofens bis 1200 K aufgeheizt<br />
werden. Der maximal mögliche Druck bei dieser<br />
Temperatur beträgt noch 7 GPa. Erkauft werden diese<br />
hohen Drücke allerdings durch ein sehr kleines Probenvolumen.<br />
Mit gesinterten Diamantstempeln beträgt die<br />
Probengröße ca. 100 mm 3 bei 25 GPa.<br />
Eine ähnliche Zelle für höchste Drücke wurde vom<br />
Kurchatow Institut in Moskau entwickelt. Sie ist durch<br />
Verwendung spezieller Konstruktionsmaterialien<br />
(Kupfer-Beryllium Bronze) vor allem für magnetische<br />
Untersuchungen geeignet. Mit dieser Zelle wurden die<br />
bisher höchsten Drücke (43 GPa) bei Neutronenstreuexperimenten<br />
erreicht.<br />
Diese extreme Probenumgebung für höchste Drücke<br />
steht nur sehr eingeschränkt dem allgemeinen Nutzerbetrieb<br />
zur Verfügung. Sie muss weiterentwickelt <strong>und</strong><br />
standardisiert werden.<br />
In-situ Experimente<br />
Für in-situ Experimente existieren spezialisierte Probenumgebungen,<br />
etwa Streckapparaturen, Scherzellen,<br />
Bedampfungsanlagen, chemische Reaktionszellen,<br />
Gasbeladungszellen etc. Diese Umgebung wird je nach<br />
wissenschaftlicher Fragestellung ständig weiterentwickelt,<br />
zum Teil in Kombination mit speziellen stroboskopischen<br />
Messverfahren.<br />
o/<br />
20<br />
o/<br />
o/<br />
20<br />
550<br />
20°<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
5°<br />
2°<br />
2°<br />
with mit thickness Dicke<br />
Al-Ringe Al-rings<br />
1,5 mm<br />
1,9 mm<br />
2,0 mm<br />
6 mm<br />
8 mm<br />
10 mm<br />
Abb. 7.1. Schematische Darstellung des vertikalen<br />
Hochfeld-Kryomagneten von BENSC. Die obere Hälfte<br />
der Abbildung zeigt den Sitz der Probe im Zentrum des<br />
Spulensystems zusammen mit den relevanten Abmessungen<br />
<strong>und</strong> Öffnungswinkeln; die untere Hälfte der Abbildung<br />
zeigt die Al-Ringe, die als Abstandshalter zwischen oberer<br />
<strong>und</strong> unterer Spule des „Split-Pair“ Magneten dienen. Die<br />
Gesamtdicke an Al, die der an der Probe gestreute Strahl<br />
durchdringen muss, beträgt 30 mm.<br />
Abb. 7.2.<br />
Spiegelofen<br />
(entwickelt<br />
am Institut für<br />
Mineralogie<br />
der<br />
Universität<br />
München).<br />
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