Neutronová rezonanční spinová ozvěna - Neutron resonance spin echo

Neutronová rezonanční spinová ozvěna je kvazielastický rozptyl neutronů technika vyvinutá Gählerem a Goloubem. Ve své klasické podobě se používá analogicky jako konvenční neutronová spinová ozvěna (NSE) spektrometrie pro quasielastic rozptyl kde se malá energie mění ze vzorku na neutron musí být vyřešeny. Na rozdíl od NSE jsou velké magnetické solenoidy nahrazeny dvěma rezonančními ploutvemi. To umožňuje varianty v kombinaci s tříosé spektrometry vyřešit úzkou šířku buzení nebo MIEZE (Modulation of IntEnsity with Zero Effort) pro depolarizační podmínky a nekoherentní rozptyl, které u běžného NSE nejsou možné.

Techniky neutronové spinové echa dosahují velmi vysokého energetického rozlišení v kombinaci s velmi vysokou intenzitou neutronů pomocí oddělení energetického rozlišení nástroje od vlnová délka šíření neutronů. Přenos energie neutronů je zakódován v jejich polarizace a ne při změně vlnové délky rozptýlených neutronů. Konečná polarizace neutronů poskytuje (normalizovanou) mezilehlá funkce rozptylu S (Q, τ), poskytující přímé informace o relaxační procesy, aktivační energie a amplitudy dynamických procesů ve zkoumaných vzorcích.

Jak to funguje

Klasická technika NSE (obrázek 1. a)) se opírá o Lamorova precese neutron roztočit prochází při letu statickou elektřinou magnetické pole. Existuje však několik dalších schémat NSE, které využívají rezonanční rotace v magnetickém RF poli k dosažení stejného účinku na neutron, jako je neutronová rezonanční spinová ozvěna (NRSE) a modulace intenzity nulovým úsilím (MIEZE).[1][2][3]

V NRSE jsou statická magnetická pole produkovaná velkými DC cívkami v NSE nahrazena dvěma rezonančními flipperovými cívkami, které vytvářejí statické magnetické pole B0 a k němu kolmé vysokofrekvenční (RF) pole frekvence ωRF (Obrázek 1. b).[4][5]

Neutron vstupující do prvního rezonančního ploutve prochází rezonančním π-flipem indukovaným statickým polem B0 zatímco precese s frekvencí ωL (dále jen Lamorova frekvence ) rovnající se ωRF a vystupování Rabi - oscilace kvůli RF poli. V klasickém NRSE je dráha mezi dvěma ploutvemi udržována bez jakéhokoli magnetického pole a fáze odstřeďování se nemění. Ve druhé cívce rezonančního ploutve neutron prochází dalším rezonančním π-flipem. Účinek těchto dvou ploutví na spin neutronů je identický s působením účinného statického magnetického pole, jak se používá v NSE.[1][6][7]

Podélná rezonanční spinová ozvěna

Původní nastavení NRSE bylo navrženo v příčné konfiguraci (T-NRSE, obrázek 1. b)), kde pole B0 leží příčně ke směru otáčení. V této formě je energetické rozlišení sestavy omezeno přesností výroby B0 cívky na několik nanosekund. Prostor mezi příčnými cívkami NRSE musí být bez pole, a je proto stíněn a mu-metal bydlení.[8]Výše uvedené nevýhody vedou k vývoji designu podélného NRSE (L-NRSE, obrázek 1. d)), který kombinuje výhody klasického NSE i T-NRSE.[9][10]Na rozdíl od konvenční příčné techniky NRSE umožňuje válcová symetrická podélná konfigurace NRSE použití vodicích polí celým spektrometrem, což snižuje úsilí o udržení neutronové polarizace. Tím je zastaralé mu-kovové stínění potřebné pro příčnou NRSE a usnadňuje se udržování polarizace neutronů s velkými vlnovými délkami λ. Tyto neutrony jsou zvláště důležité pro techniky NSE, protože jejich rozlišení se zvyšuje s λ3.[11] Při použití geometrie podélného pole nejsou vyžadovány žádné korekce pole pro nedivergentní neutronový paprsek, zatímco korekce pro divergentní neutronové trajektorie jsou alespoň o 10krát menší ve srovnání s konvenčním NSE.

V kombinaci s TAS

RF flipperové cívky používané v NRSE jsou mnohem menší než DC cívky používané v klasickém NSE, což vede k velkému snížení zbloudilá pole kolem cívek. To umožňuje naklánět cívky RF flipperu a provádět NRSE v konfiguraci spektrometru se třemi osami. Naklonění cívek umožňuje zaostření spin-echo, kde lze měřit celou energetickou disperzi excitace s velmi vysokým rozlišením (tak nízké jako 1 µeV) v celé Brillouinově zóně. Proto tato technika umožňuje zkoumat šířky čar rozptýlených buzení, včetně obou fonony a magnony, přes celý Brillouinova zóna.[12][13][14][15]

MIEZE

Jednou z nevýhod klasických NSE a NRSE je skutečnost, že depolarizace neutronového paprsku vede k úplné ztrátě signálu, což znemožňuje měření za podmínek depolarizace, jako jsou velmi velká magnetická pole. Dále není možné měřit vzorky, které způsobují depolarizaci neutronového paprsku, jako např feromagnety, a supravodiče. Kvůli převládajícímu množství nekoherentního rozptylu materiály obsahující velké množství vodík je také obtížné měřit pomocí konvenčních NSE i NRSE. Aby se tyto nevýhody obešly, byla zavedena metoda MIEZE (Modulation of IntEnsity with Zero Effort) v příčné i podélné konfiguraci (obrázek 1. c) a e)).

V konfiguraci MIEZE jsou první dvě RF rotační ploutve provozovány na různých frekvencích (na rozdíl od tradičních NRSE, kde pracují na stejné frekvenci), což vede k sinusové časové modulaci měřeného signálu, která je detekována detektorem citlivým na čas a polohu .[16][4][17][18][19] Toto nastavení umožňuje umístit všechna zařízení pro manipulaci s rotací (včetně analyzátoru) před vzorek, což umožňuje měřit (depolarizovat) vzorky za podmínek depolarizace.[20][11]Po stejné nomenklatuře jako NRSE příčná MIEZE odkazuje na konfiguraci, kde pole B0 leží příčně k neutronovému paprsku, zatímco pro podélné MIEZE pole B0 body podél neutronového paprsku.

Vyhrazené nástroje

Níže uvedený seznam poskytuje rozsáhlý seznam neutronových spinových echo nástrojů používaných v současné době (nebo při plánování). Většina z těchto přístrojů je provozována na spojitých zdrojích neutronů pomocí studené neutrony. Velmi málo nástrojů se používá za různých podmínek, které jsou uvedeny níže.

NSE

NRSE

MIEZE

Trojosý spektrometr - NRSE

Reference

  1. ^ A b Gähler, R .; Golub, R. (září 1987). „Neutronový spektrometr s vysokým rozlišením pro kvazielastický rozptyl na základě spin-echo a magnetické rezonance“. Zeitschrift für Physik B. 65 (3): 269–273. Bibcode:1987ZPhyB..65..269G. doi:10.1007 / bf01303712. ISSN  0722-3277.
  2. ^ Golub, R .; Gähler, R. (červenec 1987). „Spinový echo spektrometr neutronové rezonance pro kvazi-elastický a nepružný rozptyl“. Fyzikální písmena A. 123 (1): 43–48. Bibcode:1987PhLA..123 ... 43G. doi:10.1016/0375-9601(87)90760-2. ISSN  0375-9601.
  3. ^ Schmidt, C. J .; Groitl, F .; Klein, M .; Schmidt, U .; Häussler, W. (2010). „CASCADE with NRSE: Fast Intensity Modulation Techniques used in Quasielastic Neutron Scattering“. Journal of Physics: Conference Series. 251 (1): 012067. Bibcode:2010JPhCS.251a2067S. doi:10.1088/1742-6596/251/1/012067. ISSN  1742-6596.
  4. ^ A b Gähler, R .; Golub, R .; Keller, T. (červen 1992). „Neutronová rezonanční spinová echo - nový nástroj pro spektroskopii s vysokým rozlišením“. Physica B: Kondenzovaná látka. 180-181: 899–902. Bibcode:1992PhyB..180..899G. doi:10.1016 / 0921-4526 (92) 90503-k. ISSN  0921-4526.
  5. ^ Häussler, W .; Böni, P .; Klein, M .; Schmidt, C. J .; Schmidt, U .; Groitl, F .; Kindervater, J. (duben 2011). Msgstr "Detekce oscilací vysokofrekvenční intenzity na RESEDA pomocí detektoru CASCADE". Recenze vědeckých přístrojů. 82 (4): 045101–045101–6. Bibcode:2011RScI ... 82d5101H. doi:10.1063/1.3571300. ISSN  0034-6748. PMID  21529033.
  6. ^ Häussler, Wolfgang; Schmidt, Ulrich (2005). Msgstr "Efektivní odčítání integrálního pole kombinací spin echo a rezonanční spin echo". Phys. Chem. Chem. Phys. 7 (6): 1245–1249. Bibcode:2005PCCP .... 7.1245H. doi:10.1039 / b419281h.
  7. ^ Schwink, Ch .; Schärpf, O. (září 1975). „Řešení Pauliho rovnice pro neutrony v měnících se magnetických polích a její aplikace na odraz a přenos na šroubovicových magnetických strukturách“. Zeitschrift für Physik B. 21 (3): 305–311. Bibcode:1975ZPhyB..21..305S. doi:10.1007 / BF01313312.
  8. ^ Kindervater, J .; Martin, N .; Häußler, W .; Krautloher, M .; Fuchs, C .; Mühlbauer, S .; Lim, J. A.; Blackburn, E .; Böni, P .; Pfleiderer, C .; Frick, B .; Koza, M. M .; Boehm, M .; Mutka, H. (23. ledna 2015). "Neutronová spinová echo spektroskopie pod 17 T magnetickým polem v RESEDA". Web konferencí EPJ. 83: 03008. arXiv:1406.0405. Bibcode:2015EPJWC..8303008K. doi:10.1051 / epjconf / 20158303008.
  9. ^ Häussler, Wolfgang; Schmidt, Ulrich; Ehlers, Georg; Mezei, Ferenc (srpen 2003). Msgstr "Neutronová rezonanční spin echo pomocí korekčních cívek spin echo". Chemická fyzika. 292 (2–3): 501–510. Bibcode:2003CP .... 292..501H. doi:10.1016 / S0301-0104 (03) 00119-8.
  10. ^ Häussler, W; Schmidt, U; Dubbers, D (červenec 2004). "Zvýšený plný úhel v neutronové rezonanční spinové ozvěně". Physica B: Kondenzovaná látka. 350 (1–3): E799 – E802. Bibcode:2004PhyB..350E.799H. doi:10.1016 / j.physb.2004.03.208.
  11. ^ A b Georgii, R .; Kindervater, J .; Pfleiderer, C .; Böni, P. (listopad 2016). "RESPECT: Neutronový rezonanční spin-echo spektrometr pro extrémní studie". Jaderné přístroje a metody ve výzkumu fyziky Sekce A: Akcelerátory, spektrometry, detektory a související zařízení. 837: 123–135. arXiv:1608.00836. Bibcode:2016 NIMPA.837..123G. doi:10.1016 / j.nima.2016.08.004.
  12. ^ Pynn, R (listopad 1978). "Neutronová spin-echo a tříosé spektrometry". Journal of Physics E: Scientific Instruments. 11 (11): 1133–1140. Bibcode:1978JPhE ... 11.1133P. doi:10.1088/0022-3735/11/11/015.
  13. ^ Keller, T .; Habicht, K .; Klann, H .; Ohl, M .; Schneider, H .; Keimer, B. (1. prosince 2002). "Spektrometr NRSE-TAS na FRM-2". Applied Physics A: Materials Science & Processing. 74: s332 – s335. Bibcode:2002ApPhA..74S.332K. doi:10.1007 / s003390201612.
  14. ^ Keller, T .; Keimer, B .; Habicht, K .; Golub, R .; Mezei, F. (2002). Neutronová rezonanční spinová ozvěna - tříosá spektrometrie (NRSE-TAS). Spektroskopie neutronové spinové ozvěny. Přednášky z fyziky. 601. str. 74–86. doi:10.1007/3-540-45823-9_8. ISBN  978-3-540-44293-6.
  15. ^ Groitl, F .; Keller, T .; Quintero-Castro, D. L .; Habicht, K. (únor 2015). „Aktualizace neutronové rezonanční spin-echo na tříosém spektrometru FLEXX“. Recenze vědeckých přístrojů. 86 (2): 025110. Bibcode:2015RScI ... 86b5110G. doi:10.1063/1.4908167. PMID  25725891.
  16. ^ Besenböck, W .; Gähler, R .; Hank, P .; Kahn, R .; Köppe, M .; De Novion, C. -H .; Petry, W .; Wuttke, J. (1. dubna 1998). „První rozptylový experiment na MIEZE: Fourierova transformace spektrometru doby letu s využitím rezonančních cívek“. Journal of Neutron Research. 7 (1): 65–74. doi:10.1080/10238169808200231.
  17. ^ Hank, P .; Besenböck, W .; Gähler, R .; Köppe, M. (červen 1997). "Techniky neutronového spinového echa pro nekoherentní rozptyl". Physica B: Kondenzovaná látka. 234-236: 1130–1132. Bibcode:1997PhyB..234.1130H. doi:10.1016 / S0921-4526 (97) 89269-1.
  18. ^ Häussler, W .; Böni, P .; Klein, M .; Schmidt, C. J .; Schmidt, U .; Groitl, F .; Kindervater, J. (duben 2011). Msgstr "Detekce oscilací vysokofrekvenční intenzity na RESEDA pomocí detektoru CASCADE". Recenze vědeckých přístrojů. 82 (4): 045101–045101–6. Bibcode:2011RScI ... 82d5101H. doi:10.1063/1.3571300. PMID  21529033.
  19. ^ Schmidt, CJ; Groitl, F; Klein, M; Schmidt, U; Häussler, W (1. listopadu 2010). „CASCADE with NRSE: Fast Intensity Modulation Techniques used in Quasielastic Neutron Scattering“. Journal of Physics: Conference Series. 251 (1): 012067. Bibcode:2010JPhCS.251a2067S. doi:10.1088/1742-6596/251/1/012067.
  20. ^ Krautloher, Maximilián; Kindervater, Jonas; Keller, Thomas; Häußler, Wolfgang (prosinec 2016). Msgstr "Neutronová rezonanční spinová ozvěna s podélnými stejnosměrnými poli". Recenze vědeckých přístrojů. 87 (12): 125110. Bibcode:2016RScI ... 87l5110K. doi:10.1063/1.4972395. PMID  28040941.