Ultrakleinwinkel-Neutronenstreuung

Ultra Small Angle Neutron Scattering ( USANS ) misst die elastische Streuung von Streulängendichteschwankungen in der Größenordnung von Mikrometern im realen Raum, d.h. im Impulsübertragungsbereich von 2 x 10-5 - 2 x 10-3 Å-1. Die Techniken der Wahl zur Untersuchung der Struktur von Partikeln in Mikrometergröße sind Elektronenmikroskopie, Lichtstreuung und Rasterkraftmikroskopie. Es gibt jedoch eine Reihe von Fällen, in denen keine dieser Techniken anwendbar ist. Beispiele sind kontrastarme Materialien, opake Materialien (zur Lichtstreuung) oder magnetische Strukturen. In solchen Fällen sind Neutronen eine einzigartige Sonde, wenn eine Kontrastverstärkung erforderlich ist. Anwendungen finden sich in der Kolloidwissenschaft (Mischungen von Partikeln, stark korrelierte Kolloidkristalle, Partikel in Mikrometergröße, Silizium-Makroporen-Arrays), der Materialwissenschaft (gefüllte Polymere, Zemente, mikroporöse Medien) und der Polymerwissenschaft (eingeschränkte Systeme, Emulsionspolymerisation).

Zu diesem Zweck stehen an verschiedenen Forschungseinrichtungen verschiedene Doppelkristall-Diffraktometer-Instrumente (Bonse-Hart-Kamera) zur Verfügung. Wir betreiben das USANS-Instrument am 250-kW-TRIGA-MARK-II-Reaktor in Wien sowie die USANS-Option des S18-Instruments am Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich.

Sketch of the Bonse-Hart Camera

© Atominstitut, Photo: Harmut Abele

Die Bonse-Hart-Kamera ist ein Doppelkristall- (oder Dreiachsen-) Spektrometer mit zwei perfekt geschnittenen Siliziumkristallen als Monochromator und Analysator, die in paralleler Geometrie auf einer schwingungsisolierten optischen Bank montiert sind. Die Q-Abhängigkeit der gestreuten Intensität wird gemessen, indem der Analysatorkristall geschüttelt wird, wobei die Probe zwischen den Kristallen platziert wird. Das minimale Q ist durch die Breite der Rocking Curve gegeben. Der Nachteil der Bonse-Hart-Anordnung ist das große Verhältnis zwischen horizontaler und vertikaler Divergenz, typischerweise im Bereich von 100 bis 1000. Das Ableiten von absoluten Intensitäten mit Lochblenden-Entfernung erfordert ein sorgfältiges Entfaltungsverfahren, aber es gibt Lösungen, um die Daten in Routineexperimenten zu entfalten. Das Bild zeigt schematisch ein USANS-Instrument.

Einige Parameter des USANS - Instruments in Wien

1. Kristallparameter von Silizium

Lattice constant

a =  1,246 Å

bound coherent scattering length

bc = 4,149 fm

Number density of Si

N = 4,99479 . 1028 m-3

 

2. Technische Daten des Doppelkristalldiffraktometers in Wien

Si - channel cut crystals

Reflexion plane

 [ 3 3 1 ]

Structur factor

F = 4 + 4i
| F | = 321/2

Asymmetry factor

b = -1

Width of the Darwin curve

 Δθ = 2.899 . 10-6 . rad = 0,596"

Bragg angle

 2θ b = 90 °

Wavelength spread

Δl \ l = 2,5 . 10-3

Energy bandwidth

ΔE \ E = 5 . 10-3

Monochromator - Goniometer

Angular resolution of rotation

18,05"

of tilt

18,05"

Analysator - Goniometer

Angular resolution of rotation

0,1513 µrad

of tilt

0,3471 mrad

with a full width at half maximum

3,3 µrad

Other instrument parameters

Cross section of the neutron beam

26 mm x 26 mm

Background

0,05 Neutrons / s

Peakintensity

9,5 cps / cm2

Integral Intensity

285 cps / cm2