Neutronenspiegel erhält einen Schub durch Borkarbid – Physics World

Forscher in Schweden haben einen neuen Ansatz zur Herstellung mehrschichtiger Neutronenspiegel entwickelt. Durch die Zugabe von Borcarbid zu den Eisen- und Siliziumschichten ihres Spiegels, Anton Zubayer an der Universität Linköping und Kollegen haben ein Gerät entwickelt, das einfallende Neutronenstrahlen stärker reflektiert und polarisiert, insbesondere bei hohen Streuwinkeln.

Bei der Neutronenwissenschaft geht es darum, Strahlen langsamer Neutronen an Proben zu streuen. Solche Neutronen haben De-Broglie-Wellenlängen, die dem Abstand zwischen Atomen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen entsprechen. Das bedeutet, dass die Beugung von Neutronenstrahlen genutzt werden kann, um die atomare Struktur einer Probe zu bestimmen. Neutronen können kinetische Energie mit Atomen austauschen und so auch dynamische Eigenschaften von Materie wie Gitterschwingungen untersuchen. Neutronen haben auch magnetische Momente, sodass sie magnetische Eigenschaften von Proben messen können.

Einige Experimente zur magnetischen Neutronenstreuung erfordern magnetisch polarisierte Strahlen, aber die Erzeugung solcher Strahlen kann eine Herausforderung sein.

„Polarisierende Neutronenoptiken sind ein wesentlicher Bestandteil von Neutronenstreuanlagen“, erklärt Zubayer. „Es gewinnt an Bedeutung, da neue Instrumententypen eine höhere Effizienz und neuartige Funktionen erfordern.“

Schlechte Schnittstellen

Neutronenstrahlen können mithilfe von Spiegeln polarisiert werden, die durch die Abscheidung abwechselnder Schichten aus Eisen und Silizium auf einem Substrat hergestellt werden. Trotz ihrer weit verbreiteten Verwendung weisen diese Neutronenspiegel Einschränkungen auf, die mit der Schwierigkeit verbunden sind, atomar scharfe Grenzflächen zwischen den Eisen- und Siliziumschichten zu schaffen. Stattdessen enthalten die Grenzflächen unerwünschte Eisensilizidverbindungen.

Diese rauen Grenzflächen führen dazu, dass die Spiegel bei höheren Streuwinkeln Neutronen nicht sehr effektiv reflektieren und polarisieren. Dies lässt sich umgehen, indem man die Spiegel starken externen Magnetfeldern aussetzt. Da diese Felder aber auch Auswirkungen auf die untersuchten Proben haben können, müssen die Spiegel in einiger Entfernung von den Proben platziert werden, was die Qualität der experimentellen Ergebnisse beeinträchtigen kann.

Jetzt haben Zubayer und Kollegen einen neuen Ansatz zur Herstellung von Neutronenspiegeln gewählt, bei dem den Eisen- und Siliziumschichten mit Isotopen angereichertes Borcarbid hinzugefügt wird. Das Borcarbid ist mit Bor-11 angereichert – das im Gegensatz zu Bor-10 kein guter Neutronenabsorber ist. Die Verbindung verbessert die Stabilität von Materialien, die durch Magnetronsputtern abgeschieden werden, das zur Abscheidung der Schichten verwendet wurde.

Nach dem Aufbau der Schichten ihres Neutronenspiegels bestimmten Zubayer und Kollegen dessen Atomstruktur mithilfe verschiedener bildgebender Verfahren, darunter Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie.

Dünner und schärfer

Wie sie gehofft hatten, wies ihr neuer Spiegel weitaus schärfere Grenzflächen zwischen den Eisen- und Siliziumschichten und weniger Eisensilizid auf. Dadurch konnten die Schichten dünner als zuvor gemacht werden, wodurch der Spiegel weitaus reflektierender und polarisierender für Neutronenstrahlen bei hohen Streuwinkeln wurde. Dies führte auch zu einer geringeren diffusen Streuung innerhalb der Strahlen.

Mit dieser verbesserten Leistung musste Zubayers Team kein externes Magnetfeld mehr verwenden, um die gewünschte Polarisation zu erreichen. Dadurch konnte ihr Spiegel näher an den Proben platziert werden, ohne die Messungen zu beeinträchtigen.

„Wir haben ein höheres Reflexionsvermögen, eine bessere Polarisation und weniger Hintergrundrauschen für die Strahllinie erreicht und machen große Magnete rund um das Gerät überflüssig“, erklärt Zubayer. „Somit könnten solche Optiken, die unseren Ansatz nutzen, neue Effizienzen und Möglichkeiten eröffnen, was zu besseren, schnelleren, zuverlässigeren und vielleicht sogar neuen Arten von Experimenten führen würde.“

Mit diesen Verbesserungen könnten Forscher den in Experimenten verwendeten polarisierten Neutronenfluss sowie die Verwendung energiereicherer Neutronen erhöhen. Das Team hofft, dass sein neuer Ansatz den Weg für neue experimentelle Entdeckungen in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Medizin ebnen könnte.

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft Fortschritte.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/neutron-mirror-gets-a-boost-from-boron-carbide/