SPHERES

Dieses Instrument ist auf kalte Neutronen fokussiert. Alle hier angegebenen Parameter beziehen sich auf die aktuelle Betriebsphase des FRM II. Bitte kontaktieren Sie für alle Detailfragen (Experimentdauer etc.) vorab das Instrumentteam!

Insrumentschema SPHERES

SPHERES (Spektrometer für hohe Energieauflösung/ SPectrometer for High Energy RESolution) ist ein Rückstreuspektrometer der dritten Generation mit fokussierender Optik und einem Phasenraumtransformations
(PST)-Chopper [1]. Es ist geeignet für Untersuchungen atomarer und molekularer Dynamik auf einer GHz Skala. Die nötige Selektion der Neutronenenergien wird durch Bragg-Reflexion an perfekten Monochromator- und Analysatorkristallen unter Winkeln nahe 180° erreicht.

Die Rückstreugeometrie macht es unvermeidlich, den primären Strahl abzulenken und einen Duty-Cycle-Chopper zu verwenden. In SPHERES sind diese beiden Funktionen in einem Chopper realisiert, der die Deflektorkristalle auf seinem Rand trägt. Dies führt zu einem besonders kompakten Spektrometerlayout, so dass der fokussierende Neutronenleiter gut genutzt werden kann. Als ein zusätzlicher Vorteil wird durch die schnelle Bewegung der Deflektorkristallen eine Phasenraumtransformation des primären Spektrums erreicht, wodurch der Fluss an der Probe erhöht wird.

Das Redesign von PST-Chopper und fokussierendem Neutronenleiter in den letzten Jahren hat die Intensität mehr als verdoppelt. Der neuinstallierte Untergrundchopper ermöglicht auch ein Setup mit niedrigem Untergrund, der das Signal-zu-Rausch-Verhältnis signifikant erhöht indem jeder zweite Puls verworfen wird – allerdings auf Kosten der Intensität.

SPHERES ermöglicht Untersuchungen zu einem breiten Spektrum wissenschaftlicher Themen. Es ist besonders sensitiv für die inkohärente Streuung von Wasserstoff und ermöglicht den Zugang zu dynamischen Prozessen bis zu einer Zeitskala von wenigen ns. Typische Anwendungen sind zum Beispiel Relaxationsprozesse in ‘weichen’ Materialien wie Polymeren [2] und Nanokompositen, Dynamik in biologischen Systemen [3] oder Wasserstoffdiffusion in verschiedenen Systemen wie Ionenleitern und Brennstoffzellen [4]. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Auflösung des Spektrometers die Untersuchung der Dynamik von viskosen Flüssigkeiten und Wasser in eingeschränkter Geometrie [5]. Weitere wichtige Anwendungen sind die Hyperfeinaufspaltung in magnetischen Materialien [6] oder Reorientierungsbewegungen und Rotations-Tunneln [7].

Rohdaten-Histogramme werden auf einem äquidistanten ω Raster akkumuliert. Ein Skript basiertes Programm, SLAW [8], ermöglicht es, die Rohdaten zu normalisieren, optionales Binning durchzuführen und S(q, ω) in einer Vielzahl von Formaten auszugeben, so dass die Benutzer nicht an ein spezielles Daten-Analyse-Programm gebundenen sind. Für die Datenauswertung ist es wichtig, die theoretischen Modelle mit der gemessenen Auflösungsfunktion in einer effizienten und numerisch stabilen Weise zu falten, was durch das FRIDA Paket unterstützt wird [9].

[1] Wuttke et al., Rev. Sci. Instrum. 83, 075109 (2012).
[2] Zorn et al., Macromolecules 53, 6731 (2020).
[3] Schirò et al., Phys. Rev. Lett. 126, 088102 (2021).
[4] Appel et al., RSC Adv., 9, 37768 (2019).
[5] Soininen et al., J. Chem. Phys. 145, 234503 (2016).
[6] Chatterji et al., J. Phys.: Condens. Matter 31, 025801 (2019).
[7] Rok et al., CrystEngComm 22, 6811 (2020).
[8] Wuttke, J.: SLAW – a neutron histogram to scattering law converter, https://jugit.fz-juelich.de/mlz/spheres/slaw
[9] Wuttke, J.: FRIDA – fast reliable interactive data analysis, https://jugit.fz-juelich.de/mlz/frida