Neutronoptikai kutatások az épülő Európai Spallációs Neutronforráshoz

Neutronoptikai kutatások az épülő Európai Spallációs Neutronforráshoz Markó Márton MTA WIGNER F.K.

Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. )

Munkabeszámoló 2017

1 / 25

Munkáim az elmúlt három évben Holográfia: Mágneses holográfia Biológiai rendszerek: tilakoidmembrán vizsgálata Neutronoptikai számítások az ESS-hez I I

I I I I

Reflektométer műszerpályázat (HERITAGE): többutas fókuszálás Visszaszórási spektrométer műszerpályázat (MIRACLES): másodlagos spektrométer Makromolekuláris diffraktométer (NMX) tervezése Extrém környezetű spektrométer (BIFROST) tervezése Neutronvezető rendszerek robosztusságának vizsgálata Alacsony hátterű neutronvezető rendszer kis fázistér átviteléhez (kis minta kis divergencia)

Egyéb munkáim ESS: Magyar In-Kind beszállítás segítése Oktatás Szerződéses munkák (Mirrotron): oktatás, guide tervezés



2 / 25

ESS - Európai spallációs forrás GeV-es protonok Wolfram target Hosszú impulzusú forrás

Első neutronok: 2020 Teljes intenzitás: 2025 Magyar szerepvállalás Magyarország az ESS tagországa (0.95%) Évi 1,6 M EUR 70 % beszállítással (In-Kind) Három intézet beszállító:

https://europeanspallationsource.se/uniquecapabilities-ess

ATOMKI EK Wigner Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. )


3 / 25

ESS - Európai spallációs forrás GeV-es protonok Wolfram target Hosszú impulzusú forrás

Első neutronok: 2020 Teljes intenzitás: 2025 Magyar szerepvállalás Magyarország az ESS tagországa (0.95%) Évi 1,6 M EUR 70 % beszállítással (In-Kind) Három intézet beszállító: ATOMKI EK Wigner Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. )


3 / 25

MIRACLES: Multiple Resolution Analyser Crystal for Energy and Life Sciences

Célparaméterek Felbontás: 2-30µeV (≈ 0.5 − 7.5GHz ) Mintaméret: 3-5 cm

TOF visszaszórási berendezés Repülési idő: elsődleges spektrométer Si analizátor θ = 88o



4 / 25

MIRACLES: Multiple Resolution Analyser Crystal for Energy and Life Sciences

Megcélzott tudomány Víz dinamikája biológiai rendszerekben, cementben stb.. Makromolekulák dinamikája nem vizes közegben Alacsony energiás mágneses gerjesztések (pl nanomágneses anyagok) Polimerek dinamikája Dinamika ionvezetőkben (akkumulátor, üzemanyagcella) Protonállapotok makromolekulákban (EINS)



5 / 25

TOF BS felbontása

Energiacsere számolása Nagyfelbontású analizátor kristály kvázi visszaszórásban (Si, θ = 88o ): Ef fix → tf fix t repülési idő mérése : ti = t − tf → Ei E = Ei − Ef



6 / 25

TOF BS felbontása

Felbontást meghatározó tényezők impulzus ideje τ = 45µs − 3ms (∆E ∼

τ ti

: 0.7 − 50µeV 2

δ divergencia a neutronvezetőben δ = 1.2o : ∆E = 2Ei 6.7 : 0.28µeV

Mintavastagság I (repülési hossz) ws = 3cm: ∆E ∼ Analizátor delta d: ∆E ∼

d R

0−2ws Li

: 0 − 1µeV

: 1.4µeV

Analizátor szórási szögének bizonytalansága: cot θ∆θ (véges mintamagasság miatt): 1.18µeV Másodlagos repülési hossz bizonytalansága: ∆Lf (véges mintaméret miatt, f analizátor - detektor geometria miatt) ∆E ∼ ∆L Li :< 0.4µeV



6 / 25

TOF BS felbontása

Korreláció analizátor geometria: ∆Lf : minta magasság: hs : 2 D E 2 2 ∆Lf ∆Lf 2 (∆Ea ) = 4Ei + (cot θa ∆θa ) + 2 Li , − cot θa ∆θa Li



6 / 25

ta változása

Felbontásszámolás a rugalmas vonalra ∆θa megadja a hullámhosszat Teljes repülési idő a hullámhossztól függ Minta vastagság: < 2 · 10

Gömbi geometria

−5

Gömb középpontja a minta felett Lassan változó másodlagos úthossz Mintamérettől függő ∆θa



7 / 25

ta változása Felbontásszámolás a rugalmas vonalra ∆θa megadja a hullámhosszat Teljes repülési idő a hullámhossztól függ Minta vastagság: < 2 · 10−5

Toroidális geometria

időfókuszálás analitikus megoldást nem találtam Függőleges szöggel lineárisan változó sugár jó közelítés

Minden detektorpontban időben fókuszál különböző energiájú rugalmasan szórt neutronokat



7 / 25

Tökéletes gömb



8 / 25

Toroidális geometria

Felbontás a detektor felbontásától függ nem a mintamagasságtól A rugalmas vonal időben szétkenődik a detektoron "Túl jó" felbontás változtatni lehet a szórási szögön / mintaméreten Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. )


9 / 25

Felbontás különböző geometriáknál

θa = 880 , sph., hs = 3cm, Irel = 1 θa = 880 , sph., hs = 3cm, Irel = 0.92 θa = 870 , tor., hs = 3cm, Irel = 1.43 θa = 880 , tor., hs = 3cm, Irel = 2.19



10 / 25

Guide érzékenység: motiváció

A neutronvezető tervezésénél rengeteg kritikus szempont van ezek egyike a robosztusság Eddigi állítások Az ESS-nél a hosszú neutronvezetők erősen érzékenyek az optimálistól eltérő környezetre Főleg a helytelen pozícióbeállításnak van nagy hatása

Miért szükséges? Általában nem kell stratégiát váltani kiv. NMX DE Pontos számokat ad a toleranciákra Pontos szigorú szerződést tesz lehetővé Biztosítja a minőséget A gyártóknak is alapvető fontosságú



11 / 25

Neutronvezető rendszer robosztussága

Megvizsgált hatások Analitikus függvény a beállítási pontatlanság hatásaira (vezetőelemek pozíciója) Analitikus függvény a padlómozgás hatásaira (vezetőelemek pozíciója), javaslat robosztus mechanikai megoldásra Új módszer a hullámosság hatásainak számolására



12 / 25

Hullámosság

A neutronvezető A neutronvezető ún. neutron szupertükrökből összeragasztott általában négyszög keresztmetszetű cső Szubsztrát: üveg vagy fém Tükör: ált. Ni:Ti multiréteg (2-5000 réteg) Kritikus szög: m0.1o /λ (m=1-5: tükör kritikus szöge a nikkelhez képest, λ: neutron hullámhossza Å-ben) Szubsztrát simasága: ∼

Hullámosság A neutronvezető tükör hullámossága a felület lassú modulációja Hullámok az ón fürdőn (borofloat) Nem tökéletes szuperpolírozás Feszültség a tükrök összeragasztásánál Munkabeszámoló Nyalábirányban a mrad nagyságrendű hullámosság már veszélyes2017


13 / 25

Hullámosság hatása a transzmisszióra

Eddigi mukák Hullámosság figyelembe vétele a MC programokban: Vitess, McStas (helytelen eloszlásfüggvény) MonteCarlo szimulációk, P. Allenspach et al. Proc. SPIE 4509 Analitikus megközelítés random felületi magasságeloszlásra (inkább érdesség, várható a megjelenése McStas-ban) U. Hansen, Journal of Neutron Research Szisztematikus beállítási pontosságok, C. Zendler, PR Accelerators and Beams 19, 083501 (2016)



14 / 25

Hullámosság: a probléma

Nehéz a kezelése Árnyékolás Többszörös reflexió Tükrök gyenge leírása

Segítő összefüggések Hullámosság (szögben) hullámhossz-független Fő paraméter a maximális dőlésszög Többfajta hullámosságnál a maximális dőlészögek átlaga jó paraméter √ Egy amplitúdóra δRMS = ∆max / 2 Egyenletes amplitúdóeloszlásra:δRMS = ∆max ∗ 0.409



15 / 25

Hullámosság: modellszámítás

Szinuszos modell hullámhossz független Nincsenek benne ugrások Valósághűbb és egyszerűbb a random modelnél

Módszer: alapok 1 Bejövő irány- és pozíció eloszlás (φi − x) 2 Effektív felület számítása α dőlésszögnél: ρ(α, φi ) 3 Az első reflexió után φf = −φ + 2α 4 Kritikus szögnél nagyobb reflexiónál a neutron súlya nullára csökken φf + α > φ c 5 Max kettő iteráció a reflexióra ugyanannál a tükörnél 6 A végeredmény egy transzfer-mátrix: I (φf ) = I (φi )T Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. )


16 / 25

Hullámosság: 1 reflexió

1 tükrözés szinuszhullámon 0 dőlésszögű tükrözésnek van a legkisebb súlya Növekvő divergenciának nagyob súlya van mint a csökkenőnek A hatás kis kezdeti divergenciáknál látványosabb



17 / 25

Hullámosság-eloszlás: 1 tükrözés

Szinuszos hullámosság

Egyenletes eloszlás a hullámosságban



18 / 25

Hullámosság: hosszú neutronvezető

Gyors módszer Transzfer mátrix számolása egy véges vezetődarabra N darabon a transzfer mátrix:Tn = T1N

Pozíciófüggés számolása A reflektált intenzitás divergenciafüggésének számolása minden egyes vezetődarabra Neutron transzfer amíg a neutronok nem jutnak ki a vezetőből A vezető végén pozíció- és divergencia szerinti összegzés Lassú, de bármilyen vezető geometriára alkalmazható



19 / 25

Hullámosság: hosszú egyenes neutronvezető

120 m hosszú 3x3 cm2 keresztmetszet



20 / 25

Neutronvezető rendszer: Érzékenységek

Gyors számolás: vezetődarabok hossza Amíg nincs két szemben levő valon reflexió, a gyors számolás nem ad lényegesen eltérő adatokat

Hullámosság értéke Nagyon erős érzékenység



21 / 25

Vezetőrendszer: érzékenység

Vezető hossza Kezdetben erős veszteség

Hullámhosszfüggés Versenyző hatások: több reflexió kisebb relatív veszteség



22 / 25

Publikációim az elmúlt három évben Groitl F, Bartkowiak M, Bergmann RM, Okkels BJ, Markó M, Bollhalder A, Graf D, Niedermayer C, Rüegg C, R?nnow H, Evaluation of HOPG mounting possibilities for multiplexing spectrometers, NIM A 857: p. AiP. (2017) Mattauch S, Ioffe A, Lott D, Bottyán L, Daillant J,Markó M, Menelle A, Sajti S, Veres T, HERITAGE: the concept of a giant flux neutron reflectometer for the exploration of 3-d structure of free-liquid and solid interfaces in thin films, NIM A 841: pp. 34-46. (2017) Ünnep R, Zsiros O, Hörcsik Zs, Markó M, Jajoo A, Kohlbrecher J, Garab Gy, Nagy G, Low-pH induced reversible reorganizations of chloroplast thylakoid membranes - as revealed by small-angle neutron scattering, BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS 1858:(5) pp. 360-365. (2017) Groitl F, Graf D, Birk JO, Markó M, Bartkowiak M, Filges U, Niedermayer C, Rüegg C, R?nnow HM, CAMEA - A novel multiplexing analyzer for neutron spectroscopy, RSI 87:(3) Paper 035109. 7 p. (2016) Szakál A, Markó M, Cser L, Local distortions revealed by neutron holography in SnCd0.0026 alloy, PRB 93:(17) Paper 174115. 6 p. (2016) Szakál A, Markó M, Cser L, Atomi felbontású holográfia neutronokkal, In: Szentmiklósi László (szerk.) Őszi Radiokémiai Napok 2016 . Konferencia helye, ideje: Balatonszárszó, Magyarország, 2016.10.10 -2016.10.12. Budapest: Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), 2016. p. 17. (ISBN:978-963-9970-69-4) Tsapatsaris N, Lechner RE, Markó M, Bordallo HN, Conceptual design of the time-of-flight backscattering spectrometer, MIRACLES, at the European Spallation Source, RSI 87:(8) Paper 085118. 12 p. (2016) Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. )


23 / 25

Publikációim az elmúlt három évben

Szakál A, Markó M, Cser L, Local magnetic structure determination using polarized neutron holography, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 117:(17) Paper 17E132. 5 p. (2015) Szakal A, Markó M, Krexner G, Cser L, Application of neutron holography to polycrystalline samples, EUROPHYSICS LETTERS 111:(2) Paper 26002. (2015) Birk JO, Markó M, Freeman PG, Jacobsen J, Hansen RL, Christensen NB, Niedermayer C, M?nsson M, R?nnow HM, Lefmann K, Prismatic analyser concept for neutron spectrometers, RSI 85:(11) pp. 113908-1-113908-6. (2014) Szakál A, Krexner G, Grill A, Káli G, Markó M, Cser L, Preparation of metal-hydrogen systems for neutron-holographic experiments, POLLACK PERIODICA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR ENGINEERING AND INFORMATION SCIENCES 9:(3) pp. 111-118. (2014) Tapaszto O, Lemmel H, Markó M, Balazsi K, Balazsi Cs, Tapaszto L, The influence of sintering on the dispersion of carbon nanotubes in ceramic matrix composites, CHEMICAL PHYSICS LETTERS 614: pp. 148-150. (2014) Ünnep R, Nagy G, Markó M, Garab G, Monitoring thylakoid ultrastructural changes in vivo using small-angle neutron scattering, PLANT PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY 81: pp. 197-207. (2014)



24 / 25

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET



25 / 25

Neutronoptikai kutatások az épülő Európai Spallációs Neutronforráshoz

Recommend Documents