Project

Back to overview

Fully focusing neutron reflectometer for the Swiss spallation neutron source SINQ at PSI

English title Fully focusing neutron reflectometer for the Swiss spallation neutron source SINQ at PSI
Applicant Stahn Jochen
Number 177018
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.11.2018 - 31.10.2020
Approved amount 375'000.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Pharmacology, Pharmacy

Keywords (6)

interfaces; magnetic films; neutron reflectometry; focusing reflective optics; organic films; diffusion

Lay Summary (German)

Lead
Reflektometrie ist eine Methode um Dichteprofile an oder nahe bei Oberflaechen zu bestimmen. Während mittels Roentgenreflektometrie die Elektronendichte und somit in etwa die Massedichte gemessen wird, liefern Neutronen durch ihre Wechselwirkung mit den Atomkernen oft komplementäre Information. Dies ist besonders hilfreich bei organischen Oberflächen oder Membranen. Darüberhinaus sind Neutronen sensitiv auf Magnetfelder und erlauben so eine zerstörungsfreie Bestimmung der Magnetisierung in Festkörpern.Neutronenreflektometrie wird limitiert durch die im Vergleich mit Roentgenreflektometrie sehr niedrige verfügbare Strahlintensität (bei gleichzeitig deutlich grösserer Quelle). Dies führet zu sehr langen Messzeiten von bis zu einigen Tagen und zur Verwendung möglichst grosser Proben.
Lay summary
Wir bauen ein Neutronenreflektometer, das Konzepte aus der Licht- und Röntgenoptik übernimmt. Insbesondere bedeutet das die Realisierung einer fokussierenden, fehlerkorrigierten Optik. In Analogie zur Lichtoptik entspricht das dem Übergang von der camera obscura zur Objektiv-Kamera.
Die Fokussierung in horizontaler Richtung erlaubt es deutlich kleinere Proben zu untersuchen, d.h. von wenigen mm Breite. Das entspricht dem, was mit anderen, komplementären Methoden (Röngenbeugung, Magnetometrie) üblich ist.
Zusammen mit einer neu entwickelten Datenerfassungs- und Auswertungsmethode erlaubt die vertikale Fokussierung die Messzeit um mehr als einen Faktor 10 zu senken.
Die kontrollierte und präzise Strahlführung ermöglicht den Einsatz hocheffizienter Filter zum Beispiel um die Energie der Neutronen einzuschränken oder um die ihre magnetische Polarisation zu definieren.
Gegenstand dieses Projektes ist, erstmalig ein Neutronenreflektometer komplett basierend auf einer 30 m langen fokussierenden Optik zu realisieren.

Kontext

Aufgrund des breiten Anwendungsbereichs von Neutronenreflektometrie erwarten wir signifikante Fortschritte auf vielen Gebieten. Ein Beispiel für die angewandte Forschung ist das Diffusionsverhalten in Batterien. Es wird in Zukunft möglich sein, die Verteilung der Ionen in den Elektronen während realistischer Arbeitsbedingungen zu verfolgen - und nicht wie bisher mit stark reduzierten Ladeströmen.
Im Bereich organischer Filme erlaubt der Einsatz einer zusätzlichen Optik den Messuntergrund um eine Grössenordnung zu reduzieren - und erweitert damit das Anwendungsfeld auf organische Filme die nur wenige nm dick sind.
Für die Grundlagenforschung ist neben der reduzierten Messzeit sicherlich die Kompatibilität mit anderen Messmethoden der grösste Gewinn. Die hier untersuchten Proben sind herstellungsbedingt oft nur wenige Quadratmillimeter gross.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.09.2018

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169704 Reversible Magnetoelectric Switching by Lithium Intercalation 01.08.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Neutron reflectometry is one of the most powerful methods available for probing depth profiles at surfaces and interfaces. Its unparalleled capabilities for profiling the chemical composition and induced magnetisation make it uniquely applicable to problems in both fundamental and applied science. These include charge profiles in artificial layered structures, for investigating basic phenomena governing the interaction of superconductivity and magnetism, density pro-files of organic membranes on liquid or solid surfaces, for biophysics research, and coupled charge and spin profiles in functional devices such as batteries and magnetic storage media.Neutrons possess distinct qualitative advantages over their closest competition, x-ray reflec-tometry. First among these is their far greater penetration, which enables access to interfaces up to several cm inside a sample. This also means that the sample can be mounted inside complex equipment, including growth chambers, cryomagnets and furnaces. The historic drawback of using neutrons is the low available fluxes, which limit their application with re-spect to sample size and time resolution. The applicant has spent several years pushing these frontiers from different angles, including the development and realisation of new types of opti-cal components and measurement schemes. The pivotal element in this context is the Selene optics system, which offers order-of-magnitude performance improvements.In Selene optics, the defined beam trajectory enables elegant ways to polarise the beam, to en-code wavelength and beam direction and to shift the focal plane, all while leaving enough space to install any required components and environments between the neutron source and the sample. A demonstrator of the Selene system and its auxiliary components has already been tested successfully on the old Amor reflectometer, where it enabled experiments that failed be-fore on brighter neutron sources. This small demonstrator consists of a 4 m Selene optics in-sert in the 40 m length of the old Amor, and is capable of illuminating at most 2 mm of the sample surface. An optimised set-up, with a short guide and a full-scale Selene optics system, would have negligible guide losses, a 20 mm footprint on the sample and, by remote filtering of unwanted neutrons, a reduction of background counts to percent levels.The Paul Scherrer Institut is in the first phase of a major upgrade programme which is de-signed to prepare the Swiss Spallation Neutron Source, SINQ, for internationally competitive science over the coming decades. As part of these far-reaching infrastructure improvements, most of the detector instruments will be equipped with new neutron guides. This reconstruc-tion offers the ideal opportunity to realise a purpose-built and optimised Selene optics system for the first time at full scale and to apply it to the science of neutron reflectometry. Qualitative improvements over the present situation will include the reduction of counting times by factors up to 30, the reduction of background by up to one order of magnitude and building the capa-bilities to perform polarisation analysis, astigmatic focusing, angle-wavelength-encoding and other features that will provide a further broadening of the scientific scope of the instrument.While the conventional and infrastructure work on the detector station will be covered by SINQ upgrade program, this does not extend to the specialised optics and operation hardware for rebuilding Amor as a contemporary and highly flexible reflectometer optimised for the wide range of current demands in science and applications. From R'Equip we request 750 kCHF, which together with the matching PSI funds will be used to purchase the Selene optics, polar-iser, polarisation-analyser, adapted diaphragms, matching detector and new sample-environment hardware appropriate for the investigation of liquid surfaces and magnetic struc-tures. All of this would position Swiss neutron science at the forefront of international research and applications using reflectometry for the full two-decade lifespan of the upgraded SINQ.
-