Neutronen-Kleinwinkelstreuung an mikro- und nanostrukturierten Materialien

Abstract

In dieser Arbeit werden neutronenphysikalische Untersuchungen an mikro- und nanostrukturierten Materialien vorgestellt. Der erste Abschnitt behandelt die zum Verständnis der experimentellen Ergebnisse notwendige Streutheorie von Neutronen an Strukturen in Festkörpern. Die Methode der Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SANS) wird auf eine hochdosisbestrahlte Probe des Verbundwerkstoffes SiC/SiCf angewendet.<br />Derartige Materialien spielen eine wichtige Rolle in Konzepten für künftige Fusionsreaktoren. Die Strukturveränderungen durch die Bestrahlung im Spallationstarget der Neutronenquelle SINQ, Schweiz, werden untersucht. Zur Überprüfung der in der Ultra-Kleinwinkelstreuung von Neutronen (USANS) verwendeten Anlagen und Modelle eignen sich besonders künstlich hergestellte, mikrostrukturierte Proben aus Silizium. Durch die bekannten Strukturparameter und den modellhaften Charakter dieser Proben können die Leistungsfähigkeit der experimentellen Einrichtungen und der Modelle zur Interpretation der Streudaten getestet werden. Die Entwicklung und Herstellung einer Reihe solcher Silizium-Gitter am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der Technischen Universität Wien (ZMNS) werden beschrieben. Die anschließenden USANS Messungen am Instrument S18 des Instituts Laue-Langevin, Grenoble, das vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten betrieben wird, und das Instrument selbst werden dargestellt. Es folgt eine Gegenüberstellung der Ergebnisse dieser Messungen mit denen der neuentwickelten Spin-Echo Kleinwinkelstreuung von Neutronen (SESANS) an der Technischen Universität Delft. Die Komplementarität der beiden Verfahren wird anhand der Streudaten der Silizium-Gitter demonstriert. Ein Verfahren zur direkten Rekonstruktion eindimensionaler Streulängendichteverteilungen aus Streudaten wird auf die USANS Daten der Silizium-Mikrostrukturen angewendet. Die Ergebnisse werden mit elektronenmikroskopischen Aufnahmen verglichen und die Anwendbarkeit des Verfahrens auf USANS Messdaten zur Rekonstruktion eindimensionaler Streulängendichteprofile gezeigt. Im letzten Teil dieser Arbeit wird eine völlig neue Methode zur Charakterisierung magnetischer Strukturen von Festkörpern im [mu]m-Bereich vorgestellt:<br />Die Funktionsweise und der experimentelle Aufbau für die Ultra-Kleinwinkelstreuung polarisierter Neutronen (PUSANS) werden beschrieben und erste Messungen präsentiert.<br />

In this work studies of micro- and nanostructured materials by means of neutron scattering techniques are presented. The first part contains the theory of neutron scattering by structures in condensed matter necessary for the understanding of the experimental results. The method of small angle neutron scattering (SANS) is applied to a sample of highly irradiated SiC/SiCf composite. These materials play an important role in concepts for future fusion reactors. Radiation induced structural changes after high-dose irradiation in the spallation target of the SINQ neutron source, Switzerland, are analyzed.<br />For testing instruments and methods used in ultra-small angle neutron scattering (USANS) artificial microstructured samples fabricated from silicon are particularly suitable. Because of the known structure parameters and the model-like character of such samples the performance of the instruments involved and the models used for interpretation of the scattering data can be tested. The development and fabrication of a series of such silicon gratings at the Center for Micro- and Nanostructures (ZMNS) of the Vienna University of Technology are described. The following USANS measurements at the instrument S18 of the Institute Laue-Langevin, Grenoble, which is run by the Atomic Institute of the Austrian Universities, and the instrument itself are presented. Subsequently the results are compared to those of the newly developed spinecho small angle neutron scattering technique (SESANS) at the Delft University of Technology. The complementarity of both techniques is demonstrated by means of the scattering data obtained from the silicon gratings. A method for the direct reconstruction of one-dimensional scattering length density distributions is applied to the USANS scattering data of the silicon microstructures. The results are compared to those obtained from scanning electron microscopy and the applicability of the method to USANS scattering data for the reconstruction of one-dimensional scattering length density profiles is shown. In the last part of this work a completely new method for the characterization of magnetic structures in solids in the [mu]m-range is presented: The principle and experimental setup for ultra-small angle scattering of polarized neutrons (PUSANS) are described and first measurements are presented.