Development of a spin chopping system for the neutron spin echo interferometer at the Atominstitut's white beamline

Abstract

Das Design, die Implementierung und das Testen von zwei verschiedenen Ansätzen für breitbandiges Neutronenspinflipping, die in einem Spin-Echo-Kleinwinkelstreuungsinstrument angewendet werden sollen, wurden in dieser Diplomarbeit untersucht. Der erste Ansatz nutzt zeitabhängige Amplituden des oszillierenden Magnetfeldes, erfordert jedoch einen gepulsten Strahl, der in diesem Fall durch ein Spin-Choppingsystem erzeugt wird. Flugzeitmessungen ergaben, dass der resultierende gepulste Strahl nur ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist, weshalb dieser Ansatz nicht weiterverfolgt wurde. Für den zweiten Ansatz wird kein gepulster Strahl benötigt und der Neutronenspin wird mit Hilfe eines adiabatischen Flippers im Hochfrequenzbereich (RF) gefliippt. Mit dieser Methode lassen sich einerseits hohe Flip-Effzienzen für einen breiten Bereich von Neutronenwellenlängen erzielen, andererseits ist jedoch der elektrische Leistungsbedarf sehr hoch. Messungen der Flip-Effzienz eines einzelnen Flippers ergaben einen Maximalwert von ε = 0, 9231(15) bei einer RF-Frequenz von f = 1 MHz. In erster Linie wurde die Leistungsfähigkeit durch die im RF-Flipper und in den Kabeln erzeugte Wärme beschränkt. Dem kann man mit einem speziellen Kühlsystem entgegenwirken.

This thesis focuses on the design, implementation and testing of two different approaches towards broadband neutron spin flipping to be applied in a spin echo small angle neutron scattering instrument. The first approach utilises time dependent amplitudes of an oscillating magnetic field, but requires a pulsed beam, which in this case was realized by spin chopping. Time-of-flight measurements showed that the resulting pulsed beam had a low signal-to-noise ratio and thus this approach was not followed up. For the second approach a pulsed beam is not required and the neutron spin is fliipped with an adiabatic radio frequency (RF) flipper. On the one hand this device is capable of achieving high flip effciencies for a broad range of neutron wavelengths, but on the other hand has high electrical power requirements. Measurements of the fliip effciency of a single flipper yielded a maximum of ε = 0.9231(15) at an RF frequency f = 1 MHz. Primarily, the performance was limited by heat generated in the RF fliipper and cables, which may be counteracted by a special cooling system.