Simulation von magnetischer Ultrakleinwinkelneutronenstreuung mittels Streudatensynthese

Abstract

Die vorliegende Arbeit aus dem Bereich Neutronenphysik befasst sich mit einer Aufgabenstellung zum Thema magnetische Ultrakleinwinkelneutronenstreuung (USANSPOL). Es wird gezeigt, wie durch die Erstellung numerisch berechneter (synthetischer) Streudaten und ihrer anschließenden Auswertung Rückschlüsse für die Analyse von realen Streudaten gewonnen werden können. Zent-raler Gegenstand ist die Entwicklung einer auf der Softwareumgebung IGOR Pro basierenden -USANS Simulation Application-, mit der unterschiedlich parametrisierte Streukurven rasch über eine einfach zu bedienende Oberfläche erstellt werden können. Die Arbeit beginnt nach einem einführenden Überblick über das Themengebiet mit einer mathematischen Abhandlung der theo-retischen Grundlagen, die später das Fundament der Applikationskernbereiche bilden. Im an-schließenden Hauptteil wird die Vorgehensweise, wie die Streudatensynthese umgesetzt wurde, dokumentiert: Eingangs wird die verwendete Software und ihre Schlüsselkonzepte präsentiert, danach werden alle Entwicklungsschritte bis hin zur Erstellung einer kompletten USANSPOL Streukurve detailliert beschrieben. Für jeden Teilbereich wird das mathematische Konzept vorge-stellt, die programmtechnische Umsetzung beschrieben, die Bedienung der zugehörigen Oberflä-chenelemente erläutert und anschließend ein exemplarisches Ergebnis abgebildet. Lösungsansät-ze für eine Vielzahl an auftretenden Problemen, wie zum Beispiel die numerische Abbildung un-endlicher Integrationsgrenzen bei der Berechnung der Schlitzverschmierung oder das Auffinden von Rahmenbedingungen für die erfolgreiche Faltung der Rockingkurve mit einer beliebigen Streukurve, werden präsentiert. Um die Berechnungszeiten der Streudaten auf ein Minimum zu reduzieren, wurde die Programmierung der Berechnungsmethoden speziell auf die Unterstützung von Multi-Core Prozessoren abgestimmt. Zusätzlich wird eine Methode vorgestellt, wie mit Hilfe von applikationsspezifischen, zweidimensionalen Wave-Objekten (Matrixwaves) und Multithrea-ding mehrdimensionale Integrale effizient berechnet werden können. Im letzten Teil der Arbeit werden mit Hilfe der fertiggestellten Applikation ausgewählte Fragestellungen behandelt, die im Rahmen der Analyse von realen Streudaten auftreten. Dadurch können einige interessante Ant-worten abgeleitet werden, die erkennen lassen, wie komplex das Zusammenspiel der mannigfalti-gen Parameter in Bezug auf die Zusammensetzung der Streukurve ist. Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten bei gleichzeitig einfacher Bedienung machten die Applikati-on einerseits zu einer wichtigen Komponente dieser Arbeit, andererseits unterstreichen sie aber auch ihr Potential, komplementär in der Streudatenanalyse oder optional als unterstützendes Werkzeug im Lehrbetrieb eingesetzt zu werden.

The present work from the area of neutron physics is concerned with a task regarding magnetic ultra-small angle neutron scattering (USANSPOL). It is shown how generation and subsequent analysis of numerical calculated (synthetic) scattering data allows one to draw inferences that could be helpful in analysis of actual scattering data. Central aspect is the development of an IGOR Pro based USANS simulation application, which utilizes a simple user interface to generate scattering graphs of various parameter settings rapidly. An introduction into the topic of neutron scattering in general is followed by a mathematical discourse about the theoretical principles, which is used as a foundation for the application`s core components later on. The main part of the work documents the approach on how scattering data synthesis is being realized: First off, the software and its main concepts are presented, and then all steps regarding the development of the USANS simulation application are described in detail. For every section, the underlying math-ematical concept and the programmatic implementation is presented, handling of the user inter-face is explained and finally an exemplary output of the result is shown. Solutions for a variety of occurring problems like on how to handle infinite integration limits during the numerical calcula-tion of the slitheight-smearing or finding the appropriate parameters to successfully convolve the rocking curve with an arbitrary scattering curve are being discussed. To minimize the time re-quired for calculating scattering data, the programming of calculation methods is focused on sup-porting multi-core processors systems. Furthermore a very efficient method for computing multi-dimensional integrals by utilizing two-dimensional wave-objects (matrix waves) in multithreaded wave assignments is being introduced. In the final part of this work, selected issues that arise from analysis of real scattering data are being discussed. Several interesting answers can be de-rived, which, on the other hand, show how complex the interactions between the various parameters are in relation to the composition of the scattering curve. Miscellaneous applications coupled with simple usability made this application an important component of this work, and also underline its potential to be utilized in either complementary scattering data analysis or as an optional tool in teaching.