Development and Commissioning of a Prototype Neutron Backscattering Spectrometer with an Energy Resolution Enhanced by an Order of Magnitude using GaAs Single Crystals

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2018-03-12
Issue Year
2018
Authors
Kuhlmann, Kristijan
Editor
Abstract

A prototype neutron backscattering spectrometer with a tenfold enhanced energy resolution with respect to the current standard is developed and tested. The gain in resolution is offered by the narrow intrinsic line width of the GaAs 200 Bragg reflection, an order of magnitude smaller than the line width of the currently used Si 111 reflection. In order to retain the narrow line width in the geometry of a user instrument composed of 10 m^2 crystal surface, variations of the lattice parameter-both radially across a given wafer as well as axially along the growth direction of ingots out of which wafers are cut-need to be mediated to (Δa/a)<10^-6. To that end, investigations into the homogeneity of commercially available crystals were conducted, revealing variations of the lattice parameter primarily driven by a dopant size effect, described using an analytical Vegard's law model. Further, damage to the crystal structure by singling wafers into 4×4 mm^2 facets is avoided by using the scribing and cleaving technique instead of sawing. Moreover, a modular design of the instrumental geometry has been brought forward where individual components are produced in series and subsequently co-aligned on a support frame using alignment mechanics. This serves to control resolution deteriorating influences, like angular misalignment to less than ε<0.1°, temperature inhomogeneities to less than δT<0.3 K as well as using an elastic glue to keep any induced strain below γ<10^-6. Test measurements of the prototype have yielded an unprecedented energy resolution of δE_res^GaAs=(76.5±3.3) neV, a factor of 10 smaller than the current standard as well as a factor of 4 smaller than the currently highest available resolution in neutron backscattering. Further, the measurements have provided a proof of concept for the construction of a full-scale user instrument.

Abstract

Ein Prototyp eines Neutronenrückstreuspektrometers mit einer um einen Faktor 10 erhöhten Energieauflösung wurde entwickelt und getestet. Die Verbesserung der Auflösung basiert auf der intrinsischen Linienbreite des GaAs 200-Bragg-Reflexes, welche um eine Größenordnung geringer ist als die des bisher verwendeten Si 111-Reflexes. Um diese schmale Linienbreite in der Geometrie eines Nutzerinstruments mit einer Kristallfläche von 10 m^2 beizubehalten, gilt es, Variationen des Gitterparameters auf (Δa/a)<10^-6 zu beschränken. Dazu wurden Untersuchungen der Änderungen des Gitterparameters kommerziell verfügbarer GaAs-Einkristalle durchgeführt. Die gemessenen Variationen des Gitterparameters werden verursacht durch den Einbau von Dotierstoffen in das GaAs-Gitter, welche durch ihre kleineren Atomradien den Gitterparameter stauchen. Dies lässt sich mit einem analytischen Modell basierend auf Vegards Gesetz beschreiben. Des Weiteren werden Schäden der Kristallstruktur, welche durch Sägen der Wafer in 4×4 mm^2-Facetten hervorgerufen werden, vermieden, indem Ritzen und Spalten als Vereinzelungsmethode verwendet wird. Darüber hinaus wurde ein modulares Konzept der Instrumentgeometrie entwickelt, in welchem einzelne Komponenten in Serie hergestellt und anschließend mittels einer Justagemechanik auf einem Gerüst montiert werden. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, auflösungs¬limitierende Einflüsse innerhalb ihrer jeweiligen Toleranzen zu kontrollieren, etwa die Abweichung von der Soll-Orientierung auf ε<0.1°, die Homogenität der Temperatur auf δT<0.3 K, sowie die Verwendung eines elastischen Klebers, um etwaige, durch den Kleber verursachte Verspannungen der Kristallstruktur auf γ<10^-6 zu halten. Während der Testmessungen mit dem Prototypen wurde eine zuvor unerreichte Energieauflösung von δE_res^GaAs=(76.5±3.3) neV nachgewiesen, die einen Faktor 10 kleiner als der gängige Standard sowie einen Faktor 4 kleiner als die zur Zeit höchste, zur Verfügung stehende Auflösung in der Neutronenrückstreuung ist. Im Übrigen wurde durch die Messungen die Möglichkeit des Baus eines Nutzerinstruments in voller Größe nachgewiesen.

DOI
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