Neutronoptikai kutatások az épülő Európai Spallációs Neutronforráshoz

Átírás

1 Neutronoptikai kutatások az épülő Európai Spallációs Neutronforráshoz Markó Márton MTA WIGNER F.K. Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

2 Munkáim az elmúlt három évben Holográfia: Mágneses holográfia Biológiai rendszerek: tilakoidmembrán vizsgálata Neutronoptikai számítások az ESS-hez Reflektométer műszerpályázat (HERITAGE): többutas fókuszálás Visszaszórási spektrométer műszerpályázat (MIRACLES): másodlagos spektrométer Makromolekuláris diffraktométer (NMX) tervezése Extrém környezetű spektrométer (BIFROST) tervezése Neutronvezető rendszerek robosztusságának vizsgálata Alacsony hátterű neutronvezető rendszer kis fázistér átviteléhez (kis minta kis divergencia) Egyéb munkáim ESS: Magyar In-Kind beszállítás segítése Oktatás Szerződéses munkák (Mirrotron): oktatás, guide tervezés Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

3 ESS - Európai spallációs forrás GeV-es protonok Wolfram target Hosszú impulzusú forrás Első neutronok: 2020 Teljes intenzitás: 2025 Magyar szerepvállalás Magyarország az ESS tagországa (0.95%) Évi 1,6 M EUR 70 % beszállítással (In-Kind) Három intézet beszállító: ATOMKI EK Wigner Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

4 ESS - Európai spallációs forrás GeV-es protonok Wolfram target Hosszú impulzusú forrás Első neutronok: 2020 Teljes intenzitás: 2025 Magyar szerepvállalás Magyarország az ESS tagországa (0.95%) Évi 1,6 M EUR 70 % beszállítással (In-Kind) Három intézet beszállító: ATOMKI EK Wigner Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

5 MIRACLES: Multiple Resolution Analyser Crystal for Energy and Life Sciences Célparaméterek Felbontás: 2-30µeV ( GHz ) Mintaméret: 3-5 cm TOF visszaszórási berendezés Repülési idő: elsődleges spektrométer Si analizátor θ = 88 o Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

6 MIRACLES: Multiple Resolution Analyser Crystal for Energy and Life Sciences Megcélzott tudomány Víz dinamikája biológiai rendszerekben, cementben stb.. Makromolekulák dinamikája nem vizes közegben Alacsony energiás mágneses gerjesztések (pl nanomágneses anyagok) Polimerek dinamikája Dinamika ionvezetőkben (akkumulátor, üzemanyagcella) Protonállapotok makromolekulákban (EINS) Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

7 TOF BS felbontása Energiacsere számolása Nagyfelbontású analizátor kristály kvázi visszaszórásban (Si, θ = 88 o ): E f t f fix fix t repülési idő mérése : t i = t t f E i E = E i E f Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

8 TOF BS felbontása Felbontást meghatározó tényezők impulzus ideje τ = 45µs 3ms ( E τ t i : µeV divergencia a neutronvezetőben δ = 1.2 o δ : E = 2E 2 i 6.7 : 0.28µeV Mintavastagság I (repülési hossz) w s = 3cm: E 0 2ws L i : 0 1µeV Analizátor delta d: E d R : 1.4µeV Analizátor szórási szögének bizonytalansága: cot θ θ (véges mintamagasság miatt): 1.18µeV Másodlagos repülési hossz bizonytalansága: L f (véges mintaméret miatt, analizátor - detektor geometria miatt) E L f L i :< 0.4µeV Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

9 TOF BS felbontása Korreláció analizátor geometria: L f : minta magasság: h s : ( E a ) 2 = 4E 2 i ( ( ) 2 ) Lf L i + (cot θa θ a ) Lf L i, cot θ a θ a Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

10 t a változása Felbontásszámolás a rugalmas vonalra θ a megadja a hullámhosszat Teljes repülési idő a hullámhossztól függ Minta vastagság: < Gömbi geometria Gömb középpontja a minta felett Lassan változó másodlagos úthossz Mintamérettől függő θ a Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

11 t a változása Felbontásszámolás a rugalmas vonalra θ a megadja a hullámhosszat Teljes repülési idő a hullámhossztól függ Minta vastagság: < Toroidális geometria időfókuszálás analitikus megoldást nem találtam Függőleges szöggel lineárisan változó sugár jó közelítés Minden detektorpontban időben fókuszál különböző energiájú rugalmasan szórt neutronokat Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

12 Tökéletes gömb Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

13 Toroidális geometria Felbontás a detektor felbontásától függ nem a mintamagasságtól A rugalmas vonal időben szétkenődik a detektoron "Túl jó" felbontás változtatni lehet a szórási szögön / mintaméreten Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

14 Felbontás különböző geometriáknál θ a = 88 0, sph., h s = 3cm, I rel = 1 θ a = 88 0, sph., h s = 3cm, I rel = 0.92 θ a = 87 0, tor., h s = 3cm, I rel = 1.43 θ a = 88 0, tor., h s = 3cm, I rel = 2.19 Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

15 Guide érzékenység: motiváció A neutronvezető tervezésénél rengeteg kritikus szempont van ezek egyike a robosztusság Eddigi állítások Az ESS-nél a hosszú neutronvezetők erősen érzékenyek az optimálistól eltérő környezetre Főleg a helytelen pozícióbeállításnak van nagy hatása Miért szükséges? Általában nem kell stratégiát váltani kiv. NMX DE Pontos számokat ad a toleranciákra Pontos szigorú szerződést tesz lehetővé Biztosítja a minőséget A gyártóknak is alapvető fontosságú Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

16 Neutronvezető rendszer robosztussága Megvizsgált hatások Analitikus függvény a beállítási pontatlanság hatásaira (vezetőelemek pozíciója) Analitikus függvény a padlómozgás hatásaira (vezetőelemek pozíciója), javaslat robosztus mechanikai megoldásra Új módszer a hullámosság hatásainak számolására Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

17 Markó Márton Nyalábirányban ( MTA WIGNER F.K. ) a mrad nagyságrendű hullámosság már Munkabeszámoló veszélyes / 25 Hullámosság A neutronvezető A neutronvezető ún. neutron szupertükrökből összeragasztott általában négyszög keresztmetszetű cső Szubsztrát: üveg vagy fém Tükör: ált. Ni:Ti multiréteg ( réteg) Kritikus szög: m0.1 o /λ (m=1-5: tükör kritikus szöge a nikkelhez képest, λ: neutron hullámhossza Å-ben) Szubsztrát simasága: Hullámosság A neutronvezető tükör hullámossága a felület lassú modulációja Hullámok az ón fürdőn (borofloat) Nem tökéletes szuperpolírozás Feszültség a tükrök összeragasztásánál

18 Hullámosság hatása a transzmisszióra Eddigi mukák Hullámosság figyelembe vétele a MC programokban: Vitess, McStas (helytelen eloszlásfüggvény) MonteCarlo szimulációk, P. Allenspach et al. Proc. SPIE 4509 Analitikus megközelítés random felületi magasságeloszlásra (inkább érdesség, várható a megjelenése McStas-ban) U. Hansen, Journal of Neutron Research Szisztematikus beállítási pontosságok, C. Zendler, PR Accelerators and Beams 19, (2016) Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

19 Hullámosság: a probléma Nehéz a kezelése Árnyékolás Többszörös reflexió Tükrök gyenge leírása Segítő összefüggések Hullámosság (szögben) hullámhossz-független Fő paraméter a maximális dőlésszög Többfajta hullámosságnál a maximális dőlészögek átlaga jó paraméter Egy amplitúdóra δ RMS = max / 2 Egyenletes amplitúdóeloszlásra:δ RMS = max Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

20 Hullámosság: modellszámítás Szinuszos modell hullámhossz független Nincsenek benne ugrások Valósághűbb és egyszerűbb a random modelnél Módszer: alapok 1 Bejövő irány- és pozíció eloszlás (φ i x) 2 Effektív felület számítása α dőlésszögnél: ρ(α, φ i ) 3 Az első reflexió után φ f = φ + 2α 4 Kritikus szögnél nagyobb reflexiónál a neutron súlya nullára csökken φ f + α > φ c 5 Max kettő iteráció a reflexióra ugyanannál a tükörnél 6 A végeredmény egy transzfer-mátrix: I (φ f ) = I (φ i )T Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

21 Hullámosság: 1 reflexió 1 tükrözés szinuszhullámon 0 dőlésszögű tükrözésnek van a legkisebb súlya Növekvő divergenciának nagyob súlya van mint a csökkenőnek A hatás kis kezdeti divergenciáknál látványosabb Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

22 Hullámosság-eloszlás: 1 tükrözés Szinuszos hullámosság Egyenletes eloszlás a hullámosságban Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

23 Hullámosság: hosszú neutronvezető Gyors módszer Transzfer mátrix számolása egy véges vezetődarabra N darabon a transzfer mátrix:t n = T N 1 Pozíciófüggés számolása A reflektált intenzitás divergenciafüggésének számolása minden egyes vezetődarabra Neutron transzfer amíg a neutronok nem jutnak ki a vezetőből A vezető végén pozíció- és divergencia szerinti összegzés Lassú, de bármilyen vezető geometriára alkalmazható Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

24 Hullámosság: hosszú egyenes neutronvezető 120 m hosszú 3x3 cm 2 keresztmetszet Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

25 Neutronvezető rendszer: Érzékenységek Gyors számolás: vezetődarabok hossza Amíg nincs két szemben levő valon reflexió, a gyors számolás nem ad lényegesen eltérő adatokat Hullámosság értéke Nagyon erős érzékenység Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

26 Vezetőrendszer: érzékenység Vezető hossza Kezdetben erős veszteség Hullámhosszfüggés Versenyző hatások: több reflexió - kisebb relatív veszteség Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

27 Publikációim az elmúlt három évben Groitl F, Bartkowiak M, Bergmann RM, Okkels BJ, Markó M, Bollhalder A, Graf D, Niedermayer C, Rüegg C, R?nnow H, Evaluation of HOPG mounting possibilities for multiplexing spectrometers, NIM A 857: p. AiP. (2017) Mattauch S, Ioffe A, Lott D, Bottyán L, Daillant J,Markó M, Menelle A, Sajti S, Veres T, HERITAGE: the concept of a giant flux neutron reflectometer for the exploration of 3-d structure of free-liquid and solid interfaces in thin films, NIM A 841: pp (2017) Ünnep R, Zsiros O, Hörcsik Zs, Markó M, Jajoo A, Kohlbrecher J, Garab Gy, Nagy G, Low-pH induced reversible reorganizations of chloroplast thylakoid membranes - as revealed by small-angle neutron scattering, BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS 1858:(5) pp (2017) Groitl F, Graf D, Birk JO, Markó M, Bartkowiak M, Filges U, Niedermayer C, Rüegg C, R?nnow HM, CAMEA - A novel multiplexing analyzer for neutron spectroscopy, RSI 87:(3) Paper p. (2016) Szakál A, Markó M, Cser L, Local distortions revealed by neutron holography in SnCd alloy, PRB 93:(17) Paper p. (2016) Szakál A, Markó M, Cser L, Atomi felbontású holográfia neutronokkal, In: Szentmiklósi László (szerk.) Őszi Radiokémiai Napok Konferencia helye, ideje: Balatonszárszó, Magyarország, Budapest: Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), p. 17. (ISBN: ) Tsapatsaris N, Lechner RE, Markó M, Bordallo HN, Conceptual design of the time-of-flight backscattering spectrometer, MIRACLES, at the European Spallation Source, RSI 87:(8) Paper p. (2016) Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

28 Publikációim az elmúlt három évben Szakál A, Markó M, Cser L, Local magnetic structure determination using polarized neutron holography, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 117:(17) Paper 17E p. (2015) Szakal A, Markó M, Krexner G, Cser L, Application of neutron holography to polycrystalline samples, EUROPHYSICS LETTERS 111:(2) Paper (2015) Birk JO, Markó M, Freeman PG, Jacobsen J, Hansen RL, Christensen NB, Niedermayer C, M?nsson M, R?nnow HM, Lefmann K, Prismatic analyser concept for neutron spectrometers, RSI 85:(11) pp (2014) Szakál A, Krexner G, Grill A, Káli G, Markó M, Cser L, Preparation of metal-hydrogen systems for neutron-holographic experiments, POLLACK PERIODICA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR ENGINEERING AND INFORMATION SCIENCES 9:(3) pp (2014) Tapaszto O, Lemmel H, Markó M, Balazsi K, Balazsi Cs, Tapaszto L, The influence of sintering on the dispersion of carbon nanotubes in ceramic matrix composites, CHEMICAL PHYSICS LETTERS 614: pp (2014) Ünnep R, Nagy G, Markó M, Garab G, Monitoring thylakoid ultrastructural changes in vivo using small-angle neutron scattering, PLANT PHYSIOLOGY AND BIOCHEMISTRY 81: pp (2014) Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25

29 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET Markó Márton ( MTA WIGNER F.K. ) Munkabeszámoló / 25