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Bachelorarbeit
Diamantkristalle als
Monochromatormaterial für
Neutronenstreuinstrumente
Autor: Axel Haunholter
02.01.2014
Erstprüfer: Herr Prof. Dr. Christian Alt
Zweitprüfer: Herr Prof. Dr. Rolf Heilmann
Betreuer am FRM II: Herr Dr. Peter Link
Überprüfung des Reinigungsprozesses von möglich aktivierten Schichten. Genaue
Untersuchung des (220)-Reflexes unter einem Azimut. Verifizierung der vorhandenen
Röntgencharakterisierung der Krümmungsradien der Kristalle mit Hilfe von Neutronen.

Inhalt
1.0. Einleitung ........................................................................................................................................ 3
1.1 Stand der Forschung und Motivation zu den Untersuchungen an den Diamantkristallen
............................................................................................................................................................. 3
2.0. Grundlagen .................................................................................................................................... 5
2.1 Das Neutron ................................................................................................................................ 5
2.2. Die Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) ........................................................................... 6
2.3. Einkristalle als Monochromatoren für Neutronenstrahlen................................................... 7
2.4 Herstellungsprozess der Diamanten ..................................................................................... 11
3.0. Überprüfungen der Diamantkristalle auf Reste von Iridium ................................................. 15
3.1. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) ................................................................ 15
3.2. Prompt-Gamma Activation Analysis (PGAA) ...................................................................... 15
3.2.1. Experiment Aufbau .......................................................................................................... 16
3.2.2. Messergebnisse ............................................................................................................... 18
3.3. Neutron Activation Analysis (NAA) ....................................................................................... 20
3.3.1. Experiment Aufbau .......................................................................................................... 20
3.3.2. Messergebnisse ............................................................................................................... 20
3.4. Zusammenfassung ................................................................................................................. 21
4.0. Untersuchung von Diamantkristallen mit Neutronenstreuinstumenten .............................. 22
4.1. Streuexperiment mit Diamantkristallen im weißen Strahl am Instrument Antares ........ 24
4.1.1. Experiment Aufbau .......................................................................................................... 24
4.1.1.1. Probenhalter mit Lineartisch ........................................................................................... 28
4.1.1.2. Winkelkorrekturen ............................................................................................................ 30
4.1.2. Messergebnisse ................................................................................................................... 31
4.1.2.1. Intensitätsverlauf abhängig von der Wellenlänge ................................................... 31
4.1.2.2. Fokussierende und defokussierende Eigenschaften der Diamanten ................... 33
4.1.2.2.1 Untersuchung des Krümmungsradius für die fokussierende und
defokussierende Wirkung .......................................................................................................... 34
4.1.2.2 Vergleich von Hypothese und Messungen ................................................................ 36
1

4.2. Messung der Reflektivität am Diffraktometer mit heißen Neutronen HEiDi ................... 38
4.2.1. Experiment Aufbau .......................................................................................................... 38
4.2.2. Messergebnisse ............................................................................................................... 39
4.3. Interpretation ............................................................................................................................ 42
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................ 43
Erklärung .............................................................................................................................................. 45
Anhänge ............................................................................................................................................... 46
2

1.0. Einleitung
1.1 Stand der Forschung und Motivation zu den
Untersuchungen an den Diamantkristallen
Theoretische Überlegungen zeigen, dass Mosaikkristalle aus Diamant ein nahezu ideales
Material als Monochromator für heiße und thermische Neutronenstrahlen wären (1) (2).
Diese Erkenntnis führte zur Kooperation mehrerer Institute, zum Einen die
Neutronenforschungszentren Institut Laue-Langevin in Grenoble und die Forschungs-
Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching, zum Anderen der Lehrstuhl für
Experimentalphysik IV des Instituts für Physik an der Universität Augsburg, spezialisiert auf
die Züchtung von Diamantmaterialien.FRM II Das Vorhaben wird durch den Bereich der
Verbundforschung beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im
Förderbereich kondensierte Materie gefördert. Ziel ist es, einen Prototypmonochromator aus
Diamantkristallen aufzubauen und diesen an einem Neutronendiffraktometer zum Einsatz zu
bringen. Es wird im Vergleich zu bisher eingesetzten Monochromatormaterialien ein
deutlicher Intensitätsgewinn erwartet. Dadurch kann das Signal-/Untergrundverhältnis bei der
Messung mit dem Instrument verbessert, oder die Messzeit verkürzt werden (3) .
An der Universität Augsburg werden Diamantkristalle mittels chemischem
Dampfphasenabscheideverfahren (chemical vapour deposition - CVD) hergestellt. Die
hergestellten Kristallplättchen haben typische Abmessungen von 15 x 15 x 1.5 mm 3 , die
Flächennormale der Plättchen entspricht der (100) Kristallrichtung. Durch Stapeln von je 3
Kristallen wurden insgesamt 16 Monochromatorelemente für einen ersten
Prototypmonochromator (siehe Abbildung 1 b) aufgebaut. Erste Messungen mit diesem
Monochromator-Prototypen ergaben jedoch bei den Wellenlängen von 0,5 Å und 0,8 Å nicht
die erwartete Intensitätsverbesserung. Abbildung 1 a) zeigt den schematischen Aufbau des
Instruments D9 am ILL in Grenoble an dem der Prototyp an der Position des bisherigen
Monochromators aus Kupferkristallen eingesetzt wurde. Es wurden die Zählraten an zwei
verschiedenen Positionen am Instrument verglichen: Am Monitorzähler vor der Probe und im
Detektor nach Streuung an einer Standardprobe.
Abbildung 1 a) Messaufbau am Instrument D9 ILL b) Getesteter Diamantprototyp mit 16
Diamantstapeln (4) (5)
3

Die Messergebnisse des Prototypmonochromators und des vergleichbaren
Kupfermonochromators am D9 ILL sind in Tabelle 1 aufgeführt, sie zeigen einen
Intensitätsgewinn mit einem Faktor von 1,12 für den mit C* gekennzeichneten
Diamantmonochromator. Aus den theoretischen Überlegungen wird jedoch ein
Intensitätsgewinn um einen Faktor zwei bis drei je nach Wellenlänge erwartet. Zusätzlich
wird ersichtlich, dass der Gewinn der Intensität nicht von der Wellenlänge abhängt (4) (5).
Material Cu C* Cu C*
Wellenlänge 0,8 0,8 0,5 0,5
Intensität 488929 548068 422774 476621
Gainfaktor 1,12 1,12
Tabelle 1 Messwerte am Instrument D9 ILL (4)
Der Prototypmonochromator wurde für circa 100 Tage am Instrument D9 ILL genutzt und
dabei radioaktiv so stark aktiviert, dass eine Bearbeitung des Prototypen erst nach einer
Wartezeit von mehr als einem Jahr möglich ist. Die unerwartet geringe Neutronenreflektivität
und die unerwünschte Aktivierung geben den Anlass für eine weitere Untersuchung der
einzelnen Kristalle, wie in der folgenden Arbeit beschrieben wird.
Im ersten Teil muss die Herkunft und das Vermeiden der ungewollten Aktivierung durch
Neutronen geklärt werden. Der zweite Teil behandelt die genauere Untersuchung der
Reflektionseigenschaften der Kristalle und möglicher Ursachen für die zu geringe Intensität
im Einsatz als Monochromator im Neutronenstrahl.
4

2.0. Grundlagen
2.1 Das Neutron
Freie Neutronen sind ein ideales Werkzeug für viele verschiedene Instrumente. Hierbei kann
die atomare, molekulare Struktur, sowie die dynamischen Eigenschaften der kondensierten
Materie genauer erforscht werden. Fusion und Spaltung werden für eine effektive Produktion
von freien Neutronen benutzt (6).
Das Neutronenspektrum wird gewöhnlich in drei Intervalle unterteilt. Es gibt schnelle
Neutronen mit einer Energie 1 , Neutronen mit einer mittleren Energie zwischen
1 und 1 und langsame Neutronen mit einer Energie von 1 . Die langsamen
Neutronen werden wiederrum unterteilt in epithermale 100 0,025 ,
thermische 0,025 , kalte 25 0,05 , sehr kalte 0,05
0,0002 und ultrakalte Neutronen mit einer Energie von 2 10 . In Diagramm
1 wird ein Überblick über die Klassifizierung der verschiedenen Neutronen vermittelt. Aus der
Kernspaltung haben die Neutronen eine Energie von mehr als 2 , diese werden dann mit
verschiedenen Moderatoren über Stoßprozesse verlangsamt. Am FRM II werden
typischerweise langsame Neutronen eingesetzt. Entsprechend dem Welle Teilchen
Dualismus kann einem Neutron eine Wellenlänge gemäß der Gleichung
2
zugeordnet werden. bezeichnet dabei die Lichtgeschwindigkeit, das Planksche-
Wirkungsquantum und die Ruhemasse des Neutrons.
Abbildung 2 Einteilung der Neutronen nach ihrer Energie
5

2.2. Die Forschungs-Neutronenquelle (FRM II)
Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Meier-Leibnitz (FRM II) ist ein 20 MW Reaktor, der
für die Gewinnung von freien Neutronen und ihre Nutzung für wissenschaftliche Experimente
und industrielle Anwendungen gebaut wurde. Zur
Erzeugung von Neutronenstrahlen verwendet der
FRM II die Spaltung von 235 U mit thermischen
Neutronen. Bei dieser Kernreaktion entstehen
jeweils zwei bis drei schnelle Neutronen. Diese
werden sowohl im Kühlwasser als auch im
schweren Wasser des Moderatortanks
abgebremst. Die so abgebremsten (moderierten)
Abbildung 3 Prinzip der Kernspaltung (8) Neutronen spalten in einer kontrollierten
Kettenreaktion weiteres Uran oder werden als
Neutronenstrahlen genutzt. Das Energiespektrum der thermischen Neutronen kann durch
eine Maxwell-Verteilung mit einer charakteristischen Temperatur von etwa 350 Kelvin
beschrieben werden. Durch weitere Moderatoren, die als kalte Quelle und heiße Quelle
bezeichnet werden, wird das Energiespektrum verschoben. Je nach Experiment werden
nämlich verschiedene Wellenlängen benötigt, die ein unterschiedliches Spektrum
voraussetzen. In der kalten Quelle ist dies flüssiger schwerer Wasserstoff bei 25 Kelvin und
in der heißen Quelle Graphit bei 2273 Kelvin. Die Neutronen verändern ihre Geschwindigkeit
durch Stöße an der kalten und heißen Quelle und damit ihre Energie. Mit den sogenannten
Strahlrohren werden die Neutronen aus dem Inneren des Reaktors und seiner dicken
Stahlbetonabschirmung geleitet. An den Strahlrohren sind die verschiedenen Instrumente
zur Nutzung der Neutronenstrahlen aufgebaut. Mittels sogenannter Neutronenleiter - speziell
beschichteter Gläser - können kalte und thermische Neutronen nahezu verlustfrei geleitet
werden um weitere Instrumente auch in größerer Entfernung von der eigentlichen Quelle in
der Neutronenleiterhalle zu realisieren. Ein Brennelement von acht Kilogramm U 3 Si 2 versorgt
die Forschungseinrichtung 60 Tage mit Neutronen. Diese 60 Tage beschreiben einen
Reaktorzyklus. Anschließend muss das Brennelement gewechselt werden, um einen neuen
Zyklus zu starten. Neben der Untersuchung von verschiedensten Materialien mittels
Neutronenstreuung, spielt am FRM II die Bestrahlung mit Neutronen zum Beispiel zur
Dotierung von Silizium und der Gewinnung von Radiopharmaka, aber auch die direkte
Tumortherapie durch Bestrahlung mit hochenergetischen Neutronen eine wichtige Rolle (7)
(8).
6

2.3. Einkristalle als Monochromatoren für Neutronenstrahlen
Sehr oft wird an Neutronenstreuinstrumenten nur eine ausgewählte Wellenlänge oder
Neutronenenergie benötigt und nicht das ganze Spektrum des Neutronenstrahls. Dabei
kommen je nach Instrument verschiedene Verfahren zur Auswahl der Einfallsenergie der
Neutronen zur Anwendung. Bei der Flugzeitmethode und bei der Nutzung von
Geschwindigkeitsselektoren geschieht die Energieselektion auf Grund der
Teilchengeschwindigkeit der Neutronen, also ihrer kinetischen Energie. Bei der Streuung
eines Neutronenstrahls an einem (Monochromator-) Kristall macht man sich die
Welleneigenschaften der Neutronen zu Nutze. Entsprechend der Bragg Gleichung wird für
einen gegebenen Streuwinkel und eine Netzebenenschar eine Wellenlänge reflektiert. So
kann aus einem Neutronenspektrum (weißen Strahl) die gewünschte Wellenlänge zu dem
Instrument reflektiert werden.
Bragg-Gleichung: 2 sin
In Worten ausgedrückt beschreibt der Winkel die Orientierung des Kristalls im weißen
Strahl und die Wellenlänge der reflektierten Neutronen. Der Netzebenenabstand des
Kristalls wird mit € angegeben, wobei mit ‚) die Millerschen Indizes der betreffenden
Netzebenenschar bezeichnet werden.
Diamant im Speziellen weist eine hochsymmetrische kubische Struktur mit der Raumgruppe
ƒ3„ auf. Für die Netzebenenabstände eines kubischen Systems mit der Gitterkonstante …
gilt:
…
Ö † † ‚
Wenn wir die Bragg-Gleichung in Wellen-Vektoren schreiben, erhalten wir:
‡ 2 ˆ‰Š
wobei ‡ € ‹
Œ
‹
Für die Verwendung als Monochromator sollte die Reflektivität eines Kristalls möglichst groß
sein. Bei einem perfekten Kristall ist die Streubedingung nur für ein unendlich schmales
Winkelintervall erfüllt. Für das Erzielen einer großen Reflektivität wird besser ein
Mosaikkristall benutzt. Dieser Kristall besteht aus vielen kleinen, perfekten Kristallen mit
einer relativen Fehlorientierung zueinander. In einer vorgegebenen Richtung wird die
Ausrichtung des Kristallits relativ zum Mittelwert mit Ž bezeichnet. In der Regel wird eine
Gauß-Funktion Ž angenähert mit einer Breit von :
Ž 1
Ö2‘
’“
” “
Bei Experimenten ist es üblich, die Breite der Verteilung bei der halben Intensität zu messen.
Dies wird in der Technik als full-width at half-maximum (FWHM) bezeichnet, wobei
ƒ • 22‚Š2 entspricht. Wenn im Folgenden von gesprochen wird, ist die Breite
mit der (FWHM) gleichzusetzen. Ein Mosaikkristall wird auch als unvollkommener Kristall
bezeichnet. Wenn die Absorption vernachlässigbar klein ist, spricht man von einem idealen,
unvollkommenen Kristall.
7

Die Reflektivität eines solchen Kristalls wird mit der kristallographischen Größe – —
beschrieben.
–˜
ƒ š
› ˆ‰Š2Q
Hierbei ist › das Einheits-Zellvolumen. Diesem entspricht
Zellen pro 1 ist. ƒ š ist der statische Kernstrukturfaktor,
œ
š , wobei ž˜ die Anzahl der
ƒ š Ÿ ¡ ¢£ ¤
wobei die Summe über alle Atome in der Einheitszelle gebildet wird. ¡ ist die
Streuungslänge und £ ¡ beschreibt die Position von jedem j-tem Atom in der Elementarzelle.
Die integrierte Reflektivität eines sehr kleinen, perfekten Kristalls ist bei einem
monochromatischen Strahl proportional zu – — ¥.
Für einen großen, flachen Mosaikkristall mit der Dicke ¦ , kann die Peak-Reflektivität durch
¡
§¨ §
1 † §
§
– — ¦
Ö2‘ ˆ‰Š2Q
angegeben werden.
Wenn §

teuer in der Herstellung. Beryllium ist im Prinzip eines der besten Materialien, es verfügt über
einen großen Streuquerschnitt für Neutronen und eine kleine Einheitszelle. Das Material wird
bei Instrumenten eingesetzt, die einen möglichst großen Wert benötigen. Die Toxizität
erschwert jedoch die Herstellung geeigneter Kristalle erheblich. Kupfer besitzt, wie auch
Beryllium, einen großen reziproken Gittervektor, so dass dieses Material bei Energien über
¬ 50 zum Einsatz kommt.
Silizium und Germanium besitzen eine Diamant-Struktur. Diese werden meistens bei der
(111)-Reflexion eingesetzt, um die gewünschte Wellenlänge zu erzeugen. Vorteil ist hier,
dass die unerwünschte Wellenlänge ­ /2 nicht gestreut wird, da der (222) Reflex in der
Diamant Struktur ausgelöscht ist. Jedoch können immer noch Neutronen mit /3
Wellenlänge an der (333) Ebene reflektiert werden. Die Energie entspricht dem Neunfachen
der eigentlichen Energie der genutzten Neutronen. Typischerweise werden Silizium und
Germanium bei thermischen, moderierten Neutronen eingesetzt, bei diesen ist die Intensität
der Neutronen mit einer Wellenlänge von /3 relativ gering.
Das etablierte Material für kalte Neutronen ist Highly Ordered Pyrolytic Graphite (HOPG). Es
besitzt eine hohe Reflektivität und eine typische Mosaikbreite von 0,4°.
Bei einem Spektrometer ist nicht nur die maximale Reflektivität wichtig, sondern auch die
Winkelbreite der Reflektion, die durch die Mosaizität des gewachsenen Kristalles bestimmt
ist. Beim normalen Wachstumsprozess ist die Kristallstruktur in der Regel zu perfekt und
weist eine zu geringe Mosaizität auf, wodurch die integrierte Intensität sehr gering ist.
Mehrere Forschergruppen haben sich in der Vergangenheit mit der Aufgabe beschäftigt, die
Mosaizität kontrolliert zu beeinflussen. Fortschritte erzielte A. Freund am ILL. Bei dieser
Methode werden Versetzungen durch eine Verformung nahe des Schmelzpunktes
produziert, die zu Spannungen im Kristall führen. Diese Netzebenen sind nach der
Gaußschen-Normalverteilung verkippt (10). Ein anders Verfahren erzeugt Kristalle mit einer
anisotropen Mosaikstruktur. Die in der Regel 0,3 mm dicken Kristalle werden erhitzt und
wiederholt deformiert und abgeflacht. Dieser Prozess wurde mit Silizium- und
Germaniumkristallen erfolgreich durchgeführt. Ergebnis war ein doppelt so großes
Reflexionsvermögen (11).
Tabelle 2 zeigt typische Kristallmaterialien mit Ihren spezifischen Konstanten. Besonders
wichtig ist die letzte Spalte diese gibt die Peak-Reflektivität wieder (1).
9

Es bestehen Möglichkeiten den Neutronenfluss zu erhöhen. Zum einen können Kristallstapel
hergestellt werden. Einzelne Kristall werden übereinander ausgerichtet und dann
miteinander verklebt. Mehrere Kristalle aufeinander werden auch als Stack bezeichnet.
Bei Neutronen ist die Quelle viel größer als bei der Röntgenstrahlung, daher können
Neutronen fokussiert werde. Erste Erfahrungen auf dem Gebiet der Fokussierung wurden
von Heinz Maier Leibnitz gesammelt (12) (13). (14)
10

Die Mosaikstruktur ist eine Größe der verkippten Kristalliten. Ein Kristall besteht aus
tausenden solcher kleinen Kristallitblöcken. Die Kristalle sind in einem Mehrschichtsystem
aufgebaut, das durch chemische Dampfphasenabscheideverfahren (CVD) realisiert wird.
2.4 Herstellungsprozess der Diamanten
Mittels der chemischen Gasphasenabscheidung (Chemical vapor deposition CVD) werden
die Diamanten hergestellt. Hierbei handelt es sich um ein Niedrigdruckverfahren, im
Gegensatz zur Herstellung normaler Industriediamanten, die bei hohen Drücken produziert
werden. Für die Herstellung einkristalliner Diamantschichten gibt es zwei unterschiedliche
Ansätze: Homoepitaxie und Heteroepitaxie. Hierbei bedeutet Epitaxie, dass der Kristall auf
einem Substrat aufwächst und mindestens eine Orientierung des Substrates annimmt. Die
Suche nach einem geeigneten Fremdsubstrat stellte hierbei eine große Herausforderung
dar. Erst mit Iridium war ein Substrat verfügbar, das einen hohen Orientierungsgrad (damit
eine geringe Mosaikbreite) mit dem Potential der Hochskalierbarkeit verband. Erste
Versuche zu Diamant/Iridium Schichten machte die Universität Augsburg 1996 (15). Seitdem
wurden die Herstellungsprozesse stetig verbessert. Erste Erfolge mit Diamantkristallen und
(001) Orientierung wurden erzielt (16). In Abbildung 3 wird der Herstellungsprozess des
Diamanten genau beschrieben und das Multischichtsystem mit der Zusammensetzung von
Ir/YSZ/Si (100) schematisch skizziert. Als Trägermaterial wird ein Silizium Wafer mit 100mm
Durchmesser benutzt. Beim ersten Schritt wird epitaktisches Yttriumoxid-stabilisiertes
Zirkondioxid (YSZ) mittels Laserablation, im Englischen bekannt als pulsed laser deposition
(PLD), auf die Siliziumscheibe aufgebracht. Beim Laserstrahlverdampfen wird das Substrat
mittels des Laserstrahls so stark erhitzt, das ein Plasma entsteht, welches sich kontinuierlich
auf den Siliziumwafer abscheidet. Bei hohen Prozessdrücken können selbst Atomgruppen,
auf das Target abgeschieden werden. Die Iridiumschicht wird durch das Verfahren des
Elektronenstrahlverdampfens auf die (YSZ) Schicht aufgetragen. Hierbei ist das Medium
nicht wie vorher ein Laser, sondern beschleunigte Elektronen, die genügend Energie
besitzen, um Atome aus dem Festkörper zu schlagen und wiederum ein Plasma zu
erzeugen, welches eine kontinuierliche Abscheiderate zulässt. Laserstrahlverdampfen sowie
Elektronenstrahlverdampfen werden im Vakuum und unter einer Stickstoffschutzatmosphäre
vollzogen. Bei der epitaktischen Keimbildung entstehen gleichmäßig verteilte
Kohlenstoffatome, die als ausgerichtete Keime für die höheren Kristallschichten dienen (17).
11

Abbildung 3 Überblick des Herstellungsprozesses des Diamanten und fertiger Aufbau
1 Schritt: Orientierter Siliziumwafer
2 Schritt: Laserstrahlverdampfen von Yttriumoxid-stabilisierten Zirkondoxid
3 Schritt: Aufbringen von Iridium mittels Elektronenstrahlverdampfen
4 Schritt: Wachstum der Diamantschicht
5 Schritt: Zerschneiden mit Hilfe eines Laserstrahls
6 Schritt: Charakterisierung mit Röntgenstrahlen
7 Schritt: Auswahl von geeigneten Kristallen
12

In der Abbildung 4 sind die Diamantwachstumskeime als helle Flecken zu erkennen, diese
geben für das weitere Wachstum die Orientierung vor. In Abbildung 5 sind die Diamantkeime
in Phase eins zu erkennen. Wenn das Wachstum voran geschritten ist, bei etwa 10,
entstehen individuelle Kristalle, die durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Im letzten
Stadium der Diamantbildung treten Einkristalle mit kurzen Defektbändern auf. Über eine
Größe von 30 wachsen die Kristalle einkristallin. Um die Dimensionen in Relation zu
setzten eine kurze Veranschaulichung: Der fertige Kristall weist eine Höhe von circa 1000
auf und die einkristalline Schicht beginnt bei 30. Dies zeigt, dass der Kristall zum deutlich
überwiegenden Teil einkristallin aufgebaut ist. Anschließend werden die Kristalle quadratisch
geschnitten und mit Röntgenstrahlung untersucht.
Abbildung 4 Bild eines Rasterelektronenmikroskop von Diamantkeimen auf einem Mo Substrat
(18)
Abbildung 5 Verschiedene Phasen des Diamantwachstum
13

Es stellt sich heraus, dass die Kristalle in beide Richtungen gekrümmt sind. Hierbei bewegen
sich die durchschnittlich hergestellten Diamanten in den Krümmungsradien von fünf bis zehn
Metern. In Abbildung 6 wird die Problematik mit extremen Radien veranschaulicht.
Abbildung 6 Diamantkristall mit zwei entgegengesetzten Krümmungsradien mit blauen Linien
erkenntlich
Durch die immer verschiedenen Radien der Diamanten können sie nicht ohne weitere
Messungen aufeinander geklebt werde. Die Kristalle müssen anhand der Reflexe
ausgerichtet werden. Am Institut Laue-Langevin wurden die Kristalle mit Hilfe eines
Roboterarms, der sechs Freiheitsgrade besitzt, aufeinander gesetzt. Wenn die passende
Position erreicht wird kann der Kristallstapel miteinander verklebt werden.
14

3.0. Überprüfungen der Diamantkristalle auf Reste von
Iridium
Im Herstellungsprozess sind Silizium, Yttriumoxid, Iridium und Kohlenstoff enthalten. Nach
dem chemischen Ablösen des Siliziumsubstrats werden die Kristalle poliert, um sie von
Resten der Herstellungsschichten zu befreien. Es liegt der Verdacht nahe, dass sich noch
Reste von Iridium im oder auf dem Diamanten befinden. Dies würde die am
Prototypmonochromator im Einsatz beobachtete starke Aktivierung erklären. Für die
Verwendung als Monochromatorkristalle muss das Iridium vollständig entfernt werden, dabei
soll natürlich so wenig wie möglich des Diamantkristalls abgetragen werden.
Untersucht wurden im Folgenden zum einen Kristalle die exakt den gleichen
Produktionsprozess durchlaufen hatten, wie diejenigen des Prototypmonochromators
(poliert), zum anderen wurden Kristalle durch Schleifen mit einer Diamantscheibe weiter
gereinigt (geschliffen). Um sicher zu stellen, dass der Reinigung sprozess des Diamanten
erfolgreich ist, muss dieser überprüft werden.
3.1. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)
Bei der Oberflächenuntersuchung mit Rutherford-Backscattering werden hochenergetische
Ionen, meistens Wasserstoff oder Helium, auf eine Probe geschossen. Ein Detektor misst
die elektrische Energie, welche die gestreuten Ionen hervorrufen. Die Rückstreuungsenergie
hängt von der Masse des getroffenen Atoms und dem Einfallswinkel auf den Detektor ab.
Mit dieser Methode konnten auf den polierten Kristallen zwar keine vollständigen
Iridiumschichten festgestellt werden, jedoch war Iridium selbst deutlich nachweisbar. Dies
deutet auf inselförmige Oberflächenschichten oder eingelagerte Iridiumatome hin. Die
Ergebnisse sind nur qualitativ, aber nicht quantitativ. Mit dem RBS konnte die Iridiummasse
auf den Diamantkristallen nicht bestimmt werden und daher ist die Methode für die
Überprüfung des Reinigungsprozesses nicht aussagekräftig.
3.2. Prompt-Gamma Activation Analysis (PGAA)
Das Neutron besitzt keine elektrische Ladung. Die Neutronen können daher weit in das zu
untersuchende Material eindringen. Die PGAA ist so für eine zerstörungsfreie Untersuchung
der Probe geeignet. Neutronen mit einer Energie von kleiner als 1eV und einem
nennenswerten Wirkungsquerschnitt für Neutronen gehen einen Neutroneneinfang ein. Bei
der Aufnahme des Neutrons in den Kern wird eine für das Isotop typische Strahlung mit einer
spezifischen Wellenlänge frei, die Rückschlüsse auf die Elemente der Probe zulassen. Diese
erste γ-Strahlung wird PGAA genannt. Nach einer vom Element abhängigen Zeit wird ein β - ,
β + oder ein α-Teilchen emittiert, die wiederum über eine typische Wellenlänge verfügen. Bei
dieser Kernreaktion werden neben γ-Strahlung je nach Stoff Elektronen, Positronen oder
Helium ausgesendet. Das Messen der sekundären γ-Strahlung wird „Neutron Activation
Analysis“ (NAA) genannt. In Abbildung 7 wird nochmal verdeutlicht, wie der
Neutroneneinfang für ein Element aussieht, der anschließend mit einem β - Zerfall verläuft.
15

Abbildung 7 Neutroneneinfang eines Kernes und seine Reaktion
Bei einem Blick auf eine Nuklidkarte ist zu erkennen, dass die meisten stabilen Elemente bei
einem Neutroneneinfang anschließend mit einem β - -Zerfall reagieren. Das PGAA Spektrum
reicht gewöhnlich von 50 keV bis zu 11 MeV. Die Anzahl der γ-Linien für ein Element kann
bis zu eintausend betragen. Um also eine Probe auszuwerten werden zwei bis fünf der
stärksten charakteristischen Linien genommen. Das Auswerten einer Messung von einer
Probe kann sich bei vielen Elementen als schwierig herausstellen. Die typischen Spektren
können in Tabellenwerken nachgesehen werden und dienen dem Vergleich. Um quantitative
Aussagen über die PGAA-Messung machen zu können wird eine Eichmessung vollzogen.
Bei der Kalibrierung wird ein Element mit einer ähnlichen Matrix und bekannten
Zusammensetzung genommen und mit den späteren Messungen verglichen.
3.2.1. Experiment Aufbau
Ein abgeschliffener Kristall und ein nur polierte Kristall wurden mittels der PGAA untersucht.
Die verwendeten Kristalle waren:
Der polierte Kristall mit der Kristallnummer #172_1
Der abgeschliffene Kristall mit der Kristallnummer #250_2
16

Abbildung 8 PGAA Instrument am FRM II a) Foto des Instrument b) Schema des Instrument (6)
Die Messungen der beiden Diamanten werden mittels des PGAA Instrumentes am FRM II
durchgeführt. Abbildung 8 zeigt ein Bild des Messaufbaus. Hierbei treffen die Neutronen auf
die Kristalle. Detektoren messen die emittierte Gammastrahlung.
Die Kristalle wurden fünf Stunden mit einem Neutronenfluss von 4 10
durchschnittlichen Wellenlänge von 6,5 mit einem kalten Spektrum bestrahlt.
und mit einer
17

3.2.2. Messergebnisse
Der Grüne (untere) Graph beschreibt den abgeschliffenen Kristall. Die blaue (obere) Linie ist
der lediglich polierte Diamant. In Abbildung 9 wurden die Gammastrahlungslinien der
wichtigsten Elemente eingetragen. Hierbei ist zu erwarten, dass sich C, Y, Si, Zr vom
Herstellungsprozess in den beiden Proben befindet. Die Lage der Graphen ist verschieden,
da die Kristalle nicht exakt dieselbe Masse besitzen. Im Diagramm werden die Daten für eine
bessere Übersicht nicht exakt übereinandergelegt.
Abbildung 9 PGAA Energiespektrum des polierten und des geschliffenen Kristalls. Die
Energien der Elemente wurden in der Abbildung benannt.
Die wichtigsten Iridiumgammalinien finden sich im Energieintervall von circa 50 bis
400. Dieses Iridiumintervall ist in Abbildung 10 veranschaulicht. Es ist deutlich zu
erkennen, dass die geschliffene Probe keine Iridium-Peaks aufweist und die nur polierte
Probe deutlich diese die Energielinien zeigt.
18

Abbildung 10 Ausschnitt aus dem PGAA Energiespektrum von 50keV bis 400keV, mit den
typischen Iridiumlinien
Polierte Probe
Geschliffene Probe
Z Element M
1 H 1,008 2,01E-5 7,18E-8
5 B 10,81 - 1,33E-8
6 C 12,01 0,47 0,503
14 Si 28,09 7,95E-5 -
17 Cl 35,45 1,34E-6 3,05E-7
26 Fe 55,85 5,20E-6 -
39 Y 88,91 2,96E-4 -
40 Zr 91,22 4,62E-5 -
77 Ir 192,2 7,95E-5 -
Tabelle 3 Quantitativewerte der PGAA Messung
Die Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der PGAA-Messung. Das Iridium ist bei der geschliffenen
Probe nicht mehr nachzuweisen. Chlor kann durch eine Verunreinigung der Hände auf die
Probe gelangt sein. Eisen trat in der polierten Probe mehr als in der geschliffenen auf. Die
Nachweisgrenze der PGAA liegt bei Iridium bei einem Atom pro zwei Millionen Atome(0,5
19

ppm). Es konnte nachgewiesen werden, dass mit dem Schleifprozess die Iridiumschicht
deutlich verringert wurde.
Zwanzig Tage nach der Messung am PGAA Instrument wurde vom Strahlenschutz eine
Gammaspektroskopie durchgeführt, die Messungen für die beiden Kristalle sind in Tabelle 4
illustriert.
Polierte Probe
Geschliffene Probe
Z El Aktivität Aktivität
77 Ir 3760 Bq 2,2E-3 Bq
Tabelle 4 Gammaspektroskopie nach 20 Tagen. Es ist ein Unterschied in der Größenordnung
von 1E6 zu erkennen.
Die Aktivität der beiden Proben unterscheiden sich um einen Faktor von 1 10 .
3.3. Neutron Activation Analysis (NAA)
Bei der PGAA wurde die Gammastrahlung beim Neutroneneinfang gemessen. Bei der
Neutronenaktivierungsanalyse wird die sekundäre Gammastrahlung beim
elementspezifischen Zerfall ermittelt, vergleiche hierzu Abbildung 7. Die NAA ist für
Elemente mit einer großen Halbwertszeit genauer, jedoch wird bei den
Sekundärengammalinien mit einem größeren Neutronenfluss gearbeitet. Üblicherweise wird
zuerst eine PGAA vorgenommen, um sicher zu stellen, dass die Kristalle bei den Messungen
nicht zu hoch aktiviert werden.
3.3.1. Experiment Aufbau
Hierbei wird eine Plastikkapsel mit fünf zufällig ausgewählten Diamantproben bestückt und
direkt im Moderatorbecken positioniert. Die Bestrahlungszeit lag bei 10 Minuten bei einem
Neutronenfluss von 4 10
.
3.3.2. Messergebnisse
Iridium [] Die fünf abgeschliffenen Proben variieren von 100 bis 1 . Legt
man eine Höchstmenge von 1 pro Diamantkristall zugrunde, so liegt
700
die erwartete Dosisleistung durch die Aktivierung nach zehn
900 Reaktorzyklen à 60 Tagen im Neutronenstrahl eines typische
Streuinstruments wie zum Beispiel dem Diffraktometer HEiDi zu
250
Grunde einen Diamantmonochromator deutlich niedriger als 1. Es
130 kann also bereits jetzt davon ausgegangen werden, dass der
Abschleifprozess von Iridium ausreichend ist.
115
20

3.4. Zusammenfassung
192 Ir ist auch auf den abgeschliffenen Diamanten noch nachzuweisen, jedoch vermindert der
Schleifprozess die Iridiummasse drastisch um den Faktor 10 . Anhand von
Überschlagsrechnungen zeigt sich, dass ein Diamantmonochromator mit solch einer
geringen Masse von Iridium keine nennenswerte Aktivierung aufweisen wird. Mit Hilfe der
NAA können zehn Proben mit einem relativ geringen Aufwand gleichzeitig untersucht
werden. Daher kann der Schleifprozess gut stichprobenartig anhand der NAA kontrolliert
werden.
21

4.0. Untersuchung von Diamantkristallen mit
Neutronenstreuinstumenten
Der Monochromator-Prototyp am Instrument D9 ILL zeigte leider nicht die erwartete
Performance, bei einer Wellenlänge von 0,5 Å und 0,8 Å erreichte er nicht die gewünschte
Intensität. Dennoch zeigten alle bisherigen Untersuchungen einzelner Kristalle die
vorausgesagten Eigenschaften bezüglich ihrer Reflektivität (1) (2). Zur Erklärung der
fehlenden Intensität kommen verschiedene Ursachen in Frage: Bei nahezu perfekten
Kristallen könnte Mehrfachstreuung auftreten. Eine andere mögliche Erklärung für die
fehlende Intensität könnte auf der geometrischen Abweichung der Einzelkristalle von einem
ebenen Plättchen beruhen..
Schon 1937 berichtete Renninger vom Phänomen der sogenannten Umweganregung an
perfekten Kristallen (19). Durch mehrfache Streuung beim Durchgang durch den Kristall
(„Umwege“) können einerseits Reflexe, die durch die Kristallsymmetrie eigentlich nicht
erlaubt, also ausgelöscht sind, trotzdem auftreten, andererseits kann die Intensität starker
Reflexe deutlich vermindert sein. Dieses Phänomen wurde bei Messungen mit
Röntgenstrahlung beobachtet, ist aber nicht prinzipiell auf diese beschränkt. Die
Einflussgrößen sind die Kristallgröße und die Kristallgüte. Daher tritt dieses Phänomen nicht
bei Pulverproben auf sondern nur bei größeren, nahezu perfekten Kristallen, wie es unserer
Problematik entspricht. Diese Mehrfachstreuung könnte also ein Grund der verringerten
integralen Intensität sein. .
Zur Verdeutlichung ist in Abbildung 11 eine Ewaldkonstruktion für die in unserem Fall
verwendete Streuebene des Diamantgitter angefertigt. Für die Ewaldkonstruktion wird die
durch die beiden reziproken Richtungsvektoren und aufgespannte Ebene mit
den darin eingetragenen Gitterpunkten aufgezeichnet. Die Streubedingung ist erfüllt für
Gitterpunkte die auf einem Kreis mit dem Radius des Betrags des Wellenvektors liegen, der
zugleich durch den Ursprung des reziproken Gitter verläuft. Man erkennt zum Beispiel für
den Kreis der einer Wellenlänge von 0,84 Ǻ entspricht, dass dieser weitere Gitterpunkte
berührt, hier ist also die Bragg-Bedingung mehrfach erfüllt. Um diese Erklärung experimentell
zu überprüfen, soll der Kristall in einem polychromatischen Neutronenstrahl untersucht
werden, also letztlich die Intensität eines starken Gitterreflexes abhängig von der
Wellenlänge untersucht werden.
22

Abbildung 11 Ewaldkonstruktion für C*(220) und C*(400) für typische Wellenlängen
Wenn keine Mehrfachstreuung auftritt, sollte die Auswertung eine kontinuierlich steigende
Kurve ergeben, die im Wesentlichen von der Primärstrahlintensität , also dem Spektrum der
Neutronen am Instrument herrührt. Schwächungen des untersuchten Reflexes durch
Mehrfachstreuung sollten als Einbrüche im Kurvenverlauf sichtbar werden. Für unseren
Zweck sehen wir uns den starken (220)-Reflex an, da dieser auch beim Prototypen am
Instrument D9 in Transmissionsgeometrie genutzt wurde und durchlaufen die verschieden en
Wellenlängen.
~
Die Funktion , die wir aus der Messung erwarten, muss vom Primärfluss abhängen,
die der Maxwell-Bolzmann-Verteilung am Instrument entspricht. Unter anderem spielt die
Neutronenreflektivität des Diamanten in die Messung mit ein und eine geometrische
Winkelkorrektur , denn die Kristalle konnten, bedingt durch ihre Krümmung, nicht exakt
auf die Aluminiumfahne aufgeklebt werden. Die Kristalle sind zueinander verkippt und jeder
Kristall reflektiert bei der Messung eine geringfügig andere Wellenlänge.
23

4.1. Streuexperiment mit Diamantkristallen im weißen Strahl am
Instrument Antares
4.1.1. Experiment Aufbau
Am FRM II bietet das Instrument Antares die Möglichkeit das Experiment durchzuführen.
Antares ist grundsätzlich bei den bildgebenden Verfahren einzuordnen. In der Regel wird es
für Radiographie und Tomographie Experimente mit kalten Neutronen genutzt. Durch die
geräumige Probenkammer erlaubt das Instrument für das hier beschriebene Experiment den
notwendigen zusätzlichen Aufbau vorzunehmen. Bei der Messung am Instrument Antares
blicken wir auf die kalte Quelle, daher ist das Spektrum zu Gunsten der langsamen
Neutronen verschoben, vergleichen wir hierzu Abbildung 12. Die schwarze Linie zeigt uns
den Neutronenfluss, abhängig zur Wellenlänge. Es darf eine Maxwell-Boltzmann-Verteilung
angenommen werden, deren Maximum bei ca. 1,2 Ǻ liegt. Der Neutronenfluss fällt zu kleinen
Wellenlängen hin stark ab. Im Wellenlängenbereich von 0.5 Å bis 1 Ǻ sollte bei unseren
Messungen die Intensität mit zunehmender Wellenlänge stetig zunehmen
Abbildung 12 Neutronenfluss am Instrument Antares abhängig von der Wellenlänge für
verschiedene Filter, die Messung hier wurde ohne Filter durchgeführt.
Der Durchmesser des Neutronenstrahls kann verschieden groß gewählt werden, jedoch
maximal 40 cm x 40 cm Strahlquerschnitt.
Bei Antares kommt ein Flächendetektor für Neutronen zum Einsatz. Vereinfacht formuliert
verwandelt der Detektor die auftreffenden Neutronen über einen speziellen Kristall, der Li als
Neutronenabsorber enthält (Szintillator) in Licht um. Dieses wird mittels zweier Spiegel
umgelenkt und trifft auf eine durch ein Peltierelement gekühlte CCD-Kamera. Die optische
Ablenkung des Lichtstrahls hat den Sinn, dass die Kamera nicht im direkten Neutronenstrahl
steht, wo auch ein hoher γ-Fluss herrscht. Dies würde die Kamera langfristig zerstören und
auch Bauteile radioaktiv aktivieren. Die Bleiabschirmung um die Kamera hindert die γ -
Strahlung daran, auf den CCD-Chip der Kamera zu treffen. Zusätzlich ist der Detektor mit
Borcarbid-Matten umhüllt. Das Bor hat einen hohen Neutroneneinfang und schirmt die Box
24

vor Neutronen ab. Um die Kamera vollständig vor der γ -Strahlung zu schützen, werden sehr
dicke Bleiwände benötigt. Blei hat jedoch eine sehr hohe Dichte ρ=11,34 kg∙dm -3 . Daher
muss ein Konsens zwischen Handling und Messgenauigkeit getroffen werden.
Abbildung 13 Antares Instrument am FRM II mit eingezeichneten Experiment Aufbau Ort(8)
25

Abbildung 14 Experimentaufbau mit Objektbeschreibung a) Schräge Ansicht mit Schnitt b)
Draufsicht
In Abbildung 14 ist der Weg der Neutronen im Experiment nochmal veranschaulicht
dargestellt. Der an den Probenkristallen reflektierte Strahl wird am Szintillator teilweise zu
Licht umgewandelt. Der transmittierte Strahlanteil läuft weiter, bis er an einer Abschirmung
des Instruments vollständig absorbiert wird. Das umgewandelte Licht wird mit Hilfe von zwei
Spiegeln in die CCD-Kamerabox geleitet. In der Abbildung 14 a) ist nur die Rundöffnung für
die Fokussierung der Kamera zu erkennen, jedoch nicht die Kamera selbst.
Abbildung 15 Bild des Messaufbaus mit eingetragenen Bezeichnungen
26

Abbildung 16 Bewegungsrichtungen des Experiment Aufbaus a) Schräge Ansicht b) Draufsicht
Die Detektorbox ist auf einem xyz-Tisch montiert, der mit einem zusätzlichen Drehtisch
ausgestattet ist, um eine Drehbewegung zu ermöglichen (vergleiche Abbildung 16, mit roten
Pfeilen markiert). Die möglichen Bewegungen der Kristalle sind mit blauen Pfeilen
eingezeichnet und beschreiben den Fahrweg, den sie nehmen können. Der Lineartisch kann
nach Belieben verschiedene Diamanten in die vertikale Drehachse des darunter aufgebauten
Drehtisches fahren. So muss der Neutronenstrahl nicht abgeschaltet werden um von Hand
die Kristalle in den Strahl zu drehen. Der Schwerpunkt des Detektors wird in der Nähe des
Drehtisches befestigt, da der gesamte Aufbau des Versuches um die 350 kg wiegt. Die
Bleiabschirmung der Detektorbox ist die größte Masse und könnte beim falschen Anbringen
den Drehtisch zerstören. Daher wurde der Schwerpunkt vorher bestimmt und auf das
Drehzentrum montiert. Die Diamanten können zehn, zwanzig und dreißig Zentimeter vom
Szintillator entfernt befestigt werden.
Abbildung 17 Bild des gesamten Messaufbaus und eingezeichneter polychromatischer
Neutronenstrahl
27

4.1.1.1. Probenhalter mit Lineartisch
Als Vorbereitung für das orientierte Aufkleben von mehreren Kristallen auf einen
gemeinsamen Träger, wie es für den Einsatz als Monochromator nötig ist, wurde ein
Probenhalter mit einer Verschiebeeinheit konzipiert. Der Halter bietet die Möglichkeit, drei
Diamanten gleichzeitig nebeneinander zu montieren. In Abbildung 18 sind die drei
rechteckigen Aussparungen zu erkennen, die jeweils einen Millimeter tief sind. Die Fahne ist
aus Aluminium gefertigt. Aluminium ist als Trägermaterial geeignet, weil es einen geringen
Neutroneneinfangsquerschnitt besitzt und sich im Neutronenstrahl wegen der schnellen
Abklingzeit nur kurz aktiviert. Die Kristalle werden mit Hilfe von Carnaubawachs befestigt.
Der Tropfpunkt des Wachses liegt zwischen 81 und 86 °C und kann mittels Lötkolben und
Heißluftföhn auf Verarbeitungstemperatur gebracht werden. Da der Rohstoff Diamant der
beste Wärmeleiter der Natur ist, muss der Diamant mit dem Wachs auf ungefähr 90°C erhitzt
werden. Mit dieser Methode des Befestigens können verschiedenste Diamanten montiert
und gleichzeitig zerstörungsfrei demontiert werden. In Tabelle 5 ist die Anordnung der
Kristalle bei den verschiedenen Messungen zu erkennen. Die Positionen A, B und C sind
aus der Abbildung 18 zu entnehmen.
Abbildung 18 Diamanthalter und Ausrichtung der Kristallen zu Ihrer Netzebene
Diamantenanordnung Position A Position B Position C Winkel
1 Messung - Unten: 250-2
- 46° - 60°
Oben: 250-1
2 Messung 255-2 - 318 30° - 60°
3 Messung 297-2 238-2 265-2 30° - 90°
Tabelle 5 Übersicht der Positionierung der Diamanten
28

Richtung 1 Richtung 2
Kristallnummer Radius [m] Konvex/
Konkav
Radius [m]
Konvex/
Konkav
250-1 5,7 Konkav 4,3 Konkav
250-2 3,9 Konvex 3,9 Konkav
255-2 3,6 Konvex 1,5 Konvex
318
Tabelle 2 Röntgen Charakterisierung der Diamanten
Die Kristalle wurden mit einem Röntgendiffraktometer vorgemessen. Die Messungen wurden
von unserem Kooperationspartner in Augsburg gemacht und sind vereinfacht in Tabelle 3
dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die Radien in horizontaler und vertikaler Achse
stark variieren. Die erste Zahlenkombination ist der ganze Kristall, der auf dem Siliziumwafer
und der Iridium-Schicht mittels Gasabscheideverfahren produziert wurde. Die zweite
Nummer beschreibt, von welcher Stelle der quadratische Kristall abgeschnitten wurde.
Besonders auffällig ist dabei, dass selbst Kristalle, die aus demselben Herstellungsverfahren
stammen, sich stark im Radius unterscheiden.
Abbildung 19 Hergestellter Kristallhalter, Lineartisch und Goniometer-Verbindung
29

4.1.1.2. Winkelkorrekturen
Zur Durchführung der Messung soll entsprechend der Streubedingung (Bragg-Gleichung) die
reflektierte Intensität des Probenkristalls in Abhängigkeit vom Streuwinkel aufgezeichnet
werden. Der Messaufbau am Antares erlaubt nicht die direkte konzentrische Winkeldrehung
um die Kristallmitte, einen sogenannten Ө-2Ө Scan, wie es für die Messung nötig wäre.
Daher wird der Messaufbau für jeden angefahrenen Streuwinkel mit einer
Translationsbewegung nachgeführt, um die sich aus der Rotation der Detektorbox
ergebende seitliche Verschiebung der Kristallmitte zu kompensieren. In Abbildung 20 werden
die Winkelbeziehungen sichtbar, die bei unserem Messaufbau gelten.
Es gilt:
sin(90-α)=y 1 /A
y 1 =A∙cos(α)
sin(α)=y 2 /B y 2 =B∙sin(α) y Gesamt =y 1 + y 2 =B∙sin(α)+A∙cos(α)
Abbildung 20 Korrekturfaktor abhängig der Winkeldrehung
Die Parameter A und B sind bekannt und sind die Abstände vom Drehpunkt zum Kristall.
30

4.1.2. Messergebnisse
4.1.2.1. Intensitätsverlauf abhängig von der Wellenlänge
Zunächst wurde der Messaufbau so eingerichtet, dass der zu untersuchende Kristall vom
einfallenden Neutronenstrahl vollständig ausgeleuchtet war. Dann wurde der maximal
mechanisch mögliche Streuwinkel eingestellt, und die Drehung des Kristalls so abgeglichen,
dass sich das Streubild des (220) Reflexes ungefähr in der Schirmmitte des Detektors
befand.
Es wurden dann für jeden Streuwinkel mehrere Detektoraufnahmen gemacht und die
Graustufen aufsummiert. Die Schrittweite für den Streuwinkel 2Ө betrug bei der ersten
Messung 0,1° und bei der zweiten Messung 0,2°. Zur Auftragung des Ergebnisses wird
entsprechend der Bragg-Gleichung aus dem halben Streuwinkel Ө die reflektierte
Wellenlänge für den (220) Reflex errechnet. Die Auswertung der Graustufen wurde mit dem
Programm Image J durchgeführt. Hierbei wird das entsprechende Feld markiert und es kann
der Graustufendurchschnitt des Feldes errechnet werden. Wenn γ-Punkte in dem Feld
beinhaltet waren, wurde ein Medianfilter eingesetzt, um diese aus der Messung
auszuschließen.
Abbildung 21 Relativer Primärstrahl und relative Messwerte von den Antaresmessungen für
den Diamanten mit der Nummer 318
Die gemessene Intensität (blaue Messpunkte) wurde zusammen mit der Primärintensität aus
dem Neutronenspektrum am Instrument Antares (mit schwarzer Linie gekennzeichnet) in
31

Abbildung 21 dargestellt. Es ist zu sehen, dass die Messwerte sehr gut dem Verlauf des
Primärspektrums folgen und nur gering vom Primärspektrum abweichen. Aufgrund der Art
und Weise der Mehrfachstreuung, die von Renninger beschrieben wird, sollten
„Umwegsanregungen“ bei kleineren Wellenlängen auftreten (19). Jedoch ist im Bereich der
kleineren Wellenlängen von 0,65 bis 0,95 der Messkurvenverlauf sehr glatt und zeigt
keine größeren Messwertausreißer. Die Einbrüche, die mit einem roten Strich eingezeichnet
sind, können nicht ohne weiteres einem Effekt zugeordnet werden. Zusammenfasend zeigt
sich jedoch, dass Mehrfachstreuung als Ursache für den gravierenden Intensitätsverlust für
den Prototyp Monochromator am D9 ILL in Grenoble ausgeschlossen werden kann.
32

4.1.2.2. Fokussierende und defokussierende Eigenschaften der
Diamanten
Abbildung 22 Aufnahmen der Kristalle bei 0° und 180° beim 220 Reflex bei 1,26 Å Wellenlänge
Durch Verbiegung zeigen die Kristalle je nach Orientierung eine fokussierende oder eine
defokussierende Wirkung. In Abbildung 22 sind sechs Kristalle mit einer Aufnahme bei
jeweils einer 0° und einer 180° Horizontaldrehung zu sehen. Bei den Aufnahmen der Reflexe
wurde die Streubedingung für den (220) Reflex bei einer Wellenlänge von 1,26 Å eingestellt.
Es steht der Detektor also bei einem Winkel von 2Ө = 60°, der Kristall wurde um seine
vertikale Achse um den Winkel Ө = 30° gedreht. Ein Vergleich der Größe des
Reflektionsbildes der Kristalle mit den Kristallradien aus der Röntgencharakterisierung zeigt,
dass die fokussierende und defokussierende Wirkung wie erwartet bei stärkerer Krümmung
zunimmt. Die Grauwerte aus dieser Grafik können nicht untereinander verglichen werden, da
die Bilder bei unterschiedlichen Kontrast- und Helligkeitseinstellungen gemacht wurden, um
die Reflexe besser zu erkennen.
33

Abbildung 23 Aufnahme der fokussierenden bzw. defokussierenden Wirkung der Kristalle bei
Messung 1 und 2
Abbildung 23 zeigt den Messaufbau für die erste und zweite Messung, der Szintillator besitzt
dabei eine Größe von 150 x 150 mm². Hier ist die θ-2θ Anordnung zur Einhaltung der
Streubedingung des (220) Reflexes dargestellt. Diese Einstellung streut Neutronen der einer
Wellenlänge von 1,26 Å, dem ungefähren Maximum des Intensitätsspektrums am Instrument
Antares.
4.1.2.2.1 Untersuchung des Krümmungsradius für die fokussierende und
defokussierende Wirkung
Ausgehend von der Annahme die fokussierende bzw. defokussierende Wirkung der Kristalle
beruht auf ihrer Krümmung, wurde die geometrische Abbildung 24 unter der Annahme eines
homogen gebogenen Kristalls mit den Messdaten auf dem Detektorschirm verglichen. Bei
den ersten zwei Messungen am Antares Instrument wurden die Diamanten, in Transmission
mit dem Wellen-Vektor 220 und bei der dritten Messung in Reflexion mit 004,
ausgerichtet.
34

Abbildung 24 Skizze des Strahlengang der Neutronen bei der Anordnung von Transmission
und Reflexion
Transmission:
cos q
l l cosq
Trigonometrischer Zusammenhang: sin q cos q 1
cos q Ö1 sin q
l l 1 sin q
Bragggleichung: 2d sinq sin q
l l 1
2 d
f €
‚
Kreisbogen:
ƒ „ …†‡°
ˆ ‰
”
“ 1
2 • – —˜
Š ‹Œ Ž ‘ ‘’ Ž
2 tan “ 180°
š
“ › “ œ ž 2 Ÿ ¡¢£›Ž¤ tan “ 180°
š
“ › l 1
2 d
ž 2 Ÿ ¡¢£›Ž¤ tan “ 180°
š
35

Reflexion:
“ œ “ sin ¥
Bragggleichung: 2• ¦—„ sinq sin q
Š ‰œ „œ§‘¨Ž
“ œ “ ”
2• – —˜
“ œ
2 tan F “ ”
4 • – —˜ tan “ 180°
š
“ › “ œ ž 2 Ÿ ¡¢£›Ž¤ tan “ 180°
š
“ › “ ” ž 2 Ÿ ¡¢£›Ž¤ tan “ 180°
2• – —˜ š
¥ ist der Braggwinkel, Ÿ ¡¢£›Ž¤ beschreibt den Abstand vom Detektor zum Kristall und “
bezeichnet die Länge der Diamantkristalle, in unserem Fall 15 ©©. R ist der Radius der
Kristalle und F gibt den Krümmungswinkel der Kristalle an. Die berechneten Daten sind die
Längen des Reflexes “ › auf dem Szintillator.
4.1.2.2 Vergleich von Hypothese und Messungen
Transmission a=0,3 m
Fokussiert
ª «¬ [mm]
Defokussiert
ª «­ [mm]
Radius [m] Errechnet Gemessen Errechnet Gemessen
297-3 1,7 7,70 5,80 18,3 18,70
297-1 1,9 8,30 6,60 17,7 17,40
250-1 5,7 10,90 10,9 15,1 15,00
250-2 3,9 10,70 10,2 15,3 15,00
255-2 1,5 7,00 6,70 19,0 19,60
Alle Kristalle in 220 Transmission, bei einem Thetawinkel von 30°, gemessen.
Fokussiert
ª «¬ [mm]
Defokussiert
ª «­ [mm]
Reflexion, a=0,2m Errechnet Gemessen Errechnet Gemessen
Radius [m]
265-2 4,3 9,21 9,36 12,00 12,57
297-2 1,7 7,08 7,02 14,10 14,33
238-2 43 10,7 11,7 10,50 10,53
Alle Kirstalle bei der 004 Reflexion, bei einem Thetawinkel von 45°, gemessen.
36

Es zeigt sich, dass die gemessenen Werten sehr gut mit den errechneten Werten
übereinstimmen. Dies belegt, dass die Krümmung der Kristalle die Ursache für die
Fokussierung der Neutronen ist. Aus den Formeln wird ersichtlich, dass der
Produktionsradius der Diamanten von š 5 Meter auf š ® 10 Meter angehoben werden
muss. Hierbei ist nochmal zu erwähnen, dass die Kristalle für heiße Neutronen, bei einem
Fokus von 2,5 Meter, spezifiziert sind.
37

4.2. Messung der Reflektivität am Diffraktometer mit heißen
Neutronen HEiDi
Dieses Experiment soll die Röntgencharakterisierung und die Neutronenmessungen mit
einander vergleichen. Es ist zu erwarten, dass die Neutronen das gleiche Ergebnis zeigen
wie die Röntgenstrahlung am gekrümmten Kristall.
4.2.1. Experiment Aufbau
Abbildung 25 Das Diffraktometer HEiDi am FRM II a) Foto des Instrument b) Schema des
Instrument (8)
Der Lineartisch mit dem Kristallhalter lässt sich am Probenort des Diffraktometers
(Eulerwiege, im Bild türkis) montieren. In Abbildung 25 b ist der Probenort mit 4 – sample
gekennzeichnet. HEiDi ist am einem Strahlrohr mit Blick auf die heiße Quelle des FRM II
aufgebaut. Daher eignet es sich insbesondere für Untersuchungen bei kurzen Wellenlängen
von ” 0.5¯Å¯ ¯1,1¯. Der Neutronenstrahl wurde durch Blenden auf 1 mm Breite und circa
15 mm Höhe eingeschränkt um ortsaufgelöst messen zu können. Mit Hilfe des Lineartisches
wurde der jeweils untersuchte Kristall dann in Schritten von je 1 mm durch den Strahl bewegt
und jeweils ein Rocking-Scan aufgenommen. Bei diesem Scan wird bei festgehaltenem
Streuwinkel der Kristall um seine vertikale Achse gedreht. Die Winkellage des
Intensitätsmaximums erlaubt damit den Rückschluss auf die Krümmung des Kristalls. Es
wurden Kristalle mit geringer, mittlerer und sehr starker Krümmung untersucht.
38

Abbildung 25 Neutronenstrahl auf den Diamanten mit Messschemata
4.2.2. Messergebnisse
Abbildung 26 Rocking-Scans des Diamantkristalls #297-2 mit einem kleinen Krümmungsradius,
also starker Krümmung
39

Abbildung 27 Rocking-Scans des Diamantkristalls #267-2 mit einem mittleren
Krümmungsradius, also mäßiger Krümmung
Abbildung 28 Rocking-Scans des Diamantkristall #318 mit einem großen Krümmungsradius,
also sehr geringer Krümmung
40

In den Abbildungen 26, 27, 28 ist deutlich zu erkennen, dass die Neutronenablenkung von
dem Krümmungsgrad der Diamanten abhängt. Je größer die Krümmung, desto mehr variiert
die Winkellage des Intensitätsmaximums der Rocking-Scans.
Eine Überschlagsrechnung der maximal auseinander liegenden Kurven zeigt:
± ²
³
…†‡°
² ¡ …†‡°
ˆ ´³
² µ_
² ¹º_
² »…†
0,015© 180°
·17,97° 17,70°¸ 4,3¯©
0,015© 180°
·17,93° 17,7°¸ 3,7¯©
0,015© 180°
·18,42° 18,40°¸ 43,0¯©
Abbildung 29 Skizze zur Berechnung des
Kreisbogens
265_2 [m] 297_2 [m] 318 [m]
² ‰öŽ£¼œŽ 4,3 1,7 43
² ½œ¾£¿¨Ž 4,3 3,7 43,0
Die Röntgencharakterisierung der Diamanten stimmt also sehr gut mit den Messungen der
Neutronen überein. Daher kann die Röntgencharakterisierung als ein Kriterium für die
Fokussierung und Defokussierung der Kristalle genutzt werden.
41

4.3. Interpretation
Eine Überprüfung der Iridiumverunreinigungen am Diamanten kann gut über die NAA
kontrolliert werden. Die Schleifarbeiten der Universität Augsburg sind erfolgreich, daher stellt
die Aktivierung kein Hindernis für den weiteren Monochromatorbau dar.
Die schlechte Performance des vorhandenen Monochromators am D9 ILL Grenoble, lässt
sich durch die verschiedenen Fokuspunkte der Diamanten ausgehend von ihrer Krümmung
verstehen.
Die Aufgabe besteht darin, die Intensität von 16 x 3 Kristallen, die für einen Monochromator
benötigt werden, gemeinsam auf einen Probenort treffen zulassen. Dies bedeutet einen
großen Justageaufwand mit nahezu identischen Krümmungsradien. Jeder einzelne Kristall
muss unter dem Reflex eines Neutronenstrahls ausgerichtet werden. Dies beansprucht viel
Messzeit an einem Neutronenstreuinstrument.
Die bisherige Spezifikation der produzierten Rohkristalle bezüglich minimal erlaubter
Krümmung muss unter der Kenntnis der fokussierenden bzw. defokussierenden Wirkung
revidiert werden. Der Krümmungsradius der durchschnittlichen Produktion liegt bei fünf
Metern, variiert dabei stark. Für die Nutzung als Monochromator an den Instrument HEiDi
oder ReSI sollte der Krümmungsradius deutlich größer sein. Bei den beiden Instrumenten
liegt der Probenort circa zweieinhalb Meter vom Monochromator entfernt, damit wäre wohl
ein minimaler Krümmungsradius der Diamantkristalle von circa zehn Metern notwendig. Bei
kleineren Radien unter zehn Metern wird die Neutronenintensität nicht am Probenort
konzentriert und geht verloren. Eine weitere Verbesserung der Prozessparameter bei der
Produktion der Kristalle ist nötig, was einen erheblichen Entwicklungsaufwand für die
Arbeitsgruppe der Universität Augsburg bedeutet.
Mit Kristallen der bisherigen Produktion werden FRM II und ILL keinen geeigneten
Monochromator herstellen können. Weitere Überlegungen durch einen erhöhten Aufwand
bei der Vororientierung und der Montage der Kristalle auf dem Kristallhalter sollen die
Nutzung der bereits produzierten und gereinigten Diamanten ermöglichen.
Eine Möglichkeit bestünde darin die Kristalle auf eine Größe von 7,5 x 15mm zu zerteilen,
damit würde die Wirkung der Krümmung halbiert. Eine Zerkleinerung der Diamanten erhöht
jedoch natürlich auch den Justageaufwand um ein Vielfaches, zudem wird die technische
Realisierung umso schwieriger, desto kleiner die Kristalle sind.
Ein besseres Verständnis der neutronenoptischen Eigenschaften für die Auswahl der
Kristalle kann durch numerische Simulation mit einem Simulationsprogramm erzielt werden.
Hier könnte die Problematik für einen Monochromator im Einsatz an einem spezifischen
Instrument simuliert werden, um das Problem besser zu verstehen und weitere
Lösungsansätze für die produzierten Diamanten zu erhalten.
42

Literaturverzeichnis
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11. Vogt, T. und Passell, L. Using wafer stacks as neutron monochromators. NIM. 1994, Bd. A338, 71
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43

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stainless steel substrates in a HFCVD reactor. Diamond and Releated Materials . 2007, Bd. 16, 1918 -
1923.
19. Renninger, M. "Umwegsanregung" eine bisher unbeachtete Wechselwirkungerscheinung bei
Raumgitterinterferenzen. 1937, Bd. 106, 141 - 176.
44

Angaben für die Abgabeerklärung
in der Bachelorarbeit
Erklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit mit dem Titel
Diamantkristalle als Monochromatormaterial für Neutronenstreuinstrumente
selbständig verfasst, noch nicht anderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen
als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittel benützt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate
als solche gekennzeichnet habe.
München, den 02.01.2014 Unterschrift :_________________________
Axel Haunholter
45

Anhänge
Baugruppenzeichnung des Kristallhalter mit Verbindungseinheiten
Baugruppenzeichnung für die Messungen am Antares Instrument
Baugruppenzeichnung einer geplannten Ansaugvorrichtung für Kristalle
46

A
1 2
3
4 5
6 7 8
14
1
4
1
3
1
A
B
C
D
E
F
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieser Unterlage nicht gestattet, soweit nicht ausdrücklich zugestanden. Alle Rechte vorbehalten.
213
69,40
148,50
POS-NR. BENENNUNG MENGE
1
41.063.50BC LTM-60-50MSM
Owis-Lineartich
1
2 Verbindungsplatte mit Tisch 1
3 Verlängerung 1
4
5
Diamanthalter
Zwischenplatte
1
1
6 Goniometerverbindung1_v1 1
7 2013102 Gonimeter Atrappe 1
8
9
20x20x2 Winkel
Flach 60x5
2
1
10 Alu Rund 6mmx28mm 1
11 Alu Rund 6mmx60mm 1
12 Kristall15x15 1
13 20x20x4 Winkel 2
14 Saugnapf 1
15 Ring 4x1 1
16 DIN 912 - M3 x 5 5
17 DIN 912 - M3 x 16 4
18 DIN 912 - M4 x 6 2
2
1
1
1
12
1
N
RMII
5
1
H
TECHNISCHE
UNIVERSITÄT
MÜNCHEN
N
6
1
INIST
MS
T
HMRMII
8
2
13
2
Werkstückkanten DIN 6784
MM
S
SV
E
S
IN
16
5
10
1
7
1
9
1
11
1
-0.5 +0.3
SN
U
T
SN
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V
NN
B
C
D
1 2 3 4
CEUMIISV