Titelaufnahme

Titel
Diffraktion thermischer Neutronen an periodischen Phasengittern aus Silizium-Einkristall / von Kirsten Lux
VerfasserLux, Kirsten
Begutachter / BegutachterinRauch, Helmut
Erschienen2008
Umfang89 Bl. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)thermische Neutronen / Diffraktion / Ultrakleinwinkelstreuung / Bornsche Näherung / Phasengitter / periodische Mikrostrukturen / Asymmetrische Beugungsbilder
Schlagwörter (EN)thermal neutrons / diffraction / USANS / Born approximation / phase gratings / periodic microstructures / asymmetric diffraction pattern
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-22161 Persistent Identifier (URN)
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Diffraktion thermischer Neutronen an periodischen Phasengittern aus Silizium-Einkristall [6.15 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In der Kleinwinkelstreuung thermischer Neutronen an mikroskopischen Objekten ist die erste Bornsche Näherung eine etablierte Methode zur Datenanalyse. Im Falle periodischer Phasengitter werden Daten gemessen, die mit dieser Methode nicht modelliert werden können wie die Absenkung der nullten Ordnung und asymmetrische Beugungsbilder. Ultrakleinwinkelmessungen solcher periodischer Phasengitter bei variabler Orientierung zum Neutronenstrahl, die Interpretation der Messergebnisse mit einem geeigneten Modell und die Probleme und deren vorrangigen Ursachen bei der Interpretation der Messergebnisse mit der Bornschen Näherung sind neben den notwendigen theoretischen Grundlagen der Streu- und Beugungstheorie Thema dieser Arbeit.

Die Messungen der Phasengitter aus Silizium-Einkristallen erfolgten an der Ultrakleinwinkelstreuanlage am Atominstitut der österreichischen Universitäten in Wien. Mittels Doppelkristall - Diffraktometer wurden Beugungsbilder verschiedener Gitter ähnlicher Struktur in einem Winkelbereich nahe der Vorwärtsstreurichtung aufgenommen. Die Messungen erfolgten bei verschiedenen Einfallswinkeln der Neutronen zu den Gittern, wobei diese hierfür normal zur Einfallsrichtung rotiert wurden.

In der Bornschen Näherung wird die einfallende, beziehungsweise ungestreute Welle nicht berücksichtigt, was für die meisten Streuexperimente auch nicht nötig ist. Im Falle korrelierter Systeme, wie zum Beispiel Strukturen in einer streng periodischen Anordnung, wie sie bei den gemessenen Phasengittern vorliegen, sind jedoch Interferenzen verursacht durch die ungestreute Welle nicht vernachlässigbar. Diese Interferenzen zeigen sich in einem kleinen Bereich um die Vorwärtsstreurichtung besonders deutlich.

Weiters erleiden Neutronen, die einen Festkörper durchqueren, Phasenschübe in einer Größenordnung, die mit der Methode der ersten Bornschen Näherung nicht beschrieben werden können. Für Proben mit geringer Absorption wirken sich diese Phasenschübe dominant auf das Beugungsbild in dem betrachteten Winkelbereich aus. Gerade diese Dominanz legt einen anderen einfachen Ansatz nahe: Die Berücksichtigung der geometrischen Ausdehnung in Einfallsrichtung allein durch Phasenmodulation und somit die Reduktion des zweidimensionalen Problems auf ein Modell eindimensional angeordneter, phasenmodulierter Punktquellen unter Berücksichtigung der einfallenden Welle. Mit Hilfe dieses Modells lassen sich die Streudaten in diesem Winkelbereich gut auswerten. Auch die Änderung des Beugungsbildes bei Rotation der Gitter im Raum kann sehr gut veranschaulicht werden.

Zusammenfassung (Englisch)

In the small-angle scattering of thermal neutrons at microscopic objects the first Born approximation is an acknowledged method to data analysis. In case of periodic phase gratings data measured cannot be modeled with this method such as the sinking of the zeroth diffraction order and asymmetric diffraction patterns. Ultra small angle scattering (USANS) measurements of such periodic phase gratings in variable orientation to the neutron beam are, apart from the necessary theoretical bases of the scattering and diffraction theory, topic of this work. A suitable model for the interpretation of the results of measurement is presented. Additionally the problems and their priority causes with the interpretation using the Born approximation are discussed.

The measurements of the silicon phase gratings took place at the USANS Instrument at the Atominstitut der österreichischen Universitäten in Vienna. Using a double crystal diffractometer diffraction patterns of different lattices of similar structure were taken up in an angle range close to the forward scattering direction. The measurements were carried out with different angles of incidence as the lattices were rotated normal to the direction of arrival.

Referring to the Born approximation the incident, undisturbed wave is not considered since it is not necessary for most scattering experiments. In case of correlated systems, such as structures in a strictly periodic arrangement, as present with the measured phase gratings, interference of and with the undisturbed waves are not negligible. These interferences emerge in a small range around the forward scattering direction in a particular clear manner. Further neutrons, which cross a solid body, suffer phase shifts in an order of magnitude, that cannot be described with the method of the first Born approximation. For samples with small absorption these phase shifts affect the diffraction pattern in the regarded angle range in a dominant manner. Just this dominance suggests another, simple approach. The concept is to consider the geometrical expansion in direction of arrival only by the generated phase modulation. Thus the two-dimensional problem can be reduced to a model of linear arranged, phase-modulated point sources in which the undisturbed waves are taken into account.

With the help of this model the scattering data in this angle range can be evaluated well. Especially the change of the diffraction pattern caused by the rotation of the lattices can be very well illustrated.