Flugzeitspektroskopie

Die Flugzeitspektroskopie ist ein Messverfahren, das zusätzliche Informationen über die Probe gewinnt, indem es die Flugzeit der Neutronen berücksichtigt. Die Idee dabei ist, dass die Neutronen durch Stöße gegen das Probenmaterial ihre Geschwindigkeit verändern und dadurch mit Zeitverschiebung am Detektor eintreffen.

Dabei ergibt sich jedoch ein großes Problem: Man kann ein Neutron nur einmal messen.
Im Gegensatz zu z.B. einem Auto, das man zweimal messen kann, existieren für Neutronen nur Detektoren, die das Neutron in irgendeiner Kernreaktion verschlucken. Man kann also nicht einfach die Geschwindigkeit des Neutrons vor und nach der Streuung messen.

Die Lösung des Problems besteht darin, den Neutronenstrahl so vorzubereiten, dass die Neutronen alle zum selben Zeitpunkt und mit derselben Gechwindigkeit auf die Probe treffen. Mit Hilfe von Choppern kann man dies erreichen. Ein Chopper ist eine sich drehende Scheibe, in deren Rand eine Kerbe ist. Sie hängt so im Strahl, dass nur wenn die Kerbe gerade am Strahl ist, Neutronen passieren können und sonst gegen die Scheibe fliegen, die aus Neutronen-absorbierendem Material ist. Der erste Chopper schneidet nun kleine Pakete aus dem Strahl heraus. Ein zweiter, leicht anders getakteter, sorgt dafür, dass aus diesem Paket nur Neutronen einer gewissen Geschwindigkeit durchgelassen werden, nämlich die, die genau durch beide Chopper huschen konnten.

Nun trifft dieses Paket gleichschneller Neutronen auf die Probe. Einige Neutronen verlieren oder gewinnen dort Energie, die sie an die Atome der Probe abgeben. Laut der Quantentheorie können aber bestimmmte Atome nur bestimmte Energien annehmen. Aus der Energieänderung der Neutronen kann man also eventuell auch auf die Atomsorte schließen, mit der sie kollidiert sind. Die Neutronen fliegen nun weiter zum Detektor, wo sie nach und nach ankommen und gemessen werden. Dabei ist es wichtig, dass alle erfasst sind, bevor die Neutronen des nächsten Pulses ankommen. Da diese ja kein Schild "Nächster Puls" tragen, würden sie für sehr langsame Neutronen des ersten Pulses gehalten und ein heilloses Durcheinander anrichten. Man sieht also, wie praktisch die langsamen, starken Pulse der ESS hier sein können, zumal ein konventioneller Chopper über 99% der Neutronen verschwendet.