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Ch. Gösselsberger:
"Entwicklung eines Wanderwellen-Neutronenspinresonators";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): G. Badurek, E. Jericha, W. Treimer; Atominstitut, 2012; Rigorosum: 22.11.2012.

Inhalt dieser Dissertation ist der erstmalige Aufbau eines Wanderwellen-Neutronenspinresonators zur Erzeugung nahezu beliebig geformter wellenlängenselektierter, polarisierter Neutronenpulse. Das Grundprinzip dafür, die räumliche magnetische Spinresonanz, wurde bereits in den 1960er Jahren von Drabkin et al. vorgestellt. Dabei werden die polarisierten Neutronen einem räumlich abwechselnden magnetischen Feld ausgesetzt, welches normal zur Polarisationsrichtung angelegt ist, d.h. normal zu ihrem Führungsfeld. Die Frequenz dieses alternierenden Magnetfeldes ist im Bezugssystem eines einzelnen Neutrons jeweils von dessen Geschwindigkeit und der räumlichen Periode des Resonators abhängig. Sofern diese Frequenz mit der Larmorfrequenz der Neutronen übereinstimmt, welche durch das orthogonal angelegte statische Führungsfeld (Selektorfeld) bestimmt wird, findet ein Pi-Spinflip statt.
Durch eine geeignete Justierung dieses Selektorfeldes kann somit eine bestimmte Wellenlänge selektiert werden. Der einfachste, klassische Aufbau dieser Art besteht aus einem stromdurchflossenen, mäanderförmig gefalteten Aluminiumband innerhalb eines orthogonalen Führungsfeldes.
Durch Ein- und Ausschalten einer derartigen Anordnung können theoretisch auch Neutronenpulse erzeugt werden, allerdings wird die kürzest mögliche Pulsdauer dabei über die Länge des Resonators definiert, die eine Erzeugung kürzerer Pulse verhindert. Bei der Neuentwicklung ist ein sogenannter Wanderwellenmodus realisiert worden. Ein Aufbau aus einer Vielzahl an einzeln ansteuer- und regelbaren Aluminiumspulen erzeugt dabei ein wanderndes Magnetfeld, das die zu erzeugenden Neutronenpulse durch den Resonator begleitet. Die kürzest mögliche Zeitstruktur eines einzelnen Neutronenpulses ist bei einer derartigen Anordnung durch die Breite einer Aluminiumspule definiert und dementsprechend deutlich schärfer als bei einem konventionellen Resonator. Der Aufbau aus Einzelelementen im Vergleich zum Aluminiummäander hat außerdem den wesentlichen Vorteil, dass die erzeugten Magnetfelder beliebig geformt werden können und somit für den Betrieb sehr störende Nebenmaxima in den selektierten Wellenlängenspektren eliminiert werden können. Ausgehend von einer Designstudie werden zwei Prototypen des Wanderwellen-Neutronenspinresonators aufgebaut und am TRIGA Reaktor in Wien getestet und charakterisiert. Mögliche Anwendungen dieses neuen Neutronenresonators sind zum einen die Verwendung zur Strahlpräparation bei Experimenten mit polarisierten Neutronen und zum anderen der Aufbau eines neuartigen 3-Achsen-Spektrometers.

The design and first construction of a travelling-wave-mode neutron spin resonator, as a tool for the generation of arbitrarily shaped wavelength-selected and polarised neutron pulses, is the objective of this thesis. The basic principle of the neutron spin resonator was introduced in the 1960s by Drabkin et al. Thereby, polarised neutrons are passing a spatially alternating transverse magnetic field, oriented perpendicularly to the magnetic guide field. In the neutrons' rest frame, the frequency of this alternating field is dependent on the neutrons' velocity and the spatial period of the resonator. If this frequency equals the Larmor precession frequency, defined by the static guide field (selector field), a full Pi-spin-flip takes place. A tuning of the selector field allows for the selection of neutrons with a certain wavelength. The easiest design of such a device consists of an aluminium-meander between two polarising supermirros. By switching the device on and off, one can create neutron pulses with a smallest possible pulselength defined by the total length of the resonator. In order to go for the creation of much shorter and sharper neutron pulses, a travelling-wave-mode type resonator is realised. For this purpose, the meander is replaced by a number of individually controllable aluminium coils, creating a travelling magnetic field that accompanies the neutron pulse through the resonator. The new smallest possible pulse width is now given by the thickness of one aluminium coil which now represents one half period of the resonator field. Compared to a conventional resonator, much shorter pulse widths become possible with a resonator driven in travelling-wave-mode. Another advantage of this modular construction over the meander-setup is the flexibility of shaping the magnetic field configuration which allows to eliminate unwanted side maxima in the spin-flip probability. Based on a design study, two resonator prototypes are assembled and tested at the TRIGA Mark II reactor in Vienna. The performance of these prototypes is very promising and the results approve the performed calculations and simulations. Possible applications of this new travelling-wave-mode resonator are as a beam-tailoring device in polarised neutron experiments and the construction of a new type of triple-axis neutron spectrometer.

Polarisierte Neutronen; Neutronenspinresonator; Wanderwellen-Resonator; Wellenlängenselektion von polarisierten Neutronen; Manipulation von Neutronenstrahlen