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M. Wess:
"Polarizing Multilayer Neutron Mirrors";
Betreuer/in(nen): G. Badurek, E. Jericha, F. Eriksson; Atominstitut, 2019; Abschlussprüfung: 30.04.2019.

Diese Diplomarbeit beschreibt Prinzip, Design, Herstellung und Charakterisierung von polarisierenden Vielschicht-Neutronenspiegeln. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Optimierung der Umgebungsparameter während der Herstellung gelegt, um möglichst ideale Grenzflächen zu generieren. Die Grenzflächen sollen minimale Rauheit und Mischung zwischen den Schichten aufweisen, um Neutronenspiegel mit hoher Qualität zu erhalten. Um polarisierende Vielschicht-Neutronenspiegel herzustellen, muss eines der beiden gewählten Materialien ferromagnetisch sein. Außerdem ist es wichtig, dass das nukleare Fermi-Pseudopotential für den niedrigeren Spinzustand des ferromagnetischen Partners möglichst gleich groß ist wie das des unmagnetischen Materials. Cobalt (Co) und Titan (Ti) erfüllen diese Voraussetzungen und wurden daher als Materialien gewählt. Der Einfluss der Beimischung von isotopangereichertem, schwach Neutron-absorbierendem Borcarbid auf die Qualität der Grenzflächen wurde gründlich untersucht. Die Proben wurden mittels ionenunterstützter Gleichstrom - Magnetronsputterkathodenzerstäubung mit zwei unterschiedlichen Depositionssystemen hergestellt. Der Unterschied zwischen kontinuierlicher und modulierter Ionenunterstützung wurde untersucht. Bei zweiterer Methode wird der erste Teil jeder Schicht mit Ionenunterstützung mit niedriger Energie erzeugt, während der zweite Teil Ionen mit höherer Energie verwendet. Eines der Depositionssysteme bot die Möglichkeit, Proben mithilfe von Ionenunterstützung mit hohem Fluss herzustellen. Dies wurde verwendet, um den Einfluss unterschiedlicher Ionenflüsse auf die Qualität der vielschichtigen Strukturen zu testen. Die Proben wurden in erster Linie durch Röntgenreflektometrie (XRR) und diffuse Röntgenstreuung charakterisiert. Ausgewählte Proben wurden außerdem mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Neutronenreflektometrie untersucht. Die Messungen zeigen, dass die Beimischung von Borkarbid die Güte der Proben drastisch verbessert. Außerdem haben sich modulierte Ionenunterstützung und Ionenunterstützung mit hohem Fluss als wichtige Methoden erwiesen, um polarisierende Vielschicht-Neutronenspigel von hoher Qualität herzustellen.

This master thesis describes the principle, design, growth and characterization of polarizing multilayer neutron mirrors. Focus was put on optimizing growth parameters to minimize interface imperfections i.e. roughness and intermixing between the layers and to obtain high-quality neutron mirrors. To create polarizing multilayer neutron mirrors one of the chosen materials has to be ferromagnetic. Furthermore, it is important that the nuclear Fermi-pseudopontential for the lower spin-state of the ferromagnetic partner has a similar value as the one of the non-magnetic material. Cobalt (Co) and Titanium (Ti) fulfill these requirements and were therefore chosen as the materials. The impact of adding isotope enriched low neutron-absorbing boron carbide during the growth of the multilayer on the obtained quality of the interfaces was horoughly tested. The multilayers were grown by ion-assisted direct current magnetron sputter deposition using two different deposition systems. The difference between continuous and modulated ion-assistance was examined. In the latter case the first part of each layer is grown using low-energy ion-assistance while the second part uses ions with a higher energy. One of the deposition systems offered the possibility to grow multilayers with high-flux ion-assistance. This was used to examine the impact of different ion-fluxes on the quality of the multilayers. The multilayers were primarily characterized using x-ray reflectivity (XRR) and x-ray diffuse scattering measurements. Selected samples were also characterized by x-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy TEM), and neutron reflectivity. It is shown that co-sputtering boron carbide during multilayer growth drastically improves the quality of the multilayers. Furthermore, ion-assistance modulation and the possibility to create high-flux ion-assistance have proven to be vital tools for the deposition of high-quality polarizing multilayer neutron mirrors.

polarisierte Neutronen / Neutronensuperspiegel / Materialcharakterisierung / polarised neutrons / neutron super mirrors / materials characterization