Polarisiertes 3He-Edelgas zur Untersuchung magnetischer Materialstrukturen

Helium3-Anlage am FRM II in Betrieb

21.02.2005, Pressemitteilungen

„Helios“ heißt eine kürzlich in Garching in Betrieb genommene Anlage, die die Wissenschaftler an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) künftig mit polarisiertem Helium3 versorgen wird. Der Einsatz dieses polarisierten Edelgases eröffnet neue Wege in der Grundlagenforschung sowie in der angewandten Materialforschung, insbesondere zur Untersuchung magnetischer Substanzen.

Mit Neutronenstrahlen ist es möglich, die Struktur eines Materials zu erforschen, d.h. die Anordnung seiner atomaren Bausteine zu bestimmen. Um die magnetischen Eigenschaften eines Materials untersuchen zu können, muss der Neutronenstrahl polarisiert sein. Der so genannte „Spin“ der Neutronen – ein winziger Magnet, der sich mit diesen magnetischen Strukturen in Wechselwirkung befindet – muss daher die gleiche Richtung aufweisen.

Die vom FRM II gelieferten Neutronen sind jedoch nicht polarisiert. Die Filterung, die man üblicherweise für die Selektierung der Neutronen mit einer bestimmten Polarisation benutzt, ist äußerst kompliziert und funktioniert mit herkömmlicher Technik nur unter sehr eingeschränkten Bedingungen. Helios liefert hierfür den entscheidenden Fortschritt. Die starke Absorptionsfähigkeit für Neutronenstrahlen von 3He-Gas hängt sowohl von dessen Polarisation als auch von der des Neutrons ab. Das von Helios produzierte polarisierte 3He-Gas wird in spezielle Glasbehälter abgefüllt und als Filter zu den Neutronenstreuexperimenten transportiert. Diese Art der Filterung erlaubt den Bau geometrisch komplexer (z.B. gebogener), großflächiger Filter. Sie ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Neutronen – ein wesentlicher Vorteil, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten (heißen Neutronen).

Die Herstellung von hoch polarisiertem 3He-Gas ist sehr aufwändig. Voraussetzung ist eine spezielle magnetfreie Umgebung, die die einmal erzeugte Polarisation nicht gefährdet. In der Nachbarschaft des FRM II wurde daher ein Labor aus Holz, Aluminium und Edelstahl errichtet. Mittels eines sehr leistungsstarken Lasers werden hier Infrarotstrahlen über eine optische Vorrichtung in eine Art Leuchtstoffröhren geleitet, die 3He-Gas enthalten. Bei sehr niedrigem Druck kommt es zur Gasentladung, bei der das Laserlicht absorbiert wird und schließlich zur Polarisation der 3He-Atome führt. Das in diesem so genannten optischen Pumpprozess gewonnene polarisierte 3He-Gas wird anschließend in einem Kompressor bei hohem Druck verdichtet. Mit der am FRM II eingerichteten leistungsfähigen Anlage werden derzeit täglich bis zu 27 bar-Liter polarisiertes 3He-Gas erzeugt. Die Menge reicht aus für die gleichzeitige Nutzung an mehreren Instrumenten.

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