Transcript 04_Faustmann_ACAR_Seminar

ACAR
- Angular Correlation of Annihilation Radiation - Verwendet Positronen als Medium
- Messung der Winkelverteilung der Gammastrahlung aus
Elektron-Positron-Annihilation
- ermöglicht Aussagen über die elektronische Struktur
eines Festkörpers
Übersicht
A) Das Positron
Quellen
β+-Strahler
Bremsstrahlungsquellen
Positronen aus Paarbildung
B) Positronen im Festkörper
Prozesse
Experimentelle Anwendungen
C) ACAR-Spektroskopie
Grundlegendes Prinzip
Versuchsaufbau
Das Positron
1930: Postulation des Positrons als Antiteilchen des
Elektrons durch P. Dirac
1932: Experimenteller Nachweis durch Anderson mit Hilfe
einer Nebelkammer
Eigenschaften analog zum Elektron, jedoch umgekehrtes
Vorzeichen bei Ladung, magn. Moment, etc.
Masse:
Ladung:
Magn. Moment
Lebensdauer (Vakuum)
511,0034 keV/c2
+1,9 · 10 -19 C
9,2848 · 10 -24 Am2
2 · 10 21 a
Quellen
β+-Strahler:
Nuklide mit Protonenüberschuss, zerfallen gemäß
folgender Reaktion:
A
ZX
→ AZ-1Y¯ + e+ + υe
Typisches Nuklide: 22Na
Verwendung im Labor möglich
Quellen
häufig verwendet: 22Na
Herstellung: 24Mg + d → α + 22Na
Halbwertszeit 2,6 a
→ günstig für längere Messungen, bei denen
eine konstante Intensität des Positronenstrahls
wünschenswert ist
gute Aktivität bis zu 1,9 · 109 Bq
Zerfall gemäß:
22Na
β+
→
22Ne*
2,6 a
γ
→ 22Ne
3,7 ps
Quellen
Erzeugung von Positronen aus Bremsstrahlung
Beschleunigung von Elektronen auf ein Target durch einen
Linearbeschleuniger
Erzeugung eines gepulsten Positronenstrahls
„Debunching“: Umwandlung in einen kontinuierlichen Strahl
Quellen
Erzeugung von Positronen durch Paarbildung
γ → e+ + e-
in der Nähe von Kernen
Wirkungsquerschnitt ~Z2
Quelle der Gammastrahlung:
a) γ-Strahlung direkt aus Reaktorkern
b) Beschuss eines Materials mit Neutronen, wobei
γ-Strahlung emittiert wird → NEPOMUC
Quellen
NEPOMUC: Neutroneninduzierte Positronenquelle München
am FRM2 der TU München
Derzeit weltweit intensivste Quelle für monoenergetische
Positronen
Intensität: 109 e+/s
Funktionsweise NEPOMUC
Strahlrohr im Reaktorbecken
Funktionsweise NEPOMUC
Ummantelung der Spitze aus Cadmium fängt Neutronen ein und
emittiert γ-Strahlung
Funktionsweise NEPOMUC
Dahinter:
Platinschichten
- hohes Z → guter Wirkungsquerschnitt für Paarerzeugung
- moderiert entstandene Positronen
→ isotrope Geschwindigkeitsverteilung
Funktionsweise NEPOMUC
Angelegte Spannung zwischen Platinsektionen trennt
Elektronen und Positronen und beschleunigt sie
Funktionsweise NEPOMUC
Elektrische und magnetische Linsen fokussieren Positronenstrahl
und leiten diesen in die Experimentierhalle
Positronen im Festkörper
Trifft ein Positron auf einen
Festkörper kann es einer
Vielzahl an Prozessen
unterliegen
Drastisch reduzierte
Lebensdauer durch
Anwesenheit von Elektronen
→ Annihilation
Positronen im Festkörper
Beugung an der Oberfläche:
Das Positron dringt nicht in
den Festkörper ein
Eingedrungene Positronen
thermalisieren sehr schnell
durch inelastische Streuung
Metalle:
~10 ps
HL, Isolatoren: >10 ps
Genaue Prozesse stark
abhängig von Energie der
Positronen
Positronen im Festkörper
Sie können aber auch vor
dieser Zeit wieder zur
Oberfläche zurückgestreut
werden und den Festkörper
verlassen
→ Ps, Ps-, schnelle e+
Diffusion als freies Teilchen
(Lebensdauer: ~ 100 Ps)
Rüchstreuung zur Oberfläche
als thermalisiertes e+, Ps
Positronen im Festkörper
Einfang in Defekt
(Leerstellen, Versetzungen,
Korngrenzen, etc.)
Fehlende positive geladene
Atomkerne
→ Attraktives Potential für e+
Verlängerte Zeitspanne bis zur
Annihilation
Positronen im Festkörper
Annihilation mit Elektron unter Aussendung von zwei
kollinearen γ-Quanten (Schwerpunktsystem) mit 511 keV
- Thermalisierte Positronen: vernachlässigbarer Impuls
- Hüllenelektronen: isotrope Impulsverteilung bis zum
Fermiimpuls
→ Verbreiterung der Annihilationsspektrums durch
Dopplerverbreiterung → DBS
→ Abweichung des Öffnungswinkels der γ-Quanten von
180° im Laborsystem → ACAR
Experimentelle Anwendungen
Messung der Lebensdauer der Positronen in Materie
→ präzise Aussagen über Defektkonzentration
Bestimmung der Dopplerverbreiterung:
→ Information über Impulskomponente parallel zur
Messrichtung (DBS)
Abweichung der Winkelverteilung der Annihilationsstrahlung:
→ sehr genaue Vermessung der transversalen
Impulskomponenten → ACAR
Positroneninduzierte Auger-Elektronen-Spektroskopie (PAES):
Untersuchung von Oberflächen
ACAR-Spektroskopie
Bestimmung der Fermi-Fläche durch Messung der
Winkelabweichung von 180° im Laborsystem
Verursacht durch Transversalimpuls der Elektronen
ACAR-Spektroskopie
1D-ACAR: Messung der Winkelabweichung in horizontaler
Richtung
Impulsdichte: ρ(px) = ∫ρ(p)dydz
2D-ACAR: horizontal + vertikal
ρ(pxy) = ∫ρ(p)dz
Messung einer Projektion der Fermi-Fläche
→ Rekonstruktion aus mehreren Blickwinkeln
Durch gleichzeitige Messung der Dopplerverbreiterung
theoretisch Bestimmung aller Impulskomponenten möglich
→ Experimentell jedoch nicht ausreichend genau
machbar
Versuchsaufbau
1D-ACAR
Versuchsaufbau
Quelle und Probe in
Bleiburg zum Schutz vor
Strahlung
Kollimatoren aus Blei
und Wolfram lassen nur
Strahlung in bestimmter
Richtung durch
Spaltbreite bestimmt
Winkelauflösung
Szintillationsdetektoren
mit Photomultipliern im
Abstand von 4m
Versuchsaufbau
Typische Szintillatoren: NaI(Tl), BiGeO, BaF2
NaI(Tl): hohe Quantenausbeute → gute Energie-/Ortsauflösung
relativ geringe Nachweiswahrscheinlichkeit
→ Anwendung bei 2D-ACAR
BaF2:
sehr kurze Abklingzeit, sehr geringe Quantenausbeute
BiGeO: hohe Nachweiswahrscheinlichkeit, geringe Quantenausbeute
→ Anwendung für 1D-ACAR
Versuchsaufbau
Ein Arm des Aufbaus
beweglich gelagert,
ermöglicht Anfahren
best. Winkel
Messelektronik
selektiert nach
Quantenenergie und
Detektionszeitpunkt
→ nur gleichzeitige
Annihilationsquanten
mit 511 keV werden
registriert
Bestehende Versuche
1D-ACAR am Physikdepartment
2D-ACAR mit 16,5 m langen Strahlarmen am Beschleunigerlabor
Literaturverzeichnis
[1]
P. Dirac: Proc. Roy. Soc, 1930
[2]
C. Hugenschmidt, G. Kögel, R. Repper, K. Schreckenbach, P. Sperr, B.
Straßer, W. Triftshäuser: Monoenergetic Positron Beam at the Reactor
Based Positron Source at FRMII, Nucl. Instr. Meth., 2002
[3]
G. Schatz and A. Weidinger: Nukleare Festkörperphysik, B. G. Teubner,
Stuttgart, 3. Auflage, 1997
[4]
H. Bucka. Lehrbuch der Experimentalphysik 4, Bergmann Schaefer, de
Gruyter Berlin, 1981
[5]
J. A. Weber, H. Ceeh, C. Hugenschmidt: Messung der
Winkelkorrelations von γ-Strahlung aus der Annihilation von ElektronPositron-Paaren
[6]
E21 Jahresbericht 2011/2012