Effizienzsteigerung der Positronenquelle NEPOMUC am FRM II

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2.3.2 Annihilation und Trapping 2.3. POSITRONEN IN FESTKÖRPERN Trifft das thermalisierte Positron auf ein Elektron, können beide unter Emission zweier 511 keV Photonen und einem Emissionswinkel von 180 zueinander zerstrahlen. Kleine Winkel- und Energieabweichungen können über die Impuls- und Energieerhaltung auf Impulse und Energien der beteiligten Elektronen zurückgeführt werden. So können strukturelle Informationen über die elektronische Struktur im Festkörper gewonnen werden. Die Annihilation kann zwar auch unter Emission von drei oder mehr Gammaquanten stattfinden, jedoch wird die Wahrscheinlichkeit für solch einen Prozess mit jedem zusätzlich emittierten Photon immer geringer. Bereits die Drei-Photon-Annihilation (3γ- Zerfall) ist um den Faktor 370 unwahrscheinlicher als die Zwei-Photon-Annihliation [10]. Der Annihilationszeitpunkt verzögert sich, wenn das Positron an einem Defektplatz eingefangen wurde, da die Elektronendichte an Leerstellen geringer ist als in der intakten Gitterstruktur. Abbildung 2.7: Ein thermalisiertes Positron diffundiert um mehrere Gitterplätze weiter, bevor es im Potentialtopf eines Defekts eingefangen wird und dort bis zur Anniliation bleibt. Defekte wie Korngrenzen, Versetzungen oder Leerstellen weisen sich durch größere Bereiche mit fehlender positiver Ladung aus und stellen für Positronen tiefe Potentialtöpfe dar (Unterschied zum perfekten Gitter sind wenige eV), aus denen sie bis zur Annihilation nicht mehr entkommen können. Dieser Vorgang ist in Abbildung 2.7 dargestellt und wir als ” Trapping” bezeichnet [11]. 2.3.3 Positronium-Bildung Anstatt zu annihilieren kann das Positron auch eine wasserstoffähnliche Verbindung mit einem Elektron eingehen. Dabei nimmt das Positron die Rolle des einfach positiv Seite 12
KAPITEL 2. GRUNDPRINZIPIEN DER POSITRONENPHYSIK geladenen Protons ein, mit dem Unterschied, dass es die gleiche Masse wie das Elektron hat. Dieses System wird als Positronium (Ps) bezeichnet und hat eine Bindungsenergie von -6,8 eV und einen Bindungsradius von circa 1˚A. Mit einem weiteren Elektron erhält man Ps − , also einem Schwerpunktsystem aus einem Positron und zwei Elektronen [10]. 2.3.4 Wirkung eines Moderators Wie zuvor beschrieben diffundieren thermalisierte Positronen durch den Festköper. Ein Teil wandert folglich auch wieder an die Oberfläche zurück, bei dünnen Schichten sogar ein erheblicher Anteil. Für thermische Elektronen stellt die Oberfläche normalerweise ein unüberwindbares Hindernis dar, einerseits wegen des Dipolpotentials D, das durch den Grenzübergang von der Oberfläche zum Vakuum verursacht wird, andererseits durch das chemische Potential µ der Atomrümpfe und Hüllenelektronen. In der Summe entsprechen diese Potentiale der Austrittsarbeit φ − des Elektrons aus dem Medium und sind zusammen positiv. Das bedeutet, man muss diese Arbeit verrichten, um ein freies Elektron zu erzeugen. Das chemische Potential wirkt sowohl auf Elektronen wie auch auf Positronen identisch, allerdings ist das Dipolpotential für Positronen negativ, weshalb bei manchen Materialien die Summe der Potentiale einen negativen Wert annimmt. Damit ist die Austrittsarbeit φ + für Positronen bei diesen Stoffen negativ und ein Oberflächenpositron wird mit einem definierten Energiewert (wenige eV) emittiert. Dies ist das Grundprinzip der Moderation und ist essentiell für die Erzeugung eines monoenergetischen Strahls mit geringen Transversalkomponenten [11]. Typische Moderatoren mit negativen Austrittsarbeiten sind Wolfram und Platin, wobei Platin wegen seiner hohen Widerstandskraft in aggressiven Milieus und der Möglichkeit zum Ausheilen von Defekten bei bereits 500 K bei NEPOMUC eingesetzt wird. 2.4 Prinzipien der Strahlführung Unmittelbar nach der Erzeugung der Positron-Elektron Paare müssen die Positronen ” abgesaugt” und zu einem Strahl geformt werden, der dann zu den Experimenten gelenkt wird. Da es sich beim Positron um ein geladenes und leichtes Teilchen handelt, kann dies mit elektrostatischen und magnetischen Feldern erreicht werden. Die elektrischen Potentiale dienen hauptsächlich der Anpassung der kinetischen Energie und der Fokussierung, die magnetischen Felder sorgen für die eigentliche Strahlführung, das heißt, sie leiten den Strahl um Kurven und halten ihn von der Wand des innersten Rohres fern. 2.4.1 Elektrostatische Führung Gerät ein Positron in ein elektrisches Feld, so erfährt es eine Kraft in Richtung der Feldlinien. Um nun die kinetische Energie der Positronen zu erhöhen, werden im einfachsten Fall zwei voneinander isolierte, leitende Rohrstücke verwendet, an denen verschiedene elektrische Potentiale anliegen. Sorgt man dafür, dass das hintere der beiden Rohre ein geringeres Potential als das vordere Stück aufweist, so werden die positiven Positronen dorthin beschleunigt. Durch die Geometrie und den kleinen Abstand zwischen Seite 13
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