Materialforschung mit Positronen: Von der Doppler-Spektroskopie zur

2.1 Positronenquellen
In der Natur wurden Positronen erstmals in der Höhenstrahlung experimentell nachgewiesen
[24], wo sie durch Paarbildung in elektromagnetischen Schauern sowie durch den Zerfall solarer
Myonen entstehen. Künstlich können Positronen über die Konversion hochenergetischer
Gammastrahlung durch Paarbildung oder den Zerfall protonenreicher Kerne erzeugt werden,
die bei der Bestrahlung geeigneter Targets mit beschleunigten geladenen Teilchen (p, d,
) entstehen.
Die maximale Stärke langlebiger Positronenemitter im Labormaßstab ist grundsätzlich auf
einige 10 mCi sowohl durch den Aufwand an Abschirmung als auch durch den Preis der Isotope
beschränkt. Sehr starke Quellen verlieren darüber hinaus einen beträchtlichen Anteil an
Positronen durch Selbstabsorption im größtenteils inaktiven Quellmaterial. Mit in-situ erzeugten
kurzlebigen Quellen oder der Erzeugung von Positronen über die Paarbildung kann
dieser Nachteil überwunden werden. Jedoch ist dies nur im Rahmen von Großforschungseinrichtungen
(Forschungsreaktoren, Beschleuniger) möglich.
2.1.1 Langlebige + -Strahler
Im Labormaßstab werden üblicherweise radioaktive Isotope als Positronenemitter eingesetzt.
In Tabelle I sind einige der gängigeren Präparate aufgeführt (nach [25, 26]). Das bei weitem
am häufigsten verwendete Isotop ist 22 Na, da es kommerziell als Lösung ( 22 NaCl, 22 Na 2 CO 3 )
erhältlich ist und seine Eigenschaften nahezu ideal für Positronen-Lebensdauermessungen
sind: Der -Zerfall des 22 Na führt zur einem angeregten Zustand von 22 Ne (Jp = 2+), der sich
über die Abgabe eines prompten Gammas von 1275 keV in den Grundzustand abregt. Dieses
kann – auch bei geringer Energieauflösung der Detektoren – gut von der Vernichtungsstrahlung
separiert werden und wird in der Lebensdauerspektroskopie als Start-Signal verwendet.
Weitere Vorteile von 22 Na liegen in der Endpunktsenergie des -Spektrums bei 540 keV, was
zu einer Eindringtiefe der Positronen zwischen 10 – 100 µm führt, und in der Halbwertszeit
von 2.6 Jahren, die den Aufwand für Quellpräparation und -wechsel in moderaten Grenzen
hält.
Tabelle I: Eigenschaften einiger Positronenemitter für den Laboreinsatz. (LT) Für Lebensdauermessungen
geeignet; (DS) Für Doppler-Messungen geeignet [27].
Isotop t ½ Endpunkts- e + /Zerfall g (E>511keV) /e +
Energie [MeV]
(E g [keV])
22
Na (LT) 2.6y 0.545 0.9 1 (1275 )
68
Ge/ 68 Ga (DS) 271d 1.89 0.88 0.03 (1077 )
58
Co (LT) 71d 0.474 0.15 0.99 (811)
48
V (LT) 16d 0.696 0.5 2 (1312, 983)
64
Cu (DS) 12.7d 0.653 0.18 0.005 (1346)
6