Materialforschung mit Positronen: Von der Doppler-Spektroskopie zur

zwischen 10 -7 und 10 -6 Leerstellen pro Atom liegt. Der Dynamikbereich erstreckt sich über
drei bis vier Größenordungen vom thermisch ausgeheilten Zustand eines Werkstoffs, bis zum
maximal verformten, direkt vor der Spitze eines Ermüdungsrisses.
Neben der Empfindlichkeit für die Konzentration von Gitterfehlern besitzt das Positron auch
eine chemische Sensitivität für die Umgebung der nächsten Nachbarn einer Positronenfalle.
Die Elektronenimpulsdichte ist für jede Atomspezies spezifisch, und führt über die Doppler-
Verschiebung zu einer charakteristischen Form der Annihilationslinie. Das Doppler-Spektrum
besitzt daher im Bereich hoher Elektronenimpulse eine ausgeprägte chemische Sensitivität.
Auch wenn durch die Abschirmung der inneren Orbitale die Zerstrahlungsereignisse mit hohen
Impulsen statistisch selten sind, können die Spezies der nächsten Nachbaratome in vielen
Fällen identifiziert werden.
Auswertung experimenteller Daten
Die Dopplerverbreiterung der Annihilationsstrahlung liegt in der Größenordnung der Energieauflösung
aktueller Germanium-Detektoren. Dies erfordert eine hohe Stabilität der Meßapparatur
sowie große Sorgfalt bei der Auswertung der Doppler-Spektren. Hinzu kommt, daß
der chemisch sensitive Teil des Doppler-Spektrums von einem um drei Größenordnungen höheren
Untergrund überdeckt ist. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden vorgestellt und
detailliert beschrieben, die eine hochgenaue Auswertung von Doppler-Spektren ermöglichen.
Dabei ist es zunächst wesentlich, störende Einflüsse auf die Messung, wie zum Beispiel
Schwankungen in der Elektronik, genau zu erfassen. Dies gelingt über die simultane Messung
eines geeigneten Gammastrahlers, wobei sich 7 Be als optimal herausgestellt hat. Sind diese
Störungen einmal bekannt, können die Spektren im Nachhinein korrigiert werden.
Das Problem des hohen Untergrunds im chemisch sensitiven Bereich kann auf zwei verschiedene
Weisen angegangen werden: Zum Einen mit der Messung beider Annihilationsquanten
in Koinzidenz (Coincidence Doppler Broadening Spectroscopy CDBS), zum Anderen mit einer
exakten mathematischen Anpassung und Subtraktion des Untergrundes (High Momentum
Analysis HMA). Die CDBS hat den Nachteil des höheren Aufwandes, da sie ein Paar gut aufeinander
abgestimmter Germanium-Detektoren erfordert. Doch selbst bei guter Abstimmung
verbleiben Unterschiede, die die Qualität der resultierenden Spektren deutlich beeinflussen
und zu unphysikalischen Asymmetrien in der Doppler-Kurve führen können. Es wird hier ein
Algorithmus vorgestellt, der individuelle Parameter der Detektoren berücksichtigt. Mit diesem
Algorithmus ausgewertete CDB-Spektren zeigen weniger Artefakte und lassen sich besser
mit Ergebnissen anderer Messungen vergleichen. Die HMA benötigt nur einen Detektor
und kann in jedem vorhandenen Doppler-Spektrometer implementiert werden. Die hier eingeführte
mathematische Beschreibung des Annihilationspeaks und des Untergrundes ermöglicht
es, die Feinheiten des Doppler-Spektrums über den für die chemische Analyse der Umgebung
einer Positronenfalle relevanten Energiebereich aufzudecken. Die mit HMA mit einem einzelnen
Detektor gewonnenen Ergebnisse sind mit denen der CDBS innerhalb der jeweiligen
Fehlergrenzen identisch.
Positronen-Mikrosonde
Bei vielen Versuchen zu Plastizität und Ermüdung ergibt sich eine stark inhomogene Verteilung
der Gitterfehler über das Probenvolumen, wobei sich je nach Probengeometrie die Versetzungsdichte
in Abständen weniger Mikrometer signifikant ändern kann. Eine solche Ortsauflösung
ist mit herkömmlichen Positronenquellen nicht zu erreichen und kann nur mit einem
Feinfokus-Positronenstrahl realisiert werden. Die Bonner Positronen-Mikrosonde (BPM)
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