Materialforschung mit Positronen: Von der Doppler-Spektroskopie zur

de Resultate durch Abbildung des mit Positronen bestrahlten Bereichs auf eine Kanalplatte
wurden 1988 von Brandes et al. in Transmissionsgeometrie [78] und von van House et al. in
Reflektionsgeometrie [237] erzielt. Die Reflektionsgeometrie bietet dabei den Vorteil, daß
auch dicke Proben untersucht werden können, wenn ihre Oberfläche eine genügende Reinheit
aufweist. 1995 wurde von Goodyear und Coleman ein weiteres PRM vorgestellt, das in Reflektionsgeometrie
arbeitet [238].
Bestrahlt man, ähnlich wie in einem Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM), eine dünne
Folie mit Positronen (E kin zwischen einigen keV und einigen 100 keV), kann ein Kontrast
auch ohne die Moderationseigenschaften des Targets erzeugt werden. Durch seine entgegengesetzte
Ladung unterscheidet sich die Wechselwirkung des Positrons mit dem Target dabei
wesentlich von der des Elektrons, so daß andere Kontraste als im TEM erhalten werden. Ein
solches Transmissions-Positronenmikroskop (TPM) wurde erstmals 1988 von van House et
al. aufgebaut [239]. Am KEK in Japan befindet sich derzeit ein TPM im Aufbau, das aus einem
modifizierten kommerziellen TEM besteht, das an den langsamen Positronenstrahl des
KEK angeschlossen werden soll [240,241]. Bei den hier beschriebenen Geräten RPM und
TPM ist die Größe des Positronenstrahlflecks auf der Probe nicht relevant für die erreichte
Ortsauflösung. Diese wird, wie auch beim TEM, ausschließlich durch die Qualität der Strahloptik
bestimmt.
Ein anderer Zugang zu hoher Ortsauflösung, der es ermöglicht die Fehlstellenverteilung in
prinzipiell beliebigen Proben zu untersuchen, besteht darin, einen fein fokussierten Positronenstrahl
in die Probe zu implantieren und die Annihilationsparameter von Positron und Elektron
zu messen. Dabei definiert die Diffusion des Positrons ein physikalisches Limit für die
minimal erreichbare Ortsauflösung, das für Strahlenergien von 1 - 50 keV nach [89,242] zu
0.2 - 2 µm abgeschätzt werden kann, wobei der Diffusionsradius stark von der Dichte des untersuchten
Materials und seiner Fehlstellenkonzentration abhängt. Zum Abrastern der Probe
wird entweder der Positronenstrahl mittels Scan-Spulen wie beim Raster-Elektronenmikroskop
(SEM) über die Probe geführt, oder die Probe bei feststehendem Strahl unter der
Strahlposition bewegt. Das erste Raster-Positronenmikroskop (Scanning Positron Microscope
SPM), wurde 1988 von Brandes et al. realisiert [243], wobei jedoch nur eine Auflösung von
Millimetern erreicht wurde. 1995 schlugen Seijbel et al. [244] und Zecca et al. [245,246] unabhängig
voneinander ein SPM vor. Seijbel setzte dabei auf ein modifiziertes kommerzielles
SEM, das den Positronenstrahl des Forschungsreaktors in Delft über eine Remoderatorstufe
als primäre Positronenquelle verwendet.
Der Entwurf von Zecca basiert auf einen gepulsten langsamen Positronenstrahl mit 22 Na als
Quelle, bei dem über die Pulsflanke ein Start-Signal zur Lebensdauermessung zur Verfügung
steht. Der Positronenstrahl mit einem Durchmesser von 2 mm wird durch eine von Shao et al.
vorgeschlagene magnetische Linse (sog. Pfannenkuchenlinse [247]) am Probenort auf einige
Mikrometer zusammengezogen. Dieses Konzept schließt ferromagnetische Materialien als
Proben aus, da diese das Fokussierungsfeld verzerren würden. Das Gerät wurde 1997 in München
realisiert und erste Testmessungen an einer Au/Si Struktur wurden veröffentlicht [248].
Ein weiterer sehr ambitionierter Entwurf wurde 1997 von Sterne et al. vorgestellt [249,250].
Wie das SPM von Zecca basiert es auf einem gepulsten Positronenstrahl, dessen Phasenraum
durch drei aufeinanderfolgende Remoderationsstufen verkleinert wird. Um trotzdem hohe
moderierte Flüsse zu erreichen, sollte der am LINAC des LLNL erzeugte Positronenstrahl als
primäre Positronenquelle verwendet werden [55]. Es wurden Pulsraten von 20 MHz bei einer
Zeitauflösung von 100 ps angestrebt. Dieses Projekt wurde aber leider aus politischen Gründen
eingestellt.
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