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Positronen als Sonde

Zwei Jahre nach dem Postulat von P. A. M. Dirac im Jahr 1930, entdeckte C. D. Anderson das Positron, das Anti-Teilchen des Elektrons, bei Untersuchungen von Teilchenspuren in einer Nebelkammer in einem Magnetfeld. Elektron und Positron als Materie- und Antimaterieteilchen haben die gleiche Masse und den gleichen Spin, aber entgegengesetzte Ladung und magnetisches Moment.

Nach dem Eindringen in Materie, werden Positronen innerhalb von Pikosekunden abgebremst (thermalisiert) und diffundieren anschließend über hunderte von Gitterabständen bis sie mit einem Elektron in der Umgebung entweder direkt oder nach Einfang in Kristalldefekten oder an der Oberfläche zerstrahlen (annihilieren). Beim Annihilationsprozess wird elementspezifische Gammastrahlung freigesetzt, die detektiert werden kann. Diese zerstörungsfreie Untersuchungstechnik wird als Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS) bezeichnet

Unter Verwendung eines monoenergetischen Positronenstrahls zeichnen sich PAS-Techniken durch folgende Merkmale aus:

  • zerstörungsfreie Analyse
  • keine Aktivierung der Probe
  • minimale atomare Defektdichte: 10-7 Leerstellen / Atom
  • Informationen über die chemische Umgebung von Defekten
  • Untersuchung von Oberflächen, Grenzflächen und dünnen Schichten
  • Untersuchung der elektronischen Struktur

In der Festkörperphysik und in den Materialwissenschaften wird das Positron als hochmobile Nano-Sonde für die zerstörungsfreie Untersuchung von Fehlstellen auf atomarer Skala eingesetzt, z.B. Analyse von Leerstellen, Korngrenzen und Nano-Poren, Cluster oder Oberflächen.

NEPOMUC NEPOMUC In der Probenkammer der Positronenquelle NEPOMUC am MLZ wird der Positronenstrahl im Ultrahochvakuum auf die Oberflaeche einer Probe fokussiert (Foto: Jakob Mayer, TUM).
In der Probenkammer der Positronenquelle NEPOMUC am MLZ wird der Positronenstrahl im Ultrahochvakuum auf die Oberflaeche einer Probe fokussiert (Foto: Jakob Mayer, TUM).

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