Positronen

Die Erzeugung von Positronenstrahlen am MLZ erfolgt durch Einfang thermischer Neutronen in Kadmium. Die daraufhin freigesetzte hochenergetische Gammastrahlung wird anschließend in einer Struktur von Platin-Folien in Positron-Elektron-Paare umgewandelt. Durch elektrische Felder können die Positronen von den Elektronen separiert werden.

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

Winkelkorrelation und Doppler-Verschiebung Abb. 1: Winkelkorrelation und Doppler-Verschiebung der beiden bei der Zerstrahlung entstehenden Gammaquanten mit Gesamtenergie E = E1 + E2 = (511 keV - ΔE)₁ + (511 keV + ΔE)₂ = 1022 keV

Abb. 1: Winkelkorrelation und Doppler-Verschiebung der beiden bei der Zerstrahlung entstehenden Gammaquanten mit Gesamtenergie E = E1 + E2 = (511 keV - ΔE)₁ + (511 keV + ΔE)₂ = 1022 keV

Im Experiment beobachtet man eine Abweichung von der 180° Winkel-Korrelation und eine Energieverschiebung der emittierten 511-keV-Gammaquanten durch den vom Elektronenimpuls verursachten Doppler-Effekt (Abbildung, rechts) – der Impuls des thermalisierten Positrons ist vernachlässigbar. Die Positronenlebensdauer in Materie korreliert stark mit der lokalen Elektronendichte.

• Implantationstiefe (typ.): 0-10 µm
• Thermalisierungszeit: 1-10 ps
• typische Diffusionslänge: 100 nm
• Einfang in (leerstellenartigen): Defekten
• Vernichtung (überwiegend) in zwei 511 keV Gammaquanten

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. Die hohe Empfindlichkeit der Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS) ist mit der großen Positronen-Diffusionslänge bis zur Zerstrahlung und dem hohen Einfangpotential leerstellenartiger Defekte verbunden.