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Doppler-Messung und Winkelkorrelation Stefan Legl 7.12.2004.

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Präsentation zum Thema: "Doppler-Messung und Winkelkorrelation Stefan Legl 7.12.2004."—  Präsentation transkript:

1 Doppler-Messung und Winkelkorrelation Stefan Legl

2 2 Inhalt Wiederholung: Positron in Materie NEPOMUC Winkelkorrelation - Grundlagen - ACAR - Bestimmung der Fermi-Impulse in Metallen Doppler-Messung - Grundlagen - DCB - AMOC Positronium - Eigenschaften - Ps-Bildung in Materie - Positroniumchemie

3 3 Das Positron in Materie Ideale Sonde Annihilation statt Streuung Strahlung enthält Informationen über die Materie (Dichte und Geschwindigkeit der Elektronen) Winkelkorrelation und Dopplerverschiebung Lebensdauer im Vakuum: 2·10 21 a

4 4 Thermalisierung Verlust von Energie durch - Stöße mit Kern- und Valenzelektronen - Anregung von Exzitonen, Plasmonen, Phononen - Ionisation Zeitskala: Picosekunden Thermalisierte Positronen: (Raumtemperatur)

5 5 Implantationstiefe Kontinuierliche Energieverteilung (z.B. e + aus 22 Na oder Reaktor) Moderation Anpassung der Implantationstiefe möglich

6 6 Diffusion Nach der Thermalisierung diffundieren die e + durch den FK Idealer FK: e + halten sich wegen Coulomb-Abstoßung zwischen den Ionenrümpfen auf Fehlstellen (z.B. Leerstellen) bewirken attraktives Potential Fehlstelleneinfang Möglich da Diffusionslänge >> Gitterkonstante

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8 8 Annihilation e + und e - zerstrahlen zu Gammaquanten e + und e - mit antiparallelem Spin: 2 γ-Quanten mit je 511 keV e + und e - mit parallelem Spin: 3 γ-Quanten mit je 511 keV, allerdings ist diese Reaktion um den Faktor 372 unterdrückt Vor Annihilation kann das e + aber auch von einem e - eingefangen werden wasserstoffähnlicher Zustand (Positronium) Dopplerverbreiterung, Winkelkorrelation

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11 11 Gegenwärtige Intensität der auf 1 keV beschleunigten Positronen: 10 8 pro s Erwartete Intensität: 10 9 pro s (Optimierung) Energie der extrahierten Positronen (z.B. für PAES): 30 eV

12 12 E= 1keV; ø~7mm; I~10 8 /s

13 13 Winkelkorrelation E 1 E 2 Schwerpunktsystem

14 14 P l E 1 E 2 P T P Θ1Θ1 Θ2Θ2 Laborsystem

15 15 Winkelabweichung: Bsp: E kin =10eV Wg. Auflösung müssen Detektoren sehr weit voneinander entfernt aufgestellt werden (einige Meter) kleine Zählrate!

16 16 Angular Correlation of Annihilation Radiation (ACAR)

17 17 GaAs

18 18 Anwendung: Messung der Fermi-Impulse in Metallen P T P L ¬ k F

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20 20 Dopplerverbreiterung Quelle bewegt sich auf Beobachter zu bzw. entfernt sich von ihm: Rotverschiebung Blauverschiebung

21 21 Taylorentwicklung ( für kleine v): Für die Energie folgt: Mit der Gesamtenergie: Wobei Die Annihilationslinie ist also symmetrisch um 511 keV verbreitert!

22 22 Anwendungen 1. Defektnachweis Höhere Impulse der kernnahen Elektronen größere Dopplerverb. Kleinere Dopplerverb. in defektreichen Kristallen

23 23 Quantifizierung der Defektstellendichte: S-Parameter mit kleiner S-Parameter kleine Defektstellendichte

24 24 Edelstahl

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28 28 2. Elementspezifizierung der Defektumgebung Hochimpulsanteil der Annihilationsspektren ist elementspezifisch!

29 29 AMOC Gleichzeitige Messung von Lebensdauer und Dopplerverschiebung

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31 31 Messung der Impulsverteilung der Elektronen in Abhängigkeit von der Positronenlebensdauer Aussagen über Defektgröße und Defekttypen Aussagen über Positronen- und Positroniumzuständen

32 32 Linienformfunktion Vorher: S ist das Verhältnis der Zählrate im Zentrum einer Dopplerlinie zur gesamten Zählrate. S ist umso größer je schmäler die Linie ist. Jetzt: Berechne alle S des Reliefs Linienformfunktion

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34 34 Positronium Eigenschaften Reduzierte Masse: Bindungs- und Anregungsenergien halb so groß wie im H Abstand der Teilchen doppelt so groß wie im H Räumlich Ausdehnung von Ps und H ungefähr gleich

35 35 Grundzustand: Bildungsverhältnis: 1:3 ZuständeZerfallVakuum- lebensd. Doppler- linie ParapositroniumSingulett 1 S 0 2γ2γ123psschmal OrthopositroniumTriplett 3 S 1 3γ3γ140nsbreit

36 36 Positroniumbildung in Materie 1. Bindungsenergie: Ore gap (für Gase) In Isolatoren: E(e - ) entspricht der Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband. Keine Ps-Bildung in Metallen! 2. Spur-Modell

37 37 Pick-Off-Prozess In Materie geht das Ortho- in das Para-Ps über (über WW mit e - der Umgebung) Neuer Bindungszustand Hohe Effizienz 3γ-Zerfall fast ganz unterdrückt Verkürzung der Lebensdauer um zwei Größenordnungen auf 1-2 ns Therm. Ps: kleine Dopplerverschiebung (großer S-Parameter)

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40 40 Anwendung: Positroniumchemie ReaktionReaktionsgleichungLebensdauerspektrumDopplerspektrum Oxidation von Positronium Ps + Mox -> e+ + Mox- VerkürzungVerbreiterung Komplexbildung von Positronium Ps + M -> PsMVerkürzungVerbreiterung oder Verschmälerung Spinkonversion von Positronium pPs (oPs) + M -> 1/4 pPs + 3/4 oPs + M VerkürzungVerschmälerung

41 41 Literatur Bau eines ortsauflösenden Spektrometers zur Messung der Positronenannihilationsstrahlung in Festkörpern (Martin Stadlbauer; 2004) Untersuchung anorganischer Festkörper ohne Translationssymmetrie mit der Positronenzerstrahlung (Christoph Hugenschmidt; 1997) Nukleare Festkörperphysik (Schatz, Weidinger; 1992)


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