Doppler-Messung und Winkelkorrelation

Präsentation zum Thema: "Doppler-Messung und Winkelkorrelation"—  Präsentation transkript:

1 Doppler-Messung und Winkelkorrelation
Stefan Legl

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

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: 2·1021 a

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

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

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 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 Gegenwärtige Intensität der auf 1 keV beschleunigten Positronen: 108 pro s
Erwartete Intensität: 109 pro s (Optimierung) Energie der extrahierten Positronen (z.B. für PAES): 30 eV

12 E= 1keV; ø~7mm; I~108/s

13 Winkelkorrelation Schwerpunktsystem E 1 E 2

14 Laborsystem P l E 1 2 T Θ1 Θ2

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

16 Angular Correlation of Annihilation Radiation (ACAR)

17 GaAs

18 Anwendung: Messung der Fermi-Impulse in Metallen
k F

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

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

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

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

24 Edelstahl

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

29 AMOC Gleichzeitige Messung von Lebensdauer und Dopplerverschiebung

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

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 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 Bildungsverhältnis: 1:3
Grundzustand: Bildungsverhältnis: 1:3 Zustände Zerfall Vakuum- lebensd. Doppler- linie Parapositronium Singulett 1S0 2γ 123ps schmal Orthopositronium Triplett 3S1 3γ 140ns breit

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 Neuer Bindungszustand
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 Anwendung: Positroniumchemie
Reaktion Reaktionsgleichung Lebensdauerspektrum Dopplerspektrum Oxidation von Positronium Ps + Mox -> e+ + Mox- Verkürzung Verbreiterung Komplexbildung von Positronium Ps + M -> PsM Verbreiterung oder Verschmälerung Spinkonversion von Positronium pPs (oPs) + M -> 1/4 pPs + 3/4 oPs + M Verschmälerung

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)