ACAR

1. ACAR - Angular Correlation of Annihilation Radiation - • - Verwendet Positronen als Medium • Messung der Winkelverteilung der Gammastrahlung aus Elektron-Positron-Annihilation • - ermöglicht Aussagen über die elektronische Struktur eines Festkörpers

2. Übersicht • Das Positron Quellen β+-Strahler Bremsstrahlungsquellen Positronen aus Paarbildung • Positronen im Festkörper Prozesse Experimentelle Anwendungen • ACAR-Spektroskopie Grundlegendes Prinzip Versuchsaufbau

3. Das Positron 1930: Postulation des Positrons als Antiteilchen des Elektrons durch P. Dirac 1932: Experimenteller Nachweis durch Anderson mit Hilfe einer Nebelkammer Eigenschaften analog zum Elektron, jedoch umgekehrtes Vorzeichen bei Ladung, magn. Moment, etc. Masse: 511,0034 keV/c2 Ladung: +1,9 · 10 -19 C Magn. Moment 9,2848 · 10 -24 Am2 Lebensdauer (Vakuum) 2 · 10 21 a

4. Quellen β+-Strahler: Nuklide mit Protonenüberschuss, zerfallen gemäß folgender Reaktion: AZX → AZ-1Y¯ + e+ + υe Typisches Nuklide: 22Na Verwendung im Labor möglich

5. Quellen häufig verwendet:22Na Herstellung: 24Mg + d → α + 22Na Halbwertszeit 2,6 a → günstig für längere Messungen, bei denen eine konstante Intensität des Positronenstrahls wünschenswert ist gute Aktivität bis zu 1,9 · 109 Bq β+ γ 2,6 a 3,7 ps Zerfall gemäß: 22Na → 22Ne* → 22Ne

6. Quellen Erzeugung von Positronen aus Bremsstrahlung Beschleunigung von Elektronen auf ein Target durch einen Linearbeschleuniger Erzeugung eines gepulsten Positronenstrahls „Debunching“: Umwandlung in einen kontinuierlichen Strahl

7. Quellen • Erzeugung von Positronen durch Paarbildung • γ → e+ + e- in der Nähe von Kernen • Wirkungsquerschnitt ~Z2 • Quelle der Gammastrahlung: • γ-Strahlung direkt aus Reaktorkern • Beschuss eines Materials mit Neutronen, wobei γ-Strahlung emittiert wird → NEPOMUC

8. Quellen NEPOMUC: Neutroneninduzierte Positronenquelle München am FRM2 der TU München Derzeit weltweit intensivste Quelle für monoenergetische Positronen Intensität: 109 e+/s

9. Funktionsweise NEPOMUC Strahlrohr im Reaktorbecken

10. Funktionsweise NEPOMUC Ummantelung der Spitze aus Cadmium fängt Neutronen ein und emittiert γ-Strahlung

11. Funktionsweise NEPOMUC - hohes Z → guter Wirkungsquerschnitt für Paarerzeugung - moderiert entstandene Positronen → isotrope Geschwindigkeitsverteilung Dahinter: Platinschichten

12. Funktionsweise NEPOMUC Angelegte Spannung zwischen Platinsektionen trennt Elektronen und Positronen und beschleunigt sie

13. Funktionsweise NEPOMUC Elektrische und magnetische Linsen fokussieren Positronenstrahl und leiten diesen in die Experimentierhalle

14. Positronen im Festkörper Trifft ein Positron auf einen Festkörper kann es einer Vielzahl an Prozessen unterliegen Drastisch reduzierte Lebensdauer durch Anwesenheit von Elektronen → Annihilation

15. Positronen im Festkörper Beugung an der Oberfläche: Das Positron dringt nicht in den Festkörper ein Eingedrungene Positronen thermalisieren sehr schnell durch inelastische Streuung Metalle: ~10 ps HL, Isolatoren: >10 ps Genaue Prozesse stark abhängig von Energie der Positronen

16. Positronen im Festkörper Sie können aber auch vor dieser Zeit wieder zur Oberfläche zurückgestreut werden und den Festkörper verlassen → Ps, Ps-, schnelle e+ Diffusion als freies Teilchen (Lebensdauer: ~ 100 Ps) Rüchstreuung zur Oberfläche als thermalisiertes e+, Ps

17. Positronen im Festkörper Einfang in Defekt (Leerstellen, Versetzungen, Korngrenzen, etc.) Fehlende positive geladene Atomkerne → Attraktives Potential für e+ Verlängerte Zeitspanne bis zur Annihilation

18. Positronen im Festkörper Annihilation mit Elektron unter Aussendung von zwei kollinearen γ-Quanten (Schwerpunktsystem) mit 511 keV - Thermalisierte Positronen: vernachlässigbarer Impuls - Hüllenelektronen: isotrope Impulsverteilung bis zum Fermiimpuls → Verbreiterung der Annihilationsspektrums durch Dopplerverbreiterung → DBS → Abweichung des Öffnungswinkels der γ-Quanten von 180° im Laborsystem → ACAR

19. Experimentelle Anwendungen Messung der Lebensdauer der Positronen in Materie → präzise Aussagen über Defektkonzentration Bestimmung der Dopplerverbreiterung: → Information über Impulskomponente parallel zur Messrichtung (DBS) Abweichung der Winkelverteilung der Annihilationsstrahlung: → sehr genaue Vermessung der transversalen Impulskomponenten → ACAR Positroneninduzierte Auger-Elektronen-Spektroskopie (PAES): Untersuchung von Oberflächen

20. ACAR-Spektroskopie Bestimmung der Fermi-Fläche durch Messung der Winkelabweichung von 180° im Laborsystem Verursacht durch Transversalimpuls der Elektronen

21. ACAR-Spektroskopie • 1D-ACAR: Messung der Winkelabweichung in horizontaler Richtung • Impulsdichte: ρ(px) = ∫ρ(p)dydz • 2D-ACAR: horizontal + vertikal • ρ(pxy) = ∫ρ(p)dz • Messung einer Projektion der Fermi-Fläche • → Rekonstruktion aus mehreren Blickwinkeln • Durch gleichzeitige Messung der Dopplerverbreiterung theoretisch Bestimmung aller Impulskomponenten möglich • → Experimentell jedoch nicht ausreichend genau machbar

22. Versuchsaufbau 1D-ACAR

23. Versuchsaufbau Quelle und Probe in Bleiburg zum Schutz vor Strahlung Kollimatoren aus Blei und Wolfram lassen nur Strahlung in bestimmter Richtung durch Spaltbreite bestimmt Winkelauflösung Szintillationsdetektoren mit Photomultipliern im Abstand von 4m

24. Versuchsaufbau Typische Szintillatoren: NaI(Tl), BiGeO, BaF2 NaI(Tl): hohe Quantenausbeute → gute Energie-/Ortsauflösung relativ geringe Nachweiswahrscheinlichkeit → Anwendung bei 2D-ACAR BaF2: sehr kurze Abklingzeit, sehr geringe Quantenausbeute BiGeO: hohe Nachweiswahrscheinlichkeit, geringe Quantenausbeute → Anwendung für 1D-ACAR

25. Versuchsaufbau Ein Arm des Aufbaus beweglich gelagert, ermöglicht Anfahren best. Winkel Messelektronik selektiert nach Quantenenergie und Detektionszeitpunkt → nur gleichzeitige Annihilationsquanten mit 511 keV werden registriert

26. Bestehende Versuche 1D-ACAR am Physikdepartment 2D-ACAR mit 16,5 m langen Strahlarmen am Beschleunigerlabor

27. Literaturverzeichnis [1] P. Dirac: Proc. Roy. Soc, 1930 [2] C. Hugenschmidt, G. Kögel, R. Repper, K. Schreckenbach, P. Sperr, B. Straßer, W. Triftshäuser: Monoenergetic Positron Beam at the Reactor Based Positron Source at FRMII, Nucl. Instr. Meth., 2002 [3] G. Schatz and A. Weidinger: Nukleare Festkörperphysik, B. G. Teubner, Stuttgart, 3. Auflage, 1997 [4] H. Bucka. Lehrbuch der Experimentalphysik 4, Bergmann Schaefer, de Gruyter Berlin, 1981 [5] J. A. Weber, H. Ceeh, C. Hugenschmidt: Messung der Winkelkorrelations von γ-Strahlung aus der Annihilation von Elektron- Positron-Paaren [6] E21 Jahresbericht 2011/2012