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Doppler-Messung und Winkelkorrelation

Doppler-Messung und Winkelkorrelation. Stefan Legl 7.12.2004. 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

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Doppler-Messung und Winkelkorrelation

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Presentation Transcript

  1. Doppler-Messung und Winkelkorrelation Stefan Legl 7.12.2004

  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. 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) Moderation Implantationstiefe 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

  7. 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

  8. 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

  9. E= 1keV; ø~7mm; I~108/s

  10. Winkelkorrelation Schwerpunktsystem E 1 E 2

  11. E 1 P P l T P E 2 Laborsystem Θ1 Θ2

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

  13. Angular Correlation of Annihilation Radiation (ACAR)

  14. GaAs

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

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

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

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

  19. Quantifizierung der Defektstellendichte: S-Parameter mit kleiner S-Parameter ↔ kleine Defektstellendichte

  20. Edelstahl

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

  22. AMOC Gleichzeitige Messung von Lebensdauer und Dopplerverschiebung

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

  24. 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

  25. 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

  26. Grundzustand: Bildungsverhältnis: 1:3

  27. 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

  28. 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)

  29. Anwendung: Positroniumchemie

  30. 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) • http://positron.mpi-stuttgart.mpg.de/ • http://www.iskp.uni-bonn.de • http://www1.physik.tu-muenchen.de/lehrstuehle/E21/

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