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Die Positronenquelle bei ELBE

Das EPOS-System

Die Elbe Positron Source (kurz EPOS) ist eine einzigartige Positronenquelle für Materialuntersuchungen. Sie setzt sich aus drei Teilsystemen zusammen:

Mono Energetic Positron Spectroscopy
(kurz MEPS) Mittels Paarbildung wird aus dem primären Elektronenstrahl der ELBE-Anlage in einem Wolfram-Target ein monoenergetischer Positronenstrahl erzeugt. Dabei wird die Zeitstruktur des ELBE-Strahls direkt auf den Positronenstrahl übertragen. Es ergibt sich eine gepulste Positronenquelle mit hoher Wiederholrate und Intensität und einstellbarer Energie. Damit können Untersuchungen an Oberflächen und dünnen Schichten bewerkstelligt werden.
Gamma-induced Positron Spectroscopy
(kurz GiPS) Am Messplatz der Kernphysik wird aus dem primären Elbesystem ein Gammastrahl aus Bremsstrahlung erzeugt. Diese erzeugen dann in der Probe Positronen (wiederum mittels Paarbildung), deren Zerfall untersucht wird. Damit können dicke Proben (>= 1cm³) von Festkörpern oder Flüssigkeiten untersucht werden.
Conventional Positron Spectroscopy
(kurz CoPS) Weitere Messplätze mit konventionellen β+-Strahlern (z.B. ²²Na) für Lebensdauer und Dopplerverbreiterung stehen für ergänzende Messungen auch zur Verfügung.

MEPS und GiPS

Aufgrund der einzigartigen Zeitstruktur eignen sich diese Systeme nicht nur für Dopplerverbreiterungsspektroskopie (DBS und CDBS), sondern auch für Positronenlebensdauerspektroskopie und die Verknüpfung von Lebensdauer und Energe zu AMOC (age-momentum-correlation). Die hohe Intensität gewährt dabei sehr kurze Messzyklen wodurch es möglich sein wird Temperaturübergange und unter Umständen auch dynamische Vorgänge direkt zu spektroskopieren.

Bei MEPS kann die Energie des Positronenstrahls zwischen 0,2 und 30keV frei gewählt werden, wodurch Proben verschiedener Dicken untersucht werden können. Auch Tiefenprofile und Oberflächenuntersuchungen können damit erstmalig mit Lebensdauerspektroskopie untersucht werden.

Das EPOS-System wird im Rahmen des Materialwissenschaftlichen Zentrums der Martin-Luther-Universität in Kooperation mit dem FZ Dresden-Rossendorf aufgebaut. Es ist für die Forschung zu materialwissenschaftlichen Problemen ausgelegt und explizit für den Betrieb von externen Nutzergruppen vorgesehen.

Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die EPOS-Homepage [http://positron.physik.uni-halle.de/EPOS].

Anwendungsgebiete und Messmethoden

Die Positronenspektroskopie erlaubt interessante Untersuchungen im Gebiet der Materialphysik.

Da die positiv geladenen Positronen von Atomkernen abgestossen werden, können (negative oder neutrale) Leerstellen, Korngrenzen und kleine Hohlräume die Positronen einfangen. Aus diesen Potentialtöpfen ist dann auch kein Entkommen möglich. Gleichzeitig ist in diesen Regionen die Elektronendichte lokal geringer, wodurch die Annihilation von Positron und Elektron unwahrscheinlicher wird. Die Lebensdauer (PALS = Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) ist also ein gutes Maß für die Größe und Anzahl von Defekten, Leerstellen und Nano-voids.

In Abhängigkeit von der Energie des an der Annihilation beteiligten Elektrons (das Positron ist im Grundzustand), ändert sich auch die Energie der Annihilationsquanten ein wenig. Diese Änderung der Energie der Annihilationsquanten in Flugrichtung kann mittels Dopplerverbreiterungsspektroskopie (DBS = Doppler-Broadening-Spectroscopy) bestimmt werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse über die chemischen Bedingungen rund um den Ort der Annihilation gewinnen.

Die Kopplung von Lebensdauer und Energie (AMOC = Age Momentum Correlation) erlaubt weitere Erkenntnisse speziell über die Art der Defekte.

Die verschiedenen Methoden erlauben also Untersuchungen über defekte in Kristallen, Metallen, Halbleitern und Polymeren. Auch Hohlräume im Nanometer-Bereich können untersucht und vermessen werden. Dabei erfolgt die Messung zerstörungsfrei.