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Dr. Andreas Wagner
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Wolfgang Anwand
Nuclear Physics
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Prof. Reinhard Krause-Rehberg
Nuclear Physics
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Dr. Maciej Oskar Liedke
Postdoc
Nuclear Physics
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Eye catcher

The Slow-Positron System of Rossendorf - SPONSOR

 

Eine konventionelle Positronenquelle wie das Radioisotop 22Na erzeugt Positronen durch ß+ Zerfall. Dabei wird ein Positron mit einer kontinuierlichen Energieverteilung (bis 544 keV) emittiert. Für tiefenaufgelöste Defektcharakterisierung benötigt man jedoch mono-energetische Positronen geringerer Energie um definierte Implantationsprofile zu erhalten. Aus diesem Grund werden die Positronen in einer Wolfram-Folie abgebremst und danach wieder auf eine konstante Energie, typischerweise im Bereich von 30 eV bis ca. 40 keV, beschleunigt.

SPONSOR ist ein System zur Durchführung von tiefenabhängigen Materialuntersuchungen mit langsamen Positronen unter Verwendung der Dopplerverbreiterungs-Spektroskopie.

 

Positronen-Implantationsspektroskopie (SPIS)

 

Magnetisch geführte Positronen aus einer 22Na-Quelle werden mit vorgegebenen Energien von 30 eV < E < 36 keV beschleunigt und bis zu einer Tiefe von einigen Mikrometer in die Probe implantiert. Dort thermalisieren sie innerhalb einer Zeit von wenigen Pikosekunden, und diffundieren noch einige 10 bis 100 nm durch die Probe bevor sie mit Elektronen annihilieren. Das so erhaltene Implantationsprofil wird durch eine energieabhängige Makhov-Verteilung charakterisiert und kann analytisch berechnet werden.

Aufgrund des Impulses des an der Annihilation beteiligten Elektrons entsteht eine Doppler-Verbreiterung der Annihilationslinie. Diese Verbreiterung wird durch die Linienformparameter S und W charakterisiert. Der Wert von S ist abhängig von der Größe und der Konzentration leerstellenartiger Defekte in der Probe, während W Rückschlüsse auf die chemische Umgebung zulässt, in der die Annihilation stattfand. S vergrößert sich gegenüber dem Wert für defektfreies Material, wenn Positronen in leerstellenartigen Defekten (Nanokavitäten) gefangen werden und dort annihilieren.

 

SPONSOR - SW 8
Implantationsprofile für Positronen in Silizium als Funktion der Beschleunigungsernerg und Tiefe (links) und Definition der Linienform-Parameter S und W für die Annihilationslinie (rechts).
Illustration: Maik Butterling (Download)

 

Aus dem experimentell erhaltenen S-Parameter kann man mit Hilfe von Fitroutinen wie VEPFIT [1] die Positronen-Diffusions-Gleichung lösen. Die erhaltene Positronen-Diffusionslänge kann mit Hilfe weiterer Messungen verschiedenen Defekten zugeordnet werden. Die Makhov-Verteilung erlaubt schließlich die Berechnung einer mittleren Eindringtiefe aus der Positronen-Implantationsenergie.  Somit lassen sich insgesamt Aussagen über die Defektgröße und deren tiefenabhängige Verteilung treffen und ein anschauliches Defektprofil darstellen.

SPONSOR - L+ 8
Beispielhafter Verlauf eines experimentell erhaltenen S-Parameters über der Positronen-Implantationsenergie mit Ergebnis eines Fits (links) sowie daraus ermittelte Defektverteilung über der Probentiefe (rechts).
Illustration: Maik Butterling (Download)

 


 

Eigenschaften des monoenergetischen Positronenstrahls SPONSOR

 

  • magnetisch geführter Positronenstrahl aus einer intensiven  22Na-Quelle

  • Strahldurchmesser: d ~ 4 mm

  • Beschleunigungsspannung für Positronen: 30 eV bis 36 keV

  • Energieauflösung: (1.09 + 0.01) keV bei 511 keV

  • zwei Germanium-Detektoren für koinzidente Dopplerverbreiterungsspektroskopie

 

SPONSOR - Setup 8
Schematische Darstellung des Positronenstrahlsystems SPONSOR zur tiefenaufgelösten Defektcharakterisierung mit Positronen.
Illustration: Maik Butterling (Download)

 

COMPASS – Compact multi detector system for Positron Annihilation Spectroscopy Studies

 

Das Multidetektor-System COMPASS dient der Positronen-Lebensdauer-Spektroskopie und besteht aus vier Bariumfluorid – Photomultipliern, einem Helium-Kryostaten zur Probenkühlung  und einer konventionellen 22Na – Positronen – Quelle. Durch die Verwendung des Kryostaten oder bei der Messung von größeren Proben vergrößert sich der Abstand der Detektoren zur Probe. Dadurch verringert sich der erfassbare Raumwinkel was sich negativ auf die Messdauer auswirkt. Um dies auszugleichen, werden vier Sonden verwendet.

Im Gegensatz zu konventionellen Lebensdauermessplätzen mit zwei Sonden ist bei COMPASS nicht festgelegt, welcher Detektor das Startsignal (1.27 MeV bei  22Na) und welcher das Stoppsignal (511 keV) für die Lebensdauermessung registriert. Wird in einem Detektor das Startsignal registriert, kann jeder der drei anderen Detektoren das Stoppsignal messen. Somit ergeben sich insgesamt 12 Detektor-Kombinationen und damit 12 Lebensdauerspektren, die separat ausgewertet oder gemittelt werden können.

Da der Aufwand an hierfür benötigter analoger Elektronik hoch und preisintensiv wäre, wird ein vol digitales System verwendet. Die Signalausgänge der Sonden werden mit einer externen Koinzidenz-Schaltung zur Triggerung und diese mit einem schnellen Signalform-Digitialisierer verbunden.  Die Verarbeitung der Signale erfolgt mit einer Software, welche von der Positronen-Fachgruppe in Halle unter Prof. Reinhard Krause-Rehberg entwickelt wurde.

Das System kann mit einem Germaniumdetektor erweitert werden um zusätzlich die Messung der Dopplerverbreiterung sowie der Lebensdauer-Impuls-Korrelation zu ermöglichen.

 

 


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