The Slow-Positron System of Rossendorf - SPONSOR

SPONSOR ist ein System zur Durchführung von tiefenabhängigen Materialuntersuchungen mit langsamen Positronen unter Verwendung der Dopplerverbreiterungs-Spektroskopie. Als Quelle dient das Radioisotop ²²Na, welches Positronen durch ß+ Zerfall erzeugt. Um mono-energetische Positronen für tiefenaufgelöste Defektcharakterisierung zu erhalten, werden die Positronen in einer Wolfram-Folie abgebremst und danach wieder auf eine konstante Energie, typischerweise im Bereich von 30 eV bis ca. 36 keV, nachbeschleunigt.

Positronen-Implantationsspektroskopie

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 Mikrometern 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 [1] 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.

 

Links: Implantationsprofile für Positronen in Silizium als Funktion der Beschleunigungsernerg und Tiefe.

Rechts: Definition der Linienform-Parameter S und W für die Annihilationslinie.

 

Aus dem experimentell erhaltenen S-Parameter kann man mit Hilfe von Fitroutinen wie VEPFIT [2] 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.

Links: Beispielhafter Verlauf eines experimentell erhaltenen S-Parameters über der Positronen-Implantationsenergie mit Ergebnis eines Fits.

Rechts: Daraus ermittelte Defektverteilung über der Probentiefe mit Hilfe der Routine VEPFIT [2], die numerisch die Diffusion der Positronen und deren Annihilation bestimmt.

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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 wählbar
• Energieauflösung der Detektoren: (1.09 + 0.01) keV bei 511 keV
• zwei Germanium-Detektoren für koinzidente Dopplerverbreiterungsspektroskopie

Schematische Darstellung des Positronenstrahlsystems SPONSOR zur tiefenaufgelösten Defektcharakterisierung mit Positronen.

 

Referenzen

1. W. Anwand, G. Brauer, M. Butterling, H. R. Kissener, A. Wagner, Design and Construction of a Slow Positron Beam for Solid and Surface Investigations. Defect and Diffusion Forum, 331 (2012) 25-40. https://www.scientific.net/DDF.331.25

2. A.F. Makhov, The Penetration of Electrons into Solids. 1. The Intensitiy of an Electron Beam, Transverse Paths of Electrons. Fiz. Tverd. Tela+, 2(9):1934–1941,1961.

3. A. van Veen A, H. Schut, J. de Vries, R.A. Haakvoort, M.R Ijpma, Analysis of positron profiling data by means of VEPFIT, In Positron Beams for Solids and Surfaces, vol. 218. Edited by: Schultz PJ, Massoumi GR, Simpson PJ. New York: AIP; 1991:171–218.

Aktuelle Publikationen

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