Wie funktioniert die PALS-Methode:

Dabei werden Positronen, also die Antiteilchen der Elektronen, mit einer bestimmten kinetischen Energie in Festkörper implantiert. Dort werden sie zunächst sehr schnell –  im Bereich von pico-Sekunden – abgebremst (moderiert) danach driften sie im Material umher und annihilieren schließlich mit einem Elektron aus der Probe. In Defekten oder Poren kann ein Positron in elektrischen Potential-Topf eingefangen werden. Weil dort auch zumeist die Elektronendichte niedriger ist als im Rest des Materials, verlängert sich die Zeit bis das Positron mit einem Elektron annihiliert. Dieser Zeitunterschied kann man bei der Auswertung bestimmen und für die Charakterisierung der Eigenschaften der Probe ausnutzen. 

Die Arbeitsgruppe der hat derzeit drei verschiedene Messaufbauten:

1. Laboranlage pT-PALS

Bei der Labor-Variante der PALS Methode, die schon seit XX Jahren weltweite in vielen Kernphysiklaboren praktiziert wird, dient eine 22Na-Quelle als Positronenliferant.

Für Details klicken sie hier (hier soll als eigene Unterseite erscheinen mit Fotos und Skizzen): 

Anmerkung Gerd: Text aus der derzeitigen Webseite pT-PALS 

Mit der Methode der Positronenannihilationslebensdauerspektroskopie (PALS) lässt sich das freie Volumen von polymeren Materialien zerstörungsfrei bestimmen. Die Laboranlage pT-PALS wurde speziell für die Positronenlebensdauermessungen an Polymerproben unter externen Einflüssen entwickelt. Durch Einstellen von Temperatur, Druck und Gasatmosphäre, kann die Messungumgebung dem späteren Anwendungsgebiet angepasst werden und realistische Umgebungsbedingungen simuliert werden.

Das pT-PALS arbeitet mit einem konventionellen Positronenemitter aus Polyimid gekapseltem Na22-Salz. Beim -Zerfall von Natrium-22 geht das Na22 unter Freisetzung eines Positrons in Neon-22 über. Anders als bei strahlbasierten Methoden kann die Positronenenergie nicht beeinflusst werden und somit ergibt sich eine materialabhängige Verteilung der Positroneneindringtiefe von sub-mm bis einigen mm.

Der Probenhalter ist so konzipiert, dass Proben mit einer maximalen Abmessung von (10 x 10 x 3) mm3 bis °C (höhere Temperaturen auf Rückfrage) geheizt werden können. Der absolute Druck (100 bar) kann durch die Zufuhr eines Prozessgases (z.B.: Ar, N2) in die Druckkammer erhöht werden. Durch Öffnen des Druckstopfens (pressure seal), welcher die Druckkammer von der Vakuumkammer trennt, ist es außerdem möglich die Probe unter Vakuum (1E-6 mbar) zu messen.

Vorteile

  •  Die Methode ist jederzeit einsatzbereit:
  •       Man kann bei unterschiedlichen Drucken messen von (100 bar bis zum UHV)
  •       Man kann bei unterschiedlichen Temperaturen messen (von xx bis xx °C)
  •       Man kann dicke proben untersuchen, typischerweise bis xx mm

Nachteile

  •       Die Messzeiten sind relativ lang
  •       Es können keine ultradünne Schichten 
  • Es ist keine Messung mit Tiefeninformation möglich

2. Das gepulste Strahlsystem PLEPS

Um tiefenaufgelöste Positronen-Lebensdauermessungen an dünnen und ultra-dünnen Schichten durchführen zu können, wurde das gepulste Strahlsystem PLEPS (pulsed low-energy positron system) entwickelt und am Forschungsreaktor FRM II in Garching aufgebaut.

Für Details klicken sie hier (hier soll als eigene Unterseite erscheinen mit Fotos und Skizzen)

Anmerkung Gerd: Text aus der derzeitigen Webseite PLEPS 

Unsere Arbeitsgruppe hat ein hochempfindliches Instrument an der Positronenquelle NEPOMUC des Forschungsreaktors FRM II der TUM entwickelt und aufgebaut. Dieses einmalige High-Tech Messgerät zur Materialcharakterisierung heißt PLEPS (Pulesd low-Energy Positron System) und wird seit 20XX regelmäßig auf verschieden Fragen in der Materialforschung angewendet. (Zitat von den 3 wichtigsten Papern). (Link zu einer Unterseite von PLEPS)

Mit PLEPS können die Poren und Defektcharakterisierung tiefenaufgelößt erfolgen. Durch Variation der Strahlenregie zwischen 0.1 und 20 keV kann die Eindringtiefe der Positronen gezielt gesteuert werden. Diese liegt, je nach Material, zwischen wenigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern. PLEPS wird am Forschungsreaktor FRM II betrieben und ist an die weltweit, leistungsstärkste Positronenquelle NEPOMUC angeschlossen. Daher liegt die Messzeit für ein Lebensdauerspektrum mit ca. 4 Millionen Counts bei wenigen Minuten. 

 

(Ergänzen: Zeitauflösung Untergrund Probengröße) Ein System aus mehreren Detektoren erlaubt es zudem die Dopplerverbreiterung der Annihilationsstrahlung zu messen, was Rückschlüsse auf Elektronenimpluse und deren statistische Verteilung im Material zulässt. Zusätzlich können lichtsensitive Proben über ein Optiksystem mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt werden.

 

Hier einen link zu den drei wichtigsten Veröffentlichungen. Eine davon sollte die Beschreibung des Gerätes selbst sein.

Vorteile

Nachteile

3. Das Scanning Positron Microscope (SPM)

Die beiden oben genannten Instrumente erlauben keine laterale Ortsauflösung. Der Strahl beim PLEPS System hat einen Durchmesser von 1-2 mm. Um eine mikroskopisches 2-D oder gar 3-D Bild zu generieren, muss der Positronen Strahl, ähnlich wie der Elektronenstrahl in einem Raster-Elektronen-Mikroskop auf die zu untersuchende Probe fokussiert werden. Die dafür notwendigen Apparaturen wurden entwickelt und werden derzeit am Forschungsreaktor FRM II in Garching aufgebaut.

 

Für Details klicken sie hier (hier soll als eigene Unterseite erscheinen mit Fotos und Skizzen)

3D-Ortsaufgelöste Positronenlebensdauerspektroskopie

Auf der Basis eines gepulsten Positronenstrahls variabler Energie, wurde ein Raster- Positronen-Mikroskop am Institut entwickelt und wird derzeit an der Positronenquelle NEPOMUC am FRM II aufgebaut. Mit diesem weltweit einmaligen System kann ein gepulster, monoenergetischer Positronenstrahl von unter 1 µm Durchmesser erzeugt, der über einen Bereich von 1 mm x 1 mm gerastert wird. Der gepulste Positronenstrahl mit 100 ps Pulsbreite (fwhm) ermöglicht eine Zeitauflösung von 250 ps (fwhm), damit können Positronenlebenszeitmessungen an Mikrostrukturen und Proben mit inhomogener Defektverteilung durchgeführt werden. Durch die Variation der Positronenenergie zwischen 500 eV und 20 keV können oberflächennahe und tiefer liegende Bereiche (0,1 µm, abhängig vom Probenmaterial) abgetastet werden. Die maximale Probengröße beträgt ca. (5 x 5 x 1) m3. Durch den Umzug des SPM an den FRM II werden diese Messungen mit mehreren 1000 Counts pro Sekunde möglich.

Die gemessenen Positronenlebenszeiten und deren Intensität geben Aufschluss über den Defektzustand der mikroskopischen dreidimensionalen Bereiche. Damit eröffnen sich erstmalig zerstörungsfreie Untersuchungen von Defektstrukturen in Bereichen mikroskopischer Dimensionen.

 

Hier einen link zu den drei wichtigsten Veröffentlichungen. Eine davon sollte die Beschreibung des Gerätes selbst sein. 

Vorteile

Nachteile