
- •Физико-технический институт
- •Метод измерения доплеровского уширения с
- •Введение
- •Физические основы метода
- •Метод измерения доплеровского уширения аннигиляционной линии
- •Метод измерения доплеровского уширения с одним детектором (dual)
- •Метод измерения доплеровского уширения с двумя детекторами (ddual)
- •Экспериментальное оборудование
- •Источник позитронов
- •Полупроводниковый детектор
- •Усилительный блок
- •Многоканальный анализатор
- •Цифровой спектрометр
- •Заключение
- •Список литературы
-
Метод измерения доплеровского уширения с двумя детекторами (ddual)
Также существует схема с двумя полупроводниковыми детекторами с применением схемы совпадений. Применение же схемы совпадения позволяет существенно уменьшить фон, примерно на три порядка, а так же позволяет наблюдать высоко-импульсную часть спектра от аннигиляции позитронов с электронами глубоких оболочек. Анализ высоко-импульсной части спектра позволяет определять химический состав элементов в месте аннигиляции позитронов. Поэтому спектрометрия совпадающего доплеровского уширения аннигиляционной линии широко используется для идентификации дефектов в различных сплавах, а также для характеристики небольшого количества включений.
Обычная схема с одним детектором, которая рассматривает только один из аннигиляционных фотонов, искажается фоновыми событиями. Эта проблема особенно остро стоит в области энергий, где вклады электронов в импульс являются доминирующими. В 1977 Линн и соавт. добавил второй Ge (Li) детектор в спектрометр для наблюдения второго аннигиляционного фотона [11]. Это привело к улучшению соотношения пика и фона на два порядка величины и энергетическое разрешение. В результате, стало возможным наблюдать вклад остовных электронов. В последнее время этот метод был возрожден [12,13]. Было показано, что высокая часть импульса позитронно-электронной аннигиляции может быть использована для идентификации химических состава в месте аннигиляции позитронов [14,15]. Это основано на том, что связанные ядром электроны, владеющие высокими импульсами, сохраняют специфические свойства состава даже в твердом теле.
Два детекторы
используются в паре и расположены
коллинеарно с образцом. Оба аннигилирующих
фотона измеряются. Пусть
и
энергии
измеряемые детекторами 1 и 2.Сумма энергии
,
где
- энергия связи электронов и позитронов
в твердом теле. Разность энергий
,
где
- компонента импульса позитронно-электронной
пары в направлении детекторов. Оба
фотоны обнаруживаются, и данные хранятся
в двумерном массиве.
Рисунок 4. Спектрометр для анализа доплеровского уширения аннигиляционной линии с двумя детекторами.
Существенно схема не отличается от схемы с одним детектором. В ней помимо детектора, криостата и предусилителя, реализована схема совпадений (8).
-
Экспериментальное оборудование
-
Источник позитронов
-
Имеются два способа получения позитронов: один заключается в использовании радиоактивных изотопов, а другой - в использовании -излучения с энергией квантов значительно больше 1 МэВ, которое вызывает рождение электронно-позитронных пар в веществе. Радионуклиды, наиболее часто использующиеся в исследованиях методами электрон-позитронной аннигиляции, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Изотоп
|
Период |
Максимальная энергия полураспада позитронов, МэВ |
Доля распадов,% |
22Na |
2,603 лет |
0,504 |
90,50 |
44Ti |
47,3 лет |
1,467 |
98 |
48V |
15,974 сут |
0,696 |
50,7 |
55Co |
17,54 ч |
1,50 |
60 |
56Co |
78,76 сут |
0,421 |
1,03 |
57Ni |
36 ч |
0,85 |
50,01 |
58Co |
0,79 сут |
0,475 |
15,05 |
64Cu |
12,703 ч |
0,652 |
17,9 |
65Zn |
243,9 сут |
0,329 |
1,45 |
68Ge |
288 лет |
1,899 |
87,52 |
90Nb |
14,6 ч |
1,50 |
54 |
Позитроны,
появившиеся в этих процессах, могут
быть накоплены и затем использованы. В
настоящее время позитроны получают в
основном в результате распада
радиоактивных изотопов с излучением
+-частиц.
В методе ЭПА в качестве источника
позитронов обычно используют радиоактивный
изотоп 22Na,
который имеет следующую реакцию распада:
Рисунок 4. Схема распада Na22
где
- электронное нейтрино, а
- это квант электромагнитного излучения
с энергией 1,274 МэВ, который излучается
почти одновременно с позитроном. Изотоп
Na даёт относительно высокий выход
позитронов (90,4%), имеет достаточно длинный
период полураспада (2,62 года) и может
быть легко изготовлен. Значительно реже
используют изотопы 58Со
и 64Сu
из-за относительно короткого периода
полураспада. Позитроны из источника
22Na
имеют широкое энергетическое
распределение с максимальной энергией
540 кэВ.
В принципе, облучение вещества частицами с такой энергией может генерировать радиационные дефекты типа френкелевских пар, однако доза облучения за время эксперимента в течение нескольких дней не превышает 1011 см3, что примерно на шесть порядков ниже предела чувствительности позитронов к дефектам.
Недостатком позитронных радиоизотопных источников является их крайне плохая механическая прочность, которая связана с необходимостью применения сверхтонкой фольги для их упаковки. Это приводит к их применению только в лабораторных условиях обученными специалистами.