Bonner-Positronen-Mikrosonde

Die Bonner-Positronen-Mikrosonde

Die Bonner Positronen-Mikrosonde (BPM) entstand mit dem Ziel ortsaufgelöste Messungen der Dopplerverbreiterung mit langsamen Positronen im Mikrometerbereich zu ermöglichen, und wurde als Gemeinschaftsprojekt der Firma LEO Elektronenmikroskopie GmbH, 73447 Oberkochen und des Helmholtz Institutes für Strahlen- und Kernphysik mit Unterstützung des BMBF (Bundesministerium für Forschung und Entwicklung) in den Jahren 1995-1997 realisiert. Die Positronenmikrosonde besteht aus einer monoenergetischen Positronenquelle und einem Rasterelektronenmikroskop (REM), wobei beide Teilchenstrahlen über ein magnetisches Prisma in denselben Strahlengang der Magnetoptik eingefädelt werden (siehe Bild). Das REM dient dabei sowohl zur Charakterisierung der Probenoberfläche mittels Sekundär- und Rückstreuelektronendetektor als auch als Ziel-vorrichtung für den Positronenstrahl.

Schematischer Aufbau der Bonner-Positronen-Mikrosonde

Als Positronenquelle dient eine ²²Na Quelle von 4,5 mCi und einem Durchmesser von 300 µm sowie ein Wolframmoderator mit konischer Bohrung von 300 µm und 10° Öffnungs-winkel, der quellseitig mit einer 500 nm dicken einkristallinen Wolframfolie abgedeckt ist. Die moderierten Positronen (Energie: 2,6 ± 0,075 eV) werden mittels eines Zwischenpotentials und Hochspannungselektrode auf Energien von E_kin=5...30 keV beschleunigt. Die Elektronenquelle arbeitet mit einer Wolfram-Haarnadelkathode. Die horizontalen Kondensorlinsen fokussieren den Cross-Over beider Strahlen in die Eingangsebene des magnetischen Prismas (siehe Bild). Kondensorzoom und Objektivlinse sind Teile einer REM-Säule. Mit dem Positionier-system wird der zu untersuchende Teil der Probe in die optische Achse des Strahlen-ganges gefahren (3-Achsen Motortisch, Positionierungsgenauigkeit: 1 µm). Ein Germaniumdetektor außerhalb des Vakuumsystems nimmt das Annihilationsspektrum auf. Der Motortisch sowie die Aufnahme der Spektren sind durch ein Remote-Control-Programm steuerbar, so dass ein weitgehend automatischer Meßprozess möglich ist. Desweiteren stehen mehrere Probenhalter zur Verfügung, die ein Beheizen oder Kühlen der Probe während der Messung ermöglichen.

Weltweit erstes Raster-Positronenbild [1997]. dargestellt ist die plastische Zone vor einer Ermüdungsrißspitze in handelsüblichem Edelstahl

Für eine ausreichende Statistik in der Auswertung des S-Parameters werden je nach Material und zu erwartendem Effekt Gesamtzählraten von 2•10⁵ bis 10⁷ Ereignisse im Photopeak benötigt, was Messzeiten von 2 bis 100 min entspricht. Insgesamt zeigen die bisherigen Arbeiten, dass die Bonner Positronenmikrosonde gut geeignet ist, durch mechanische Schädigung verursachte Punkt- und Liniendefekte ortsaufgelöst nachzuweisen.