157 Pages
English

Generation of a high-brightness pulsed positron beam for the Munich scanning positron microscope [Elektronische Ressource] / Christian Piochacz

-

Gain access to the library to view online
Learn more

Informations

Published by
Published 01 January 2009
Reads 21
Language English
Document size 17 MB

Fakultat fur Physik der
Technischen Universitat Munchen
Lehrstuhl fur Experimentalphysik E21
Generation of a high-brightness
pulsed positron beam for the
Munich scanning positron microscope
Dissertation
Christian Piochacz
Technische Universitat Munchen TECHNISCHE UNIVERSITAT MUNCHEN
Fakultat fur Physik der Technischen Universitat Munchen
Lehrstuhl fur Experimentalphysik E21
Generation of a high-brightness
pulsed positron beam for the
Munich scanning positron microscope
Dipl.-Phys. Univ. Christian Piochacz
Vollstandiger Abdruck der von der Fakultat fur Physik der Technischen
Universitat Munchen zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. P. Vogl
Prufer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr. K. Schreckenbach
2. Univ.-Prof. Dr. W. Petry
Die Dissertation wurde am 15.09.2009 bei der Technischen Universitat
Munchen eingereicht und durch die Fakultat fur Physik am 20.11.2009
angenommen.Contents
Zusammenfassung v
Summary vii
1 Introduction 1
2 Positrons in matter 3
2.1 Fundamental properties of the positron and positronium . . . . . . . . . 3
2.2 Implantation and thermalization of positrons in solids . . . . . . . . . . 4
2.3 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.1 Electron momentum measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.2 Positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS) . . . . . . . . 10
3 Positron beam techniques 13
3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Positron sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1 Radioactive sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2 Pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Moderation and beam formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.1 Moderation in gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.2 Moderation in solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Beam transport and manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1 Motion of charged particles in electromagnetic elds . . . . . . . 25
3.4.2 Adiabatic, magnetic beam transport . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.3 Capture and release of charged particles in an axial symmetric
magnetic eld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.4 Focusing a charged particle beam by static and rotationally sym-
metric electric and magnetic lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 Brightness enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1 Beam characterizing quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2 Liouville’s theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.3 Re-moderation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6 Beam pulsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.1 Bunching techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6.2 Beam chopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
iiiContents
4 Positron beam preparation at NEPOMUC 57
4.1 The NEPOMUC re-moderator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 The positron source NEPOMUC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.2 The setup of the NEPOMUC re-moderator . . . . . . . . . . . . 60
4.1.3 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2 The SPM interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.1 The SPM project and the design of the SPM interface . . . . . . 79
4.2.2 The bunching units of the SPM interface . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.3 The beam transport within the interface . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5 First positron annihilation measurements at UMo 123
5.1 Overview and sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2 Positron annihilation measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3 Summary and outlook for the UMo examinations . . . . . . . . . . . . . 130
6 Conclusion and outlook 133
Acknowledgment 135
List of publications 147
ivZusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Vorraussetzungen fur den Betrieb des Munich
scanning positron microscope (SPM) an der hoch intensiven neutron induced positron
source Munich (NEPOMUC) gescha en. Dies gelang in zwei Schritten: Zun achst wurde
ein Positronen-Remoderator an der Positronenstrahlanlage NEPOMUC eingebaut, der
die Brillanz des Positronenstrahls fur alle angeschlossenen Experimente erhoht. Im
zweiten Schritt erfolgte die Konstruktion, der Aufbau und die Inbetriebnahme eines
SPM-Interfaces zur hoche zienten Konvertierung des kontinuierlichen Strahls in einen
gepulsten Positronenstrahl.
Die In-Pile Positronenquelle NEPOMUC erzeugt typischerweise einen Positronenstrahl
mit einem Durchmesser von 7 mm und einer kinetischen Energie von 1 keV, wobei
die Energieverteilung eine Breite von 50 eV aufweist. Der NEPOMUC Remoderator
erzeugt aus diesem Strahl einen niederenergetischen Positronenstrahl (20 { 200 eV)
mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm und einer Energieverteilung mit einer
Breite von deutlich unter 2;5 eV. Diese Brillanzerhohung wurde mit einer exzellenten
Gesamte zienz von 6 ;55 0;25 % erzielt. Der Remoderator war nicht nur der erste
Schritt zum Aufbau des SPM an der Positronenquelle, er ermoglichte auch den Be-
trieb des pulsed low energy positron beam systems (PLEPS). Mit diesem Spektrometer
wurden im Rahmen dieser Arbeit erste Positronenlebensdauermessungen durchgefuhrt,
welche die Charakterisierung, der durch Ionenbestrahlung induzierten Defekte in ei-
ner Uran-Molybdan Probe ermoglichten. Daruber hinaus pro tieren die Instrumente,
welche bereits an der Positronenstrahlanlage NEPOMUC betrieben werden, erheblich
von der Brillanzerhohung.
Im neu aufgebauten SPM-Interface erhoht eine zusatzliche Remoderatorionsstufe die
Brillanz des Strahls nochmals um Positronenlebensdauermessungen am SPM mit einer
lateralen Au osung von unter 1m zu ermoglichen. Die E zienz des Remoderations-
prozesses in dieser zweiten Stufe wurde zu 24;5 4;5 % bestimmt. Um den kontinuier-
lichen Strahl mit hoher E zienz in einen gepulsten Strahl mit einer Repetitionsrate
von 50 MHz und einer Pulsdauer von weniger als 50 ps umzuwandeln, wurde ein sub-
harmonischer Pulser mit zwei Sinuswellen-Pulser kombiniert. Zudem ermoglicht die
zusatzliche Remoderationsstufe im SPM-Interface eine aberrationsfreie Pulsung, wo-
durch die Zeitau osung der Positronenlebensdauermessungen letztlich nur durch das
verwendete Detektorsystem begrenzt wird.
Die Kombination aus hochintensiver Positronenquelle NEPOMUC, zweifacher Remo-
derierung, aberrationsfreier Strahlpulsung und der Leistungsfahigkeit des SPM wird
die Messung von dreidimensionalen Defektkarten mit einer lateralen Auosung un-
ter 1m innerhalb kurzester Messzeiten ermoglichen und dadurch die mikroskopische
Positronenlebensdauermessung zu einer Standardmessmethode etablieren.
vSummary
Within the present work the prerequisites for the operation of the Munich scanning
positron microscope (SPM) at the high intense neutron induced positron source Mu-
nich (NEPOMUC) were established. This was accomplished in two steps: Firstly, a
re-moderation device was installed at the positron beam facility NEPOMUC, which
enhances the brightness of the positron beam for all connected experiments. The sec-
ond step was the design, set up and initial operation of the SPM interface for the high
e cient conversion of the continuous beam into a bunched beam.
The in-pile positron source NEPOMUC creates a positron beam with a diameter of
typically 7 mm, a kinetic energy of 1 keV and an energy spread of 50 eV. The NEPO-
MUC re-moderator generates from this beam a low energy positron beam (20 { 200 eV)
with a diameter of less than 2 mm and an energy spread well below 2:5 eV. This was
achieved with an excellent total e ciency of 6 :55 0:25 %. The re-moderator was not
only the