Speaker
Description
В Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) им. В.П. Джелепова ОИЯИ создан и используется в экспериментах спектрометр, основанный на методе позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС). Данный метод высокочувствителен к точечным дефектам в твердотельных материалах и известен применением нескольких вариантов, отличающимися возможностями исследования в области физики твердого тела. С 2015 г. установка ПАС служит для исследования структуры различных материалов методом Доплеровского Уширения Аннигиляционной Линии (ДУАЛ - Doppler Broadening Annihilation Line - DBAL). Спектрометр ДУАЛ выполнен состоит из трёх частей:
- высоковольтный источник позитронов с радиоактивной таблеткой 22Na и крио-системой для её охлаждения жидким гелием до температуры 7 К,
- вакуумный транспортировочный канал,
- камера с оборудованием для размещения образцов исследуемых материалов и аппаратуры детектора для регистрации аннигиляционных фотонов.
Спектрометр погружен в однородное магнитное поле соленоида, соосного с потоком позитронов. Напряжённость магнитного поля – до 1 кГс.
Установка ПАС в ЛЯП ОИЯИ обладает двумя уникальными особенностями:
- высокая монохроматичность потока позитронов – ширина спектра (Full Width on Half Magnitude - FWHM) на выходе источника позитронов составляет 1.5 – 2 эВ при их характерной энергии от десяток эВ до десяток кэВ;
- энергия позитронов на мишени (исследуемой образец) варьируется в интервале 0.5 – 30 кэВ, что позволяет менять глубину проникновения «исследующего» позитрона и проводить исследования материалов без нарушения их кристаллической структуры; этот диапазон энергии монохроматических позитронов планируется увеличить до 100 кэВ.
Возможности метода ДУАЛ ограничены: метод позволяет определить количество дефектов на единицу размера мишени, но не может различить типы дефектов. Более точную и широкую информацию даёт метод измерения аннигиляционного времени жизни позитрона в твёрдом теле – Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS). Стоит отметить, что для этого сегодня приходится использовать «послойное» применение позитронов – срезать поверхностный слой, чтобы исследовать образец на глубину, превышающую пробег позитрона. Метод PALS чувствителен к точечным дефектам в твердом теле. Пара гамма-квантов, рожденных в результате процесса позитрон-электронной аннигиляции, несет информацию о виде концентрации дефектов размерами менее 10 нм на глубине от поверхности материала, которая определяется энергией позитронов. Это классический вариант: момент испускания позитрона радиоактивным ядром сопровождается гамма-фотоном сопровождающего распад радиоактивного ядра (например, 22Na), и затем производится регистрация момента времени аннигиляции пары позитрона и атомарного электрона в два гамма-фотона. Точность измерений существенно затруднена неопределённостью взаимодействия позитрона с атомарными электронами материала источника (22Na) и исследуемого материала.
Задача данного проекта состоит в том, чтобы с использованием монохроматичности потока позитронов и вариабельности их энергии на мишени построить прибор высокого разрешения для измерения времени жизни позитронов в твердотельном материале. Для этого нужно разработать схему инжекции и транспортировки группы позитронов с приходом их на мишень в один и тот же момент времени независимо от значения момента времени их выхода из источника.
Динамика позитронов в спектрометре описывается двумя нелинейными дифференциальными уравнениями второго порядка и связывающего их алгебраического уравнения движения позитронов в пространстве, свободном от электрических полей, но погружённом в соленоидальное магнитное поле.
Электрическое поле источника позитронов со статической и высокочастотной компонентой формируется в зазоре между катодом (радиоактивной таблеткой) и анодом, распространяясь за анод. За счет подобранной формы высокочастотной компоненты электрического поля позитронам обеспечивается близкое значение времени прихода на мишень. В докладе представлены численные расчеты динамики позитронного пучка от источника до мишени спектрометра и соответствующее моделирование в программном коде.
