Anihilace pozitronů v pevných látkách

Prezentace na téma: "Anihilace pozitronů v pevných látkách"— Transkript prezentace:

1 Anihilace pozitronů v pevných látkách
Jakub Čížek – katedra fyziky nízkých teplot Tel:  výuka Anihilace pozitronů v pevných látkách Doporučená literatura: P.Hautojärvi: Positrons in Solids, Topics in Current Physics, Springer-Verlag (1979) A. Dupasquier, A.P. Mills, Jr. (eds.): Positron Spectroscopy of Solids, IOS Press, Amsterdam (1995) R. Krause-Rehberg, H.S. Leipner, Positron Annihilation in Semiconductors – Defect Studies, Springer, Berlin (1999) P.J. Schultz, K.G. Lynn, Interaction of positron beams with surfaces, thin films, and interfaces, Rev. Mod. Phys. 60, 701 (1988) M.J. Puska, R.M. Nieminen, Theory of positrons in solids and solid surfaces, Rev. Mod. Phys. 66, 841 (1994)

2 Pozitron – teoretická předpověď
Schrödingerova rovnice: nerelativistická pohybová rovnice pro elektron Erwin Schrödinger 1933 Nobelova cena

3 Pozitron – teoretická předpověď
Diracova rovnice: snaha popsat relativisticky pohyb elektronu E > 0 E = 0 Paul Adrien Maurice Dirac 1933 Nobelova cena P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 117, (1928) P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 133, (1931)

4 Pozitron – teoretická předpověď
Diracova rovnice: snaha popsat relativisticky pohyb elektronu řešení s negativní energií  vakuum je Diracovo moře elektronů E > 0 Paul Adrien Maurice Dirac 1933 Nobelova cena E = 0 E < 0 g záření P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 117, (1928) P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 133, (1931)

5 Pozitron – teoretická předpověď
Diracova rovnice: snaha popsat relativisticky pohyb elektronu řešení s negativní energií  vakuum je Diracovo moře elektronů E > 0 pozitron elektron Paul Adrien Maurice Dirac 1933 Nobelova cena E = 0 tvorba párů + E < 0 P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 117, (1928) P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 133, (1931)

6 Pozitron – teoretická předpověď
Diracova rovnice: snaha popsat relativisticky pohyb elektronu řešení s negativní energií  vakuum je Diracovo moře elektronů elektron E > 0 Paul Adrien Maurice Dirac 1933 Nobelova cena E = 0 + E < 0 pozitron P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 117, (1928) P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 133, (1931)

7 Pozitron – teoretická předpověď
Diracova rovnice: snaha popsat relativisticky pohyb elektronu řešení s negativní energií  vakuum je Diracovo moře elektronů pozitrony  díry ve vaku g záření E > 0 Paul Adrien Maurice Dirac 1933 Nobelova cena E = 0 anihilace E < 0 P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 117, (1928) g záření P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. A 133, (1931)

8 Pozitron – experiment pozitron objev pozitronu 1932
Carl David Anderson 1936 Nobelova cena

9 Pozitron - experiment objev pozitronu 1932 pozitron

10 Pozitron – historie objevu
Dmitri Vladimirovich Skobeltsyn (St. Peterburg) Chung-Yao-Chao (California Institute of Technology) – Carl David Anderson (California Institute of Technology) 1936 – Carl David Anderson a jeho student Seth Neddermeyer objevili mion C.D. Anderson: The Positive Electron, Phys. Rev. 43, 491 (1933)

11 Pozitron pozitron pozitron = antičástice elektronu
klidová hmotnost: me náboj: +e spin: 1/2

12 Elementární částice (standardní model)
tvoří hadrony protony, neutrony, mesony, baryony elektromagnetická interakce silná interakce slabá interakce

13 Zdroje pozitronů kosmické záření 90 % protony 9 % a-částice
1 % elektrony (a ostaní částice e+, p-)

14 Zdroje pozitronů b - rozpad b- rozpad: b+ rozpad:

15 Zdroje pozitronů b - rozpad b- rozpad: b+ rozpad:

16 Zdroje pozitronů b+ - rozpad záchyt e- E pro Q < 2mec2 pouze EC Z
t1/2 = 3.7 ps b % b %, EC 9.5 % T1/2 = 2.6 year g 1274 keV E Z pro Q < 2mec2 pouze EC

17 Zdroje pozitronů b+ - rozpad energetické spektrum e+ emitovaných 22Na
Emean = 205 keV Q = Emax = 545 keV

18 Zdroje pozitronů b+ - rozpad energetické spektrum e+ emitovaných 22Na
Emean = 205 keV Q = Emax = 545 keV

19 Zdroje pozitronů b+ - zářiče branching ratio (b+ vs EC)
isotope T1/2 e+ yield Emax (MeV) secondary  E (MeV) 13N 9.96 min 1 1.20 - 15O 123 s 1.74 18F 110 min 0.97 0.64 branching ratio (b+ vs EC) Emax (tj. Q-value) poločas rozpadu T1/2 příprava v cyklotronu sekundární foton protony urychlené na T  5.2 MeV

20 Zdroje pozitronů cyklotron

21 Zdroje pozitronů cyklotron
UJV Řež: cyklotron U-120M, p+, T = 5.4 – 38 MeV

22 Zdroje pozitronů b+ - zářiče branching ratio (b+ vs EC)
isotope T1/2 e+ yield Emax (MeV) secondary  per e+ E (MeV) 13N 9.96 min 1 1.20 - 15O 123 s 1.74 18F 110 min 0.97 0.64 22Na 2.6 y 0.9 0.545 1.274 26Al 8  105 y 0.85 1.17 1.81 44Ti 59 y 0.98 1.47 1.157 64Cu 12.7 h 0.178 0.653 68Ge 275 d 0.88 1.90 0.02 1.078 branching ratio (b+ vs EC) Emax (tj. Q-value) poločas rozpadu T1/2 sekundární foton

23 Zdroje pozitronů 64Cu záchyt e- (43.8 %) b+ rozpad (17.8 %)

24 Zdroje pozitronů 68Ge / 68Ga generátor rozpad 68Ge (T1/2 = 275 d):
záchyt e- (100 %) rozpad 68Ge (T1/2 = 275 d): b+ rozpad (87.2 %) rozpad 68Ga (T1/2 = 68 min):

25 Zdroje pozitronů příprava 68Ge cyklotron
D ionty urychlené na T  14 MeV maximální účinný průřez pro T = 27 MeV: s = 550 mBarn pro T = 27 MeV s = 1650 mBarn doba života 69Ge je T1/2 = 39 h

26 Zdroje pozitronů – 68Ge/68Ga

27 Zdroje pozitronů 44Ti/44Sc generátor rozpad 44Ti (T1/2 = 59 y):
záchyt e- (100 %) rozpad 44Ti (T1/2 = 59 y): b+ rozpad (98 %) rozpad 44Sc (T1/2 = 3.97 h): Emax = 1467 keV

28 Zdroje pozitronů Vznik 44Ti v supernovách rezonance na Ea = 4.5 MeV
T1/2 = 59 y Supernova Cassiopeia A (vznik před ~ 300 lety)

29 Zdroje pozitronů 22Na b+ rozpad, T1/2 = 2.6 y sekundární g 1274 MeV
t1/2 = 3.7 ps b % b %, EC 9.5 % T1/2 = 2.6 year g 1274 keV b+ rozpad, T1/2 = 2.6 y sekundární g 1274 MeV

30 Zdroje pozitronů příprava 22Na cyklotron, p+, T = 66 MeV

31 Zdroje pozitronů příprava 22Na cyklotron, p+, T = 66 MeV

32 Zdroje pozitronů 22Na pozitronový zdroj

33 Hloubka průniku pozitronů
pozitrony emitované b+ zářičem pravděpodobnost, že pozitron pronikne do hloubky z  – hustota materiálu (pro 22Na) střední hloubka průniku Příklad: Mg: a -1 =154 mm Al: a -1 = 99 mm Cu: a -1 = 30 mm

34 Tvorba párů nutná přítomnost další částice

35 Tvorba párů nutná přítomnost nějaké další částice

36 Tvorba párů – NEPOMUC FRM II Munich
výroba e+ pomocí pomalých neutronů z reaktoru

37 Tvorba párů – NEPOMUC FRM II Munich
výroba e+ pomocí pomalých neutronů z reaktoru

38 Tvorba párů – GIPS GIPS = Gamma Induced Positron annihilation Spectroscopy ELBE LINAC, Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf e- : T = 16 MeV, frekvence f = 26 MHz (vzdálenost mezi pulsy 38.5 ns), délka pulsu 5 ps

39 Tvorba párů – GIPS GIPS = Gamma Induced Positron annihilation Spectroscopy

40 Tvorba párů – GIPS GIPS = Gamma Induced Positron annihilation Spectroscopy