WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННОГО ПОТОКА ПОЗИТРОНОВ Работ а будет предст авлена на XII Международном научном семинаре памяти В.П. С ар анцев а, 2017 г., Алушт а, Крым, Россия Мешков И. Н. ...»

P13-2017-49

И. Н. Мешков

ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННОГО

ПОТОКА ПОЗИТРОНОВ

Работ а будет предст авлена на XII Международном научном семинаре

памяти В.П. С ар анцев а, 2017 г., Алушт а, Крым, Россия

Мешков И. Н. P13-2017-49

Формиров ание упорядоченного потока позитронов

Предл агается метод формиров ания непрерывного потока монохром атических

позитронов с контролируемым временем прихода на мишень, не з ависящим от момент а времени ст арт а в огр аниченном интерв але времени. Такой упорядо­ ченный поток позитронов позволяет создать эксперимент альную уст ановку для исследов ания структуры твердого тела методом позитронной аннигиляционной спектроскопии (ПАС) в его наиболее эффективном в арианте — измерении вре­ мени жизни позитрона в исследуемом веществе. Одновременно, в арьируя уско­ ряющий потенциал мишени, можно изменять энергию позитронов на мишени и контролируемо изменять глубину их проникновения в исследуемый обр азец. Та­ ким обр азом, можно измерять с высоким р азрешением р аспределение дефектов по глубине .

Р абот а выполнен а в Л абор атории ядерных проблем им. В. П. Джелепов а ОИЯИ .

Препринт Объединенного института ядерных исследований. Дубна, 2017 Meshkov I. N. P13-2017-49 Forming of an Ordered Positron Flux A method for forming a continuous flux of monochromatic positrons with a controlled time of arrival at the target, independent of the start time in a limited start time interval, is suggested .

Such an ordered positron flux (OPF) allows one to construct an experimental setup for studies of solid matter structure by positron annihilation spectroscopy (PAS) in its most efficient version — the Positron Anni­ hilation Lifetime Spectroscopy (PALS). Simultaneously, by varying the potential of the target, one can control the energy of the positrons on the target and, accordingly, the depth of their penetration into the sample under study, measuring the distribution of defects in depth with high resolution .

The investigation has been performed at the Dzhelepov Laboratory of Nuclear Problems, JINR .

Preprint of the Joint Institute for Nuclear Research. Dubna, 2017

ВВЕДЕНИЕ

В позитронной аннигиляционной спектроскопии н аиболее информатив­ ным, а поэтому и более привлекательным для применений счит ается метод, основанный на измерении времени жизни позитрона в мишени — обр азце ис­ следуемого м атери ал а (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy — PALS) .

В простейшем варианте PALS чаще всего используется позитронно- активный изотоп 22Na, при р аспаде которого излуч аются позитрон и, с з адержкой около 3 пс, Y-квант. Последний используется в качестве ст арт-сигнала (триггера), а стоп-сигналом служит пара y-кв антов, возникающих в результ ате анниги­ ляции позитрон а с электроном атом а мишени (исследуемого обр азц а). Не­ дост атком т акой пост ановки исследования является широкий спектр позит­ ронов, испускаемых при р аспаде ядр а 22Na. Максимальная энергия позит­ ронов сост авляет 545 кэВ. Соответственно, пробег позитронов в мишени достигает, в з ависимости от материала мишени, нескольких микрометров .

Поэтому для изучения р аспределения дефектов по глубине обр азца прихо­ дится применять деструктивный метод — например, послойно протравлив ать исследуемый обр азец, измеряя после каждого протр авливания время жизни позитрона (длительность з адержки стоп-сигнала) и ср авнив ая его со значе­ нием времени жизни в эт алонном («бездефектном») обр азце. Существенно, что время жизни позитрона в вакансиях возр аст ает в несколько р аз. Таким способом определяют толщину слоя, в котором присутствуют дефекты. Ко­ нечно, это времяз атр атный способ .





Значительно эффективнее использов ание в методе PALS потока моно­ хроматических позитронов, который формируется в источниках с изотопом 22Na и з амедлителем-монохроматиз атором. Наибольший выход медленных позитронов, около 1 % от полного числ а р аспадов, достигается при исполь­ зов ании в качестве з амедлителя твердого неона, который намор ажив ается из газообр азной ф азы на фольгу з акрытого р адио активного источника, охл ажд аемого до темпер атуры 7-8 K. Т акой Криогенный Источник Медленных Монохроматических Позитронов (КРИММП) р азр абот ан и используется на комплексе LEPTA (Low Energy Positron Toroidal Accumulator) [1,2] в Объе­ диненном институте ядерных исследований .

X ар актерн ая ширин а (FWHM) спектр а энергии позитронов из КРИММП сост авляет 2 эВ. Среднюю энергию можно в арьиров ать, изменяя положитель­ ный потенциал, на который «подвешен» корпус источника, и отрицательный потенциал мишени с исследуемым образцом. Таким способом можно кон­ тролировать глубину пробега позитронов в обр азце и, измеряя время жизни позитронов на з аданной глубине, определять р аспределение концентр ации дефектов. При этом, пр авда, возникает проблема триггер а, т ак как р азброс значений интервала времени между испусканием «р аспадного» 7-кв ант а и аннигиляции позитрона в обр азце значительно превышает характерное время жизни позитрон а в в акансии (около 120 пс) .

В данной р аботе предлагается метод формиров ания упорядоченного по­ тока позитронов (ФУПП) и измерения их времени жизни в образце с точ­ ностью порядка 30 пс. Предл агаемый метод является р азвитием известной схемы группировки потока медленных позитронов [3,4] .

1. ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННОГО ПОТОКА ПОЗИТРОНОВ

Первым активным элементом кан ал а ФУПП (рис. 1) является промежуток с ВЧ-н апряжением URF специ альной формы, пересек ая который позитроны ускоряются. Н а вход этого промежутк а позитроны из КРИММП поступ ают по к ан алу-1 в некоторый случ айный момент t;nj (инжекция). Среднее зн ачение интерв ал а времени между позитрон ами в потоке н а входе T0 = (2Ve+)-1 ~ Рис. 1. Схем а уст ановки генер ации упорядоченного потока позитронов: е+ — криоген­ ный источник медленных позитронов н а основе изотоп а 22Na; канал-1, 2 — уч астки кан ал а тр анспортировки позитронов; U0 0 — р азность потенци алов между источ­ ником и кан алом-1; UA 0 — р азность потенци алов между кан ал ами 1 и 2; Lrf — промежуток с ВЧ-н апряжением Urf специ альной формы; LA — 1-й дрейфовый про­ межуток кан ала ПАС; dA — ускоряющий промежуток со статическим электрическим полем UA; k I — проходной изолятор; Lt — 2-й дрейфовый промежуток кан ал а ПАС; Lu — промежуток между входом в экспериментальную камеру и мишенью с исследуемым обр азцом; Utarget — отрицательный потенци ал мишени 1 мкс.

Скорость позитрона на выходе ВЧ-промежутка:

–  –  –

С этой скоростью позитрон пролет ает уч асток канал а длины Lt до входа в камеру, где находится исследуемый обр азец, помещенный под отрицательный потенци ал Utarget. Время пролет а позитрон а от вход а в ВЧ-промежуток до входа в промежуток LU р авно

–  –  –

Это потребует зн акопеременного н апряжения URF(t) — тормозящего в пер­ вой половине промежутка To и ускоряющего во второй .

Для упрощения изложения огр аничимся выбором отсчет а времени tinj, принятым в (1). Дет альное опис ание п ар аметров и конструкции ВЧ-системы дано в р азд. 3,4. Здесь же достаточно принять, что ф аз а (знак) ВЧ-импульс а выбр ана т ак, что позитрон, проходя ВЧ-промежуток, ускоряется, т. е .

eURF 0 .

Функцию URF(t) н аходим из условия р авенств а зн ачений Attarget для позитронов с энергией Eo (SE = 0) при любом значении tinj в интерв але (1):

–  –  –

Функцию ttarget(SE, tinj) и р азность времени приход а н а мишень позитронов с SE = 0 и SE = 0 находим численно (например, в MathCad) .

2. ЧИСЛЕННЫЙ ПРИМЕР ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ

ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКА ПОЗИТРОНОВ

(«ИДЕАЛИЗИРОВАННЫЙ» СЛУЧАЙ)

Приведем пример для хар актерных пар аметров уст ановки:

–  –  –

Период повторения импульсов ВЧ-н апряжения 10 нс (ч астот а повторения 100 МГц).

В р асчет ах в к ачестве безр азмерного п ар аметр а выбр ано отноше­ ние времени инжекции позитронов в ВЧ-систему tinj к периоду To:

–  –  –

Рис. 4. 3 ависимость Sitarget(x) (нс) при Eo = 150 эВ и La = 20 (1), 15 (2), 12 (3) см Главной характеристикой упорядочивания потока позитронов является р азность времени ttarget (14) приход а н а мишень позитронов, имеющих сред­ нюю энергию при инжекции и отличную от нее на некоторую величину SE .

Для источника позитронов LEPTA ширина спектр а позитронов (FWHM) со­ ст авляет, примерно, 2 эВ, т.е. 5E = ±1 эВ.

Выбор значения E0 существенно влияет на значение р азности времени прихода на мишень позитронов с энер­ гией Ео и Е0 + SE:

^target(E07 ^Е) ttarget (E0, 0). (16) ^target — Результ аты р асчетов (рис. 3) показывают, что при Е0 150 эВ и 12 La 20 см величин а Jttarget сл або з ависит от Е0 .

Не менее важен оптимальный выбор р асстояния La от выхода из ВЧ-промежутка до входа в ускоряющий промежуток Ua (рис. 4). Для зна­ чений пар аметров, указ анных в подписи к рис. 4, следует, что оптимальное зн чение LA сост вляет 12 см .

3. ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕННОСТИ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ

ВЧ-СИСТЕМЫ НА РАЗБРОС ВРЕМЕНИ ПРИХОДА

ПОЗИТРОНОВ НА МИШЕНЬ

Формирование импульсов uRF возможно, вообще говоря, с помощью цифрового генер атор а. Однако при использовании импульсов высокой ч ас­ тоты (порядка 100 МГц в р ассм атрив аемом случ ае) возник ают существенные технические трудности — неизбежно огр аничение ч астот. Для р асчет а этого эффект а воспользуемся фурье- анализом и выберем з адний фронт функции Urf(x) в виде линейного сп ад а в интерв але 0,9 x 1, что исключ ает ее скачкобр азное уменьшение до нуля при x =1 (рис. 5):

–  –  –

Рис. 5. Импульс н апряжения н а ускоряющем зазоре ВЧ-системы — исходный (сплошн ая крив ая) и восст ановленный по трем первым гармоникам (штрихпунктирн ая)

–  –  –

Эффект огр аничения полосы частот генер атор а импульсов можно оце­ нить ан алогично (16) по р азности приход а н а мишень позитронов с SE0 — 0 и 1 эВ:

^target = Target (E0,SE0 ) - Ttarget(E0, 0)- (21) Для выбр анных р анее значений пар аметров огр аничение полосы частот тремя первыми гармониками незначительно влияет на значение Srtarget (рис. 7) .

4. ТРЕХРЕЗОНАТОРНАЯ ВЧ-СИСТЕМА

Результ аты предыдущего р аздел а показывают, что периодическое ВЧ-н апряжение FU(tinj) вполне успешно можно сформиров ать с помощью трех ВЧ-систем гармонического напряжения (резонаторов) ч астоты

–  –  –

Функция Fn(x) (18), (20) имеет постоянную сост авляющую a0/2, ввести кото­ рую проще всего, увеличив ая положительный потенци ал источника U0.

При этом сокр ащаются время пролет а частицей ВЧ-промежутка Д7цц и р азброс этого времени StRF:

–  –  –

что позволяет при Lrf 2 мм (см. ниже) пренебречь этим влиянием протя­ женности ВЧ-системы .

Формиров ание ВЧ-напряжения с помощью трех резонаторов дает вполне удовлетворительные результ аты при выборе оптимальных значений энергии Е0 и других пар аметров канала ФУПП (рис. 7). Технически ВЧ-резонаторы н а н апряжение с амплитудой менее 100 В могут иметь ускоряющий промежу­ ток р азмером порядка 1 мм, протяженность ВЧ-поля которого определяется диаметром отверстий диафр агм резонаторов. Для сокр ащения протяженнос­ ти поля отверстия з акрывают сетками, которые в данном случае не несут сколь-нибудь з аметной тепловой нагрузки от потока позитронов. Кроме того, оказывается, что ВЧ-системы 1-й и 3-й гармоник можно нагрузить на об­ щий резон атор [5]. Все это и позволяет снизить сумм арную протяженность ускоряющих промежутков до 1-2 мм .

Подстройку фаз ВЧ-напряжения следует производить с учетом времени пролет а ускоряющего промежутка A7rf (23):

Дф^ = 2nfm • AtRF .

Для 2-й гармоники ч астотой 100 МГц этот сдвиг при Lrf = 2 мм сост авляет ДфR2]) « 0,264 р ад (15,14°), что требует соответствующей подстройки ф аз 2-й и 3-й гармоник (ср. т аблицу). Для 3-й гармоники сдвиг в 1,5 р аз а больше .

Ан алогично можно оценить влияние промежутка между входом в мишен­ ную камеру и мишенью. В кр айнем случае мишени под нулевым потенциалом этот промежуток просто удлиняет канал-2 на Lu ~ 3 см и, соответственно, увеличивает значения времени пролет а ttarget (16) ДL/L ~ 10-2 от исходных значений, что дает пренебрежимый вкл ад. Подач а ускоряющего напряжения на мишень еще и уменьш ает эти оценки .

5. СТАРТ- И СТОП-СИГНАЛЫ В МЕТОДЕ PALS-OPF

Применение непрерывного потока позитронов требует, как сказ ано во Введении, организ ации ст арт- («триггер») и стоп-сигналов. В предл агаемом методе PALS-OPF такие сигналы можно генериров ать с помощью привязки к ф азе основной гармоники (100 МГц в примере, р ассмотренном выше), напри­ мер, к нулю импульс а н апряжения uRp(x) (рис. 2, 5), и к сигн ал ам детектор а, регистрирующего на совпадение пару 7-квантов при аннигиляции позитрона в мишени — исследуемом обр азце. В одном из в ариантов схемы измерения времени жизни позитрона в обр азце предл агается использов ать сигнал детек­ тор а в качестве триггер а, а сигн ал от uRF (x) как ком анду «стоп». Дет альное опис ние схемы будет д но в [5] .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемый метод формиров ания упорядоченного потока позитронов позволяет производить измерение времени жизни позитрона в веществе с р аз­ решением не хуже 40 пс. Пар аметры канал а ФУПП выбр аны для устройства, сооруж аемого н а эксперимент альном комплексе LEPTA [2] .

Автор выр аж ает бл агод арность А. Г. Кобецу, В.В.Кобецу и П. Хородеку з а полезные обсуждения, позволившие уточнить существенные дет али предл агаемого метода, и Т. А. Степановой з а подготовку рукописи к публикации .

ЛИТЕРАТУРА

1. Horodek P., Kobets A. G., Meshkov I. N., Sidorin A. A., Orlov O. S. Slow Positron Beam at JINR, Dubna // Nucleonica. 2015. V. 60 (4). P. 725 .

2. Horodek P., Bugdol M., Kobets A. G., Meshkov I. N., Orlov O. S., Rudakov A. Yu., Sidorin A. A., Yakovenko S. L. Development of Positron Annihilation Spectroscopy at the LEPTA Facility // Phys. Part. Nucl. 2014. V. 11. P. 708 .

3. Suzuki R. et al. An Intense Pulsed Positron Beam // Hyperfine Interaction. 1994. V. 84 .

P. 345 .

4. O'Rourke B. E. Production and Application of Intense, Pulsed, Slow Positron Beams // Proc. of Defects and Diffusion Forum. Switzerland. 2012. V. 331. P. 75;

www.scientific.net .

5. Кобец А. Г., Кобец В. В., Мешков И. Н., Орлов О. С., Сидорин А. А., Семек К., Хо­ родек П. Измерение времени жизни позитрон а в веществе // XII Междун ародный н аучный семин ар п амяти В.П.С ар анцев а, 2017, Алушт а, Крым, Россия .

–  –  –






Похожие работы:

«Учреждение образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники" УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе Е.Н. Живицкая 20.03.2017 Регистрационный № УД-5-686/р "Проектирование и разработка информационных систем" Учебная прогр...»

«встраиваемые системы Микропроцессоры с функциональностью промышленных компьютеров Промышленные компьютеры получают широкое распространение в том случае, если проект требует высокой вычислительной мощности и слож ного пользовательского интерфейса на уровне ОС Window...»

«Программное обеспечение Oscar Mouse Editor (Преимущество в игре) Руководство пользователя Модели: XL-771K, XL-755K, XL-740K, XL-730K, XL-750MK, XL-750BK, X-748K, X-738K, X-718K, X-710MK, X-710BK, X-705K, X-755K www.a4tech.ru Установка ПО Oscar Mouse Editor” (Примечание: драйвер для Windows 2000, XP, XP (x64), 2003(x64) и VIST...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.