Das Scanning-Positron-Microscope (SPM) ist ein Instrument zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung mittels der Positronen Lebensdauerspektroskopie. Positronen sind sensitiv für Materialdefekte wie Leerstellen, Versetzungen oder Korngrenzen. An Defekten variiert die lokale Elektronendichte und damit die mittlere Lebensdauer der Positronen im Probenmaterial. An der Universität der Bundeswehr wurde das SPM an einer Labor-Positronenquelle betrieben. Für einen höheren Positronenfluss wird das SPM zukünftig durch das SPM-Interface an die Reaktor Positronenquelle NEPOMUC gekoppelt. Durch den höheren Fluss des Positronenstrahls sollen kürzere Messzeiten erreicht werden. Das SPM-Interface verbessert die Strahleigenschaften, indem es die Divergenz und den Strahldurchmesser des Positronenstrahls verkleinert. Zusätzlich formt das SPM-Interface die Positronenpulse aus dem kontinuierlichen Positronenstrahl von NEPOMUC. Die Pulsung des Strahls wird als Startsignal für die Lebensdauermessungen benötigt. Damit passt das SPM-Interface den Positronenstrahl von NEPOMUC an die Bedürfnisse des SPM an. Am SPM sollen ortsauflösende Positronen Lebensdauerspektroskopie Messungen mit einer Ortsauflösung von unter 1 µm und einer Pulsbreite von weniger als 150 ps erreicht werden. Dazu sind mehrere Stufen der Pulsformung und Fokussierung nötig. Um die projektierten Ziele des SPM zu erreichen, muss am Abschluss des SPM-Interfaces ein Strahldurchmesser kleiner 200 µm und eine Pulsbreite von unter 250 ps (FWHM) erreicht werden. Die hohen Ansprüche an die Strahleigenschaften am Abschluss des SPM-Interfaces dienen außerdem dem effizienten Einkoppeln des Positronenstrahls in das SPM. Um die Strahleigenschaften am Abschluss des SPM-Interfaces zu bestimmen, wurden mehrere Messungen durchgeführt. Die Messungen liefern die Grundlage für die Planung des weiteren Aufbaus des SPM an der Quelle NEPOMUC. Für die Vermessungen des Strahlprofils des SPM-Interfaces wurde der Strahl mit einer Micro-Channel-Plate (MCP) direkt beobachtet. Der Bereich der höchsten Intensität des Positronenstrahls ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 4mm FWHM. Das Intensitätsprofil ist gaußförmig. Durch eine Abbildung des Strahls mit einer elektrostatischen Linse auf die MCP konnte ein Strahldurchmesser von 2mm FWHM bei einer Brennweite von mm erreicht werden. Mit dieser Messung kann die kinetische Energie der transversalen Bewegung der Positronen auf 70meV abgeschätzt werden. Ein rundes Strahlprofil mit gaußförmiger Intensität ist die Voraussetzung für die weiteren Messungen. In dieser Arbeit wurde eine Probenkammer zur ortsauflösenden Lebensdauerspektroskopie für das SPM-Interface gebaut. Die Probenkammer fokussiert den gepulsten Strahl mit Hilfe einer magnetischen Linse. Der magnetisch fokussierte Strahl kann durch Scannig-Spulen über eine Probe gerastert werden. Mit Hilfe der Probenkammer sind so ortsauflösende Messungen zur Bestimmung des minimal erreichbaren Strahldurchmessers möglich. Als Grundlage für die ortsaufgelösten Messungen muss die erreichbare Zeitauflösung bekannt sein. Die Zeitauflösung ergibt sich durch die totale Zeitauflösung des Detektors und der Pulsbreite der erzeugten Positronenpulse. Für Pulsbreiten von unter 250 ps muss der kontinuierliche Positronenstrahl der Quelle NEPOMUC in mehreren Schritten zu Pulsen geformt werden. Dazu werden am SPM-Interface ein Sägezahn-Vorbuncher und zwei Sinus-Buncher sowie ein Chopper genutzt. Zur Bestimmung der Pulsbreite sind alle Pulsungkomponenten einzeln eingestellt und optimiert worden. Der Zeitfokus kann durch geeignete Einstellungen der Buncher- Amplitude und der Driftgeschwindigkeiten auf den Probenort in der Kammer gelegt werden. Durch die 50MHz Frequenz der Pulsung erreichen die Positronen alle vielfache von 20 ns die Probenposition t_n =n 20 ns (n e N). Liegt der Zeitfokus auf der Probe, ist die zeitliche Verteilung der ankommenden Positronen um t_n minimal. Die FWHM der gemessenen zeitlichen Verteilung (für viele Positronen aus mehreren Pulsen), der im SPM-Interface gepulsten Positronen entspricht der Pulsbreite. Die Pulsbreite T_Puls wurde auf gute (257+/-3) ps bestimmt. Aus dem Vergleich der Zählrate mit und ohne Pulsung an der Probenposition ergibt sich ein Wirkungsgrad der Pulsung von 70 Am späteren Aufbau des SPM werden die im SPM-Interface erzeugten Pulse noch einmal gebuncht. Damit können aus den im SPM-Interface vorgeformten Pulsen schärfere Pulse im Bereich von 150 ps erzeugt werden. Mit der erreichten Pulsbreite sind die Positronen Lebensdauermessungen mit der für das SPM-Interface gebauten Probenkammer möglich. Die Probenkammer erlaubt durch die im Laufe der Arbeit gebaute Hardware und in LabView programmierte Software vollautomatisierte ortsaufgelöste Positronen Lebensdauermessungen. Um mögliche Einstellungen der elektrischen Potenziale in der Kammer sowie für den Strom der fokussierenden magnetischen Linse für die Messungen zu finden, ist der Strahlverlauf in der Probenkammer mit COMSOL Multiphysics® simuliert worden. Vor den Messungen am SPM-Interface ist die Probenkammer auf Vakuumdichtigkeit und Hochspannungsfestigkeit bis 10 kV getestet worden. Die Tests verliefen problemlos, nach einem längeren Abpumpen wurde ein Druck von 1 10^(-6) mbar erreicht. Aus den Messungen mit der Probenkammer des SPM-Interfaces soll der minimal erreichbare Strahldurchmesser bestimmt werden. Dazu wurden ortsaufgelöste Messungen durchgeführt. Die Probenkammer des SPM-Interfaces erlaubt einen Scan- Bereich von 1; 5 x 1; 5 mm. Der Scan-Bereich ist dabei weitestgehend frei von Verzeichnungen. Durch die Geometrie der Probenkammer und die Abschirmung des Detektors sind Messungen mit geringem Untergrund möglich. Als Untergrund zählen alle 511 keV-Quanten, die nicht von einer Annihilation im Probenmaterial stammen. Das Peak zu Untergrund Verhältnis beträgt 1000. Damit ist die Aufnahme guter Einzelspektren ausgewählter Orte der Probe möglich. Mit Hilfe von Line-Scans ist die Ortsauflösung in der Probenkammer zu (180+-10) µm bestimmt. Um diesen Strahldurchmesser zu erreichen, wurde der Positronenstrahl in der Probenkammer mit der magnetischen Linse des zweiten Remoderators des SPM fokussiert. Durch die Verwendung dieser Linse ist am weiteren Aufbau des SPM ein vergleichbar kleiner Strahldurchmesser auf dem zweiten Remoderator möglich. Der Remoderator wirkt als gepulste Positronenquelle für die Positronen Lebensdauermessungen in der Probenkammer des SPM. Mit einem Quellendurchmesser von ca. 200 µm und der schmalen Energieverteilung des remoderierten Strahls sind Strahldurchmesser um 1 µm beim finalen Aufbau des SPM möglich. Der Aufbau der Probenkammer des SPM-Interfaces sowie die durchgeführten Messungen waren sehr erfolgreich. Die in dieser Arbeit erreichten Ergebnisse erlauben den finalen Aufbau des SPM. Durch die Kenntnis des Strahldurchmessers kann die Positronen-Strahloptik zum Ankoppeln des SPM an das SPM-Interface effektiv ausgelegt werden. Schon mit dem Aufbau der Probenkammer des SPM-Interfaces sind Positronen Lebensdauerspektroskopie Messungen mit guter Orts- und sehr guter Zeitauflösung möglich. Positronen Lebensdauermessungen mit einer Pulsbreite von 260 ps, einem Strahldurchmesser von 180 µm und mit einr hoher Intensität von 2000 Counts pro Sekunde sind weltweit einzigartig. Sie sind nur am Scanning-Positron-Microscope Interface mit der in dieser Arbeit gebauten Probenkammer des SPM-Interafces der Universität der Bundeswehr an der Positronenquelle NEPOMUC möglich.    «

Das Scanning-Positron-Microscope (SPM) ist ein Instrument zur zerstörungsfreien Materialuntersuchung mittels der Positronen Lebensdauerspektroskopie. Positronen sind sensitiv für Materialdefekte wie Leerstellen, Versetzungen oder Korngrenzen. An Defekten variiert die lokale Elektronendichte und damit die mittlere Lebensdauer der Positronen im Probenmaterial. An der Universität der Bundeswehr wurde das SPM an einer Labor-Positronenquelle betrieben. Für einen höheren Positronenfluss wird das SPM z...    »