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ESPECTROSCOPÍA DE ANIQUILACIÓN DE POSITRONES Autor: Elena Herranz Muelas Directores: J.M. Udías J. del Río PAS: Estudio de la estructura electrónica y defectos en sólidos TÉCNICAS: Sensibilidad de los positrones a la densidad electrónica Técnicas de Tiempos de Vida Principio de conservación del momento en el proceso de aniquilación · Correlación Angular de la Radiación Aniquilación · Ensanchamiento Doppler Objetivos Diseño del Dispositivo Experimental para la Eliminación de Fondo Aplicación al Estudio de Defectos Índice Introducción Espectroscopía de Aniquilación Doppler Sistema diseñado para la Eliminación de Fondo Aplicación al Estudio de Defectos Introducción Creación de Positrones: Interacción con la materia Creación de pares γ → e+ + e− Desintegración β+ A Z X → Z −A1Y + e + + υ e + γ · E altas Ionización · E bajas Dispersión fonones · Difusión · Aniquilación Aniquilación Conservación Energía-Momento •v = 0 k1c = k2 c = 511 keV •v ≠ 0 ΔE ≈ k1 + k 2 = p = 2mv k1c + k 2 c = E = 2mc 2 p m0c p s in θ ≈ m0c 2 Fuentes y muestras en PAS Fuente: 22Na Muestras: · τ = 2.6 años · Emisión de γ y β + · Disposición tipo ‘Sandwich’ · Actividad débil · Fácil Preparación · Idéntica naturaleza y tratamiento. Técnica de Ensanchamiento Doppler Medida de la distribución de momentos de los e-. Diferentes Energías transmitidas en cada evento Ensanchamiento del pico: ΔE ≈ p m0c Diseño del dispositivo experimental HPGe CZT Diámetro = 57.1mm 15 X 15 X 7.5 Tamaño del Cristal 3 Longitud = 57.1 mm FWHM (keV) Pico 511 keV Pico 1.28 MeV Relación Pico/Fondo (mm ) 4.2 19.8 5.5 18.9 102.3 30.5 Diseño del dispositivo experimental CZT Ge (HP) 1400V Delay DelayLine Line Amplifier Amplifier Amplifier Amplifier MCA Timing TimingSCA SCA Amplifier Amplifier GATE Amplificadores: generar pulsos de amplitud y forma adecuada ‘Timing SCA’: seleccionar ventana de energía. Pulso lógico retardado. Diseño del dispositivo experimental Timing SCA. Pulso lógico 200 Permite seleccionar γ detectados por el CZT asociados a un intervalo de energías (en torno 511 keV) · Cuentas Retardado 0 0 100 200 300 400 500 600 Canal D istancia fuente-detector de 100cm · Permite establecer un retardo relativo entre las señales del CZT y HPGe alineamiento óptimo 4 μs 800 700 600 Cuentas Espectro CZT Espectro CZT en Coincidencia con el Pulso lógico 500 400 300 0 2 4 6 D elay 8 10 12 Resultados Experimentales Fe40Al (650 ºC) Singles Coincidencias Coincidencias Retardadas 1,0 SIN coincidencias Espectro Coincidencias : ¾Coincidencias auténticas 0,8 Cuentas Espectro γ 0,6 γ 0,4 1.28 Mev – γ 511 keV γ 0,2 511 keV 1.28 MeV ¾ Coincidencias Aleatorias 0,0 0 500 1000 Canal 1500 2000 Espectro Coincidencias Retardadas ¾ Coincidencias aleatorias Resultados Experimentales Fe40Al (650 ºC). Distancia muestra-detector = 100 cm Fe40Al (650ºC) a 100 cm Sin Coincidencias Coincidencias Coincidencias Corregidas 1 0,1 Cuentas 0,01 1E-3 1E-4 1800 1860 Canal 1920 Resultados Experimentales Influencia de la geometría: Distancia menor entre muestra-HPGe Mayor ritmo de conteo Mejor estadística Mayor apilamiento Más eventos auténticos Más eventos aleatorios Resultados Experimentales Influencia de la geometría Fe40Al (650 ºC). Distancia muestra-detector = 33 cm Espectros de Fe40Al (650 ºC) A 33 cm Sin Coincidencias Coincidencias Coincidencias Corregidas 1 0,1 Cuentas 0,01 1E-3 1800 1900 Canal 2000 Resultados Experimentales Influencia de la geometría: Espectros SIN coincidencia (Singles) y Coincidencias Retardadas Espectros a 33 cm Espectros a 100 cm 0.01 Cuentas Cuentas 1E-3 1E-4 1E-3 1E-4 1E-5 0 800 0 1600 Canal Retardadas Singles/1470 800 Retardadas Singles/1686 Distancia HPGe (cm) Singles (cps en el pico) Coincidencias Retardadas (cps en el pico ) Factor de proporcionalidad 100 72 0.05 1470 33 394 0.2 1686 1600 Canal La distancia del detector no afecta al porcentaje de cuentas aleatorias respecto al de singles Resultados Experimentales Influencia de la geometría: Espectros Coincidencias auténticas ¾ γ (1.28 Mev) – γ (511 keV) no correlacionados angularmente dependencia del ángulo sólido subtendido distancia ¾ γ (511keV) – γ disminuyen con el cuadrado de la (511 keV) dependencia con el ángulo sólido distancia mayor menor número de coincidencias auténticas relación coincidencias totales/coincidencias aleatorias disminuye al aumentar la distancia del HPGe. 1 100 cm 33 cm Cuentas 0.1 Fe40Al (650ºC) Fe40Al (650ºC) (100 cm) (33 cm) Relación pico/fondo 0.01 1E-3 1E-4 1800 Canal 1,1·103 1,3·103 Resultados Experimentales Material Distancia HPGe Singles (cps) Coincidencias C. Retardadas (cps) (cps) Fe40Al (650ºC) 33 394 6 Fe40Al (650ºC) 100 72 0.22 Relación pico/fondo FWHM (keV) 0.22 1,3·103 4.2 0.05 1,1·103 4.2 Distancia fuente-detector de 33 cm Distancia fuente-detector de 100cm 18000 800 16000 14000 700 600 10000 Cuentas Cuentas 12000 8000 500 6000 400 4000 2000 300 0 0 2 4 6 Delay 8 10 12 0 2 4 6 Delay 8 10 12 Resultados Experimentales Influencia del apilamiento Ausencia de estabilizador y sistema de rechazo de ‘pile-up’ entre pulsos falseamiento de los resultados experimentales. Disminución de la distancia relativa fuente detector Lejos Cerca Cuentas solapamiento Aumenta el ángulo sólido Aumenta el conteo 0,1 Mayor probabilidad de apilamiento 0,01 Canal Resultados Experimentales Influencia del apilamiento Variación de la anchura de los pulsos de HPGe 1microsegundos 2microsegundos 3microsegundos 1 Cuentas Cuentas 1 0,1 1microsegundos 2microsegundos 3microsegundos 0.1 0.01 0,01 1800 1840 Canal Deformación para 3 μs. Ensanchamiento asociado a un desplazamiento de E respecto al valor real. 1700 1800 1900 2000 Canal Aumento del número de cuentas en la cola del pico para 2 μs Resultados Experimentales Comparación Fe40Al (650 ºC) y Fe40Al (900 ºC) Canal 1845: Claras Diferencias ESTRUCTURAS DISTINTAS Resultados Experimentales Comparación Fe40Al (650 ºC) y Fe40Al (900 ºC) Defectos presentes en ambas muestras tienen estructura diferente. Singles vs Coincidencias EFICIENCIA DEL DISPOSITIVO Conclusiones Se ha conseguido diseñar un dispositivo experimental capaz de restar fondo al espectro de Ensanchamiento Doppler (1 orden de magnitud) Eficiencia del dispositivo para distinguir defectos en distintas muestras.
