Pozitron annihilációs spektroszkópia Bolgár Melinda Kalmár Dániel

Előadás felépítése 1. Magfizikai alapok 2. Spektroszkópiai módszerek 3. Alkalmazások

A pozitron Az elektron antirészecskéje: Tömege az elektronéval azonos 1. Magfizikai alapok Az elektron antirészecskéje: Tömege az elektronéval azonos Elektromos töltése +e Spinje 1/2 Előfordulása: Pozitív béta bomlás: Kozmikus háttérsugárzás Kölcsönhatás közeggel: Pozitron annihiláció Pozitrónium képződés

Pozitron annihiláció Tömeg-energia ekvivalencia-elv: Annihiláció: 1. Magfizikai alapok Tömeg-energia ekvivalencia-elv: Annihiláció: Részecske-antirészecske kölcsönhatás Pozitron+elektron→ 1-3 db foton, legnagyobb valószínűséggel 2 db Fotonok összenergiája: 1,022 MeV Impulzus-megmaradás: 180⁰ A pozitron az annihiláció előtt termalizálódik Albert Einstein

Pozitrónium Keletkezés feltétele: 1. Magfizikai alapok Keletkezés feltétele: Pozitron energiája az Ore-résben legyen Ütközés elektronnal Pozitrónium tulajdonságai: Kémiai elem Rövid élettartam, spontán bomlás Para-Ps: eredő spin 0 Orto-Ps: eredő spin 1

Orto-Ps kölcsönhatása közeggel 1. Magfizikai alapok Pick off kölcsönhatás: Közegből felkap egy elektront 2γ annihiláció Orto-para konverzió: Paramágneses közeg Spinátfordulás Kémiai reakció: Addíció, szubsztitúció, redox reakció, stb.

Pozitron annihilációs spektroszkópia 2. Spektroszkópiai módszerek Élettartam-eloszlás mérése Doppler kiszélesedés mérése PAS 2γ/3γ arány mérése Szögeloszlás mérése

2γ/3γ arány mérése Referencia anyag: Al, nem képződik benne Ps 2. Spektroszkópiai módszerek Referencia anyag: Al, nem képződik benne Ps Al-ban 2γ:3γ= 372:1, kiszámolható Ps keletkezés: Orto/para Ps is lesz Ebből orto 3γ-al bomlik spontán Kölcsönhatás 3γ arányát csökkenti Ps-inhibítorok jelenléte kimutatható Detektálás: Szcintillációs detektor Koincidencia-áramkör

Doppler-kiszélesedés mérése 2. Spektroszkópiai módszerek Energiaspektrum mérése Félvezető detektor Annihilációs csúcs: 511 keV Természetes vonalszélesség+Doppler kiszélesedés Csúcs félértékszélessége ~ részecskék annihiláció előtti kinetikus energiája Vizsgálható: közeg elektronjainak impulzus-eloszlása Szögeloszlás mérés Az elve ugyanaz, mint a Doppler Koincidencia detektálás

PALS Pozitron annihilációs élettartam spektroszkópia 2. Spektroszkópiai módszerek Pozitron annihilációs élettartam spektroszkópia Leggyakrabban alkalmazott módszer Sugárforrás: Na 22-es izotópja Prompt foton: start Annihilációs foton: stop Spektrum: Konstans háttér Rövid élettartamú komponensek (p-Ps, szabad pozitron annihiáció) Hosszú élettartamú komponensek (o-Ps)

Pozitron pórusos rendszerben 3. Alkalmazások

Pozitron pórusos rendszerben 3. Alkalmazások „Pick-off” annihiláció a pórusfal egy elektonjával: Az annihiláció esélye arányos a pórusfallal való ütközés valószínűségével, ezáltal a Ps élettartama rövidül a pórusméret csökkenésével → 50 nm-nél kisebb pórusok méretének és méreteloszlásának meghatározása „Pick-off” annihiláció a pórust feltöltő anyag egy elektronjával: Adszorpciós és pórusfeltöltődési folyamatok tanulmányozása Kémiai reakcióval vagy spin átfordulással történő kioltódás e- akceptor vagy párosítatlan spinű e- jelenlétében: Felületi és katalitikus folyamatok vizsgálata

Pórusos anyagok vizsgálata 3. Alkalmazások Előny: Nem destruktív Bármilyen alakú, zárt pórusokba is behatol (5 μm) Ps élettartam – pórusméret összefüggés jól kalibrálható Alkalmazás: Gyakorlatilag bármilyen nano- és mikropórusos anyag pórusméret és pórusméret-eloszlásának meghatározására Különböző tényezők pórusméretre gyakorolt hatásának vizsgálata

Adszorpciós folyamatok 3. Alkalmazások N-heptán adszorpció mezopórusos szilika mátrixban A közepes élethosszú Ps-k élettartama ≈3,7ns, ami a folyékony heptánra jellemző I5 – magas I4 – közepes I3 - alacsony élethossz

Felületi hibahelyek Az e- sűrűség a hibahelyek felett kisebb 3. Alkalmazások Az e- sűrűség a hibahelyek felett kisebb A pozitron a hibahelyekben csapdázódik → élethossz nő míg az e- -ban dúsabb helyeken lecsökken Doppler kiszélesedés is csökken a hibahelyek hatására Alkalmazás: Fémek, ötvözetek, félvezetők, grafit felületek jellemzésére Hidrogén fiziszorpció tanulmányozása

PET Pozitron emissziós tomográf 3. Alkalmazások Pozitron emissziós tomográf Orvosi képalkotó diagnosztika (funkcionális képalkotás) F 18-as izotóp – 18 F-fluoro-dezoxi-glükóz Metabolizmus vizsgálata

Köszönjük a figyelmet!

Kérdések 1. o-Ps lehetséges kölcsönhatásai 2. Pórusos rendszerben mire alkalmazható a PAS? 3. Pozitron annihilációs spektroszkópia típusai