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Materialforschung mit Positronen ist eine anerkannte Spezialrichtung der Halleschen Physik. In Kooperation zwischen dem Großforschungszentrum Rossendorf und dem Interdisziplinären Zentrum für Materialwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg befindet sich eine hochintensive Positronenquelle im Aufbau. Nach Fertigstellung wird das Labor als ein europäisches Kompetenzzentrum für Materialforschung mit Positronen auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Die weitere Entwicklung der Materialwissenschaften gehört zu den erklärten Schwerpunkten der Forschungskonzeption der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. In diesem Kontext wurde im Vorjahr mit der Errichtung eines weit über die Grenzen des Landes Sachsen-Anhalt hinaus wirksamen Kompetenzzentrums für Material- und Werkstoff-Forschung mit hochintensiven Positronenstrahlen begonnen. Dieses Vorhaben ordnet sich ein in die Aktivitäten des Interdisziplinären Zentrums für Materialwissenschaften der Universität zum Studium nanostrukturierter Materialien. Die Martin-Luther-Universität hat dazu einen Kooperations- und Nutzungsvertrag mit dem Forschungszentrum Rossendorf e.V., einer Institution der Leibniz-Gemeinschaft, zur Errichtung eines externen Forschungslaboratoriums abgeschlossen.

Materialforschung mit Positronen

Die Nachfrage nach analytischen Methoden mit einer Auflösung bis zu einem millionstel Millimeter wächst infolge der zunehmenden Miniaturisierung in allen Bereichen der Materialwissenschaften. Untersuchungen mit Positronen haben sich in den letzten Jahren zu einer unverzichtbaren Methode der Materialcharakterisierung entwickelt. Das Positron ist dabei ein Elementarteilchen, das exakt einem Elektron entspricht, mit dem Unterschied einer entgegengesetzten elektrischen Ladung. Beim Aufeinandertreffen von negativ geladenen Elektronen der Materie mit den Positronen kommt es zur Zerstrahlung (Annihilation), also zur Bildung von Gammastrahlen, der Umwandlung von Masse in Energie.
Aus diesem Vorgang können in sehr empfindlicher Weise spezifische Informationen über den inneren Aufbau von Festkörpern entnommen werden. Dafür werden die Positronen bspw. aus einer radioaktiven Quelle in den zu untersuchenden Werkstoff implantiert. Dort überleben sie noch eine kurze Zeit, in der sie sich frei durch das Material bewegen. Treffen sie dabei auf Defekte im Material (Fehlstellen im Kristallgitter, Versetzungen, Nanoporen, usw.), so können sie für den Rest ihrer Lebensdauer dort lokalisiert werden. Dabei ändern sich die von außen messbaren Annihilationsparameter, wie u. a. die Positronenlebensdauer. Damit können diese Defekte in Größe, Zahl und ihren chemischen Eigenschaften untersucht werden.
Die Positronentechnik kann für die Charakterisierung eines breiten Spektrums technologisch relevanter Werkstoffe verwendet werden, wie z.B. Halbleiter, Metalle, Polymere und Keramiken. Mit dieser Methode lassen sich insbesondere atomar kleine Defekte, wie bspw. Leerstellen untersuchen (fehlendes Atom im Kristallgitter), deren Struktur und Konzentration in vielen Fällen die Materialeigenschaften und Bauelementefunktionen wesentlich bestimmen. Wegen ihrer geringen Größe sind solche Defekte nur selten mikroskopischen Methoden zugänglich.

Das EPOS-System am Forschungszentrum Rossendorf

Das Hauptproblem bei einem Positronen-Laborsystem, wie es auch am Fachbereich Physik der Martin-Luther-Universität existiert, ist die geringe Intensität der verwendeten radioaktiven Positronenquelle, die zu langen Messzeiten führt. Es ist deshalb geplant, an der neuen Strahlungsquelle ELBE (Elektronen-Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillianz und niedriger Emittanz) im Forschungszentrum Rossendorf eine neuartige, intensive Positronenquelle aufzubauen. Sie trägt den Namen "EPOS" (ELBE POsitron Source). Der primäre hochenergetische Elektronenstrahl von ELBE (40 MeV, 40 kW) ist gepulst und hat dabei eine einmalige Zeitstruktur superkurzer, intensiver Elektronenimpulse. Diese werden in einem Wolfram-Target durch den Effekt der Paarbildung in Elektron-Positron-Paare verwandelt. Man erreicht auf diese Weise eine um drei Größenordnungen höhere Intensität der Positronenquelle im Vergleich zu konventionellen Systemen. Die Positronen werden moderiert, d.h. abgebremst und als monoenergetischer, gepulster Positronenstrahl in das Positronenlabor bei ELBE geführt, wo dann die Experimente mit Hilfe eines Multidetektor-Systems geplant sind. Dieses Detektorsystem wird als erstes System seiner Art an einer intensiven Positronenquelle vollständig digital funktionieren. Dadurch, und durch den Einsatz neuartiger Kurzzeitdetektoren, kann die Qualität der gewonnenen Spektren erheblich verbessert werden, wodurch eine bisher weltweit unerreichte Zeitauflösung bei gleichzeitig bester Stabilität erzielt werden kann.
Mit diesem Positronenlabor einer neuen Generation wird es möglich, Lösungen für vielfältige Probleme der Materialwissenschaften aufzuzeigen. Damit wird der entscheidende Baustein eines Kompetenzzentrums für Materialforschung mit Positronen am Interdisziplinären Zentrum für Materialwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg realisiert. Die innerhalb von drei Jahren neu zu schaffende Einrichtung stärkt die Forschungskompetenz des Landes Sachsen-Anhalt und fügt sich hervorragend in den erklärten Schwerpunkt Materialwissenschaften ein. Das EPOS-Projekt wird die Vernetzung von Forschung, Lehre und Kooperation mit der Wirtschaft nachhaltig verbessern. So erhalten Studenten und Nachwuchswissenschaftler aus Sachsen-Anhalt die Möglichkeit, Forschung auf höchstem Niveau in einem Großforschungszentrum durchzuführen. Durch die bearbeiteten materialwissenschaftlichen Probleme werden sie zwanglos in laufende Industriekooperationen einbezogen. Das geplante Kompetenzzentrum soll nach seiner Inbetriebnahme internationalen Kollaborationen offen stehen. Eine große Zahl von Wissenschaftlern aus vielen europäischen Ländern hat bereits jetzt ihre Bereitschaft erklärt, zum wissenschaftlichen Erfolg des Projekts beizutragen.

Das Foto zeigt den Leiter der ELBE-Strahlenquelle des Forschungszentrums Rossendorf Dr. Peter Michel (links) und Dr. Gerhard Brauer (Mitautor) vor der Strahlerzeugungsanlage von ELBE.
Foto: FZR-Archiv

Schema des EPOS-Labors. Der gepulste ELBE-Primärstrahl trifft (im ELBE-Raum Cave 111b) auf einen Wolfram-Konverter, wo durch Paarbildung Positronen erzeugt werden. Diese werden in einem Moderator abgebremst und über Extraktionslinsen zu einem gepulsten Strahl monoenergetischer Positronen geformt, der ins Positronenlabor geführt wird. Hier sorgt ein System von Pulsformern und Pulsbündeler (Chopper, Buncher) für beste Zeitauflösung und geringen Messuntergrund. Die Positronen werden schließlich kurz vor der Probe definiert beschleunigt, wodurch tiefenabhängige Messungen an den unterschiedlichsten Werkstoffen möglich werden. Der beim Umwandlungsprozess von Elektronen in Positronen nicht verbrauchte ELBE-Primärstrahl wird in einem Strahlfänger (Beam Dump) aufgefangen.