2. Метод измерения доплеровского уширения с двумя детекторами (ddual)

Также существует схема с двумя полупроводниковыми детекторами с применением схемы совпадений. Применение же схемы совпадения позволяет существенно уменьшить фон, примерно на три порядка, а так же позволяет наблюдать высоко-импульсную часть спектра от аннигиляции позитронов с электронами глубоких оболочек. Анализ высоко-импульсной части спектра позволяет определять химический состав элементов в месте аннигиляции позитронов. Поэтому спектрометрия совпадающего доплеровского уширения аннигиляционной линии широко используется для идентификации дефектов в различных сплавах, а также для характеристики небольшого количества включений.

Обычная схема с одним детектором, которая рассматривает только один из аннигиляционных фотонов, искажается фоновыми событиями. Эта проблема особенно остро стоит в области энергий, где вклады электронов в импульс являются доминирующими. В 1977 Линн и соавт. добавил второй Ge (Li) детектор в спектрометр для наблюдения второго аннигиляционного фотона [11]. Это привело к улучшению соотношения пика и фона на два порядка величины и энергетическое разрешение. В результате, стало возможным наблюдать вклад остовных электронов. В последнее время этот метод был возрожден [12,13]. Было показано, что высокая часть импульса позитронно-электронной аннигиляции может быть использована для идентификации химических состава в месте аннигиляции позитронов [14,15]. Это основано на том, что связанные ядром электроны, владеющие высокими импульсами, сохраняют специфические свойства состава даже в твердом теле.

Два детекторы используются в паре и расположены коллинеарно с образцом. Оба аннигилирующих фотона измеряются. Пусть и энергии измеряемые детекторами 1 и 2.Сумма энергии , где - энергия связи электронов и позитронов в твердом теле. Разность энергий , где - компонента импульса позитронно-электронной пары в направлении детекторов. Оба фотоны обнаруживаются, и данные хранятся в двумерном массиве.

Рисунок 4. Спектрометр для анализа доплеровского уширения аннигиляционной линии с двумя детекторами.

Существенно схема не отличается от схемы с одним детектором. В ней помимо детектора, криостата и предусилителя, реализована схема совпадений (8).

3. Экспериментальное оборудование

   1. Источник позитронов

Имеются два способа получения позитронов: один заключается в использовании радиоактивных изотопов, а другой - в использовании -излучения с энергией квантов значительно больше 1 МэВ, которое вызывает рождение электронно-позитронных пар в веществе. Радионуклиды, наиболее часто использующиеся в исследованиях методами электрон-позитронной аннигиляции, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Изотоп	Период	Максимальная энергия полураспада позитронов, МэВ	Доля распадов,%
22Na	2,603 лет	0,504	90,50
44Ti	47,3 лет	1,467	98
48V	15,974 сут	0,696	50,7
55Co	17,54 ч	1,50	60
56Co	78,76 сут	0,421	1,03
57Ni	36 ч	0,85	50,01
58Co	0,79 сут	0,475	15,05
64Cu	12,703 ч	0,652	17,9
65Zn	243,9 сут	0,329	1,45
68Ge	288 лет	1,899	87,52
90Nb	14,6 ч	1,50	54

Позитроны, появившиеся в этих процессах, могут быть накоплены и затем использованы. В настоящее время позитроны получают в основном в результате распа­да радиоактивных изотопов с излучением ⁺-частиц. В методе ЭПА в качестве источника позитронов обычно используют радиоактив­ный изотоп ²²Na, который имеет следующую реакцию распада:

Рисунок 4. Схема распада Na²²

где - электронное нейтрино, а  - это квант электромагнитного излучения с энергией 1,274 МэВ, который излучает­ся почти одновременно с позитроном. Изотоп Na даёт относительно высокий выход позитронов (90,4%), имеет достаточно длинный период полураспада (2,62 года) и может быть легко изготовлен. Значительно реже используют изотопы ⁵⁸Со и ⁶⁴Сu из-за относительно короткого пе­риода полураспада. Позитроны из источника ²²Na имеют широкое энер­гетическое распределение с максимальной энергией 540 кэВ.

В принципе, облучение вещества частицами с такой энергией может генерировать радиационные дефекты типа френкелевских пар, однако доза облучения за время эксперимента в течение нескольких дней не превышает 10¹¹ см³, что примерно на шесть порядков ниже предела чувствительности позитронов к дефектам.

Недостатком позитронных радиоизотопных источников является их крайне плохая механическая прочность, которая связана с необходимостью применения сверхтонкой фольги для их упаковки. Это приводит к их применению только в лабораторных условиях обученными специалистами.