Positronen-Lumineszenz überstrahlt die von Elektronen

Anonim

In alten Kathodenstrahl-Fernsehgeräten wird ein Bild erzeugt, wenn ein Elektronenstrahl einen Phosphorschirm anregt, wodurch der Phosphor Licht abstrahlt. Nun haben Forscher in einer neuen Studie herausgefunden, dass ein Positronenstrahl (positiv geladene Antielektronen), der auf einen Leuchtschirm einfällt, wesentlich mehr Lumineszenz erzeugt als ein Elektronenstrahl.

Als die Forscher mit ihren Forschungen begannen, erwarteten sie, dass die Anwendungen hauptsächlich utilitaristisch sein würden: hauptsächlich, um die Unterschiede zwischen der Verwendung von Positronen und Elektronen bei Experimenten mit Phosphorbildschirmen als Positronendiagnostik zu verstehen. Die Unterschiede waren jedoch viel interessanter als erwartet, was die potenziellen Anwendungen auf Bereiche wie die Entwicklung neuer Diagnosesysteme sowie mehr über die Eigenschaften von Lumineszenzmaterialien erweitern könnte.

Die Wissenschaftler E. V. Stenson, U. Hergenhahn, M. R. Stoneking und T. Sunn Pedersen vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik haben in einer aktuellen Ausgabe von Physical eine Arbeit über den Vergleich von Positronen- und Elektronenlumineszenz veröffentlicht Bewertungsbriefe.

In ihren Experimenten verglichen die Forscher die durch einen Positronenstrahl angeregte Lumineszenz mit der durch einen Elektronenstrahl angeregten Lumineszenz für zwei verschiedene Leuchtstoffe (ZnS: Ag und ZnO: Zn). Für beide Leuchtstoffe waren die Gesamtergebnisse ähnlich. Als die Strahlenergie von Null an zunahm, stieg die Menge der Positronen-induzierten Lumineszenz schnell an, während die Menge der Elektronen-induzierten Lumineszenz viel langsamer anstieg. Ab einem bestimmten Maß an Strahlenergie wuchsen beide Arten von Lumineszenz linear mit ungefähr der gleichen Rate. Bei sehr hohen Energien wurde der Unterschied zwischen positronen- und elektroneninduzierter Lumineszenz vernachlässigbar.

Der auffälligste Unterschied trat stattdessen bei den niedrigeren Strahlenergieniveaus auf. Um zum Beispiel die gleiche Menge an Lumineszenz zu erzeugen, die von einem Elektronenstrahl mit mehreren tausend Elektronenvolt Energie erzeugt wird, benötigt ein Positronenstrahl nur einige zehn Elektronenvolt (eV) für ZnS: Ag und für ZnO: Zn, sogar weniger als 10 eV. Wie die Forscher erklären, entsteht der große Unterschied aus der Positronenvernichtung, die eine größere Anzahl von angeregten Zuständen in den Phosphormaterialien erzeugt.

Da Positronen als Hilfsmittel zum Erlernen von Leuchtstoffen verwendet werden können und Leuchtstoffe als ein Werkzeug zum Erlernen von Positronen verwendet werden können, erwarten die Forscher, dass die Ergebnisse für beide Bereiche interessant sein werden.

"Für Forscher, die Positronen auf Materialien untersuchen, sind es die Positronen, die das Objekt von Interesse sind", sagte Stenson gegenüber Phys.org. "In diesem Fall wird ein Phosphorbildschirm nur als ein Werkzeug angesehen, um etwas über die Positronen zu lernen - zum Beispiel etwas so Einfaches, wie viele von ihnen Sie als Bestandteile für die Herstellung von Anti-Atomen oder Materie-Antimaterie-Plasmen zur Verfügung haben.

"Für andere Forscher ist es genau umgekehrt, wo Positronen ein Werkzeug sind, um etwas Material zu lernen. Man kann dies zum Beispiel tun, indem man untersucht, wie lange Positronen brauchen, um mit einem bestimmten Feststoff oder einer Flüssigkeit oder einem Gas zu vernichten. in welchem ​​Winkel Positronen von einem Material streuen, oder das Energiespektrum von Elektronen, die von einem Material emittiert werden, in dem ein Positronenstrahl vernichtet wird. "

Aufgrund des auffallenden Unterschieds zwischen Elektronen und Positronen bieten die Ergebnisse ein neues Werkzeug, um die Eigenschaften von Lumineszenzmaterialien im Allgemeinen zu verstehen.

"Lumineszierende Materialien haben eine lange Geschichte und werden seit Jahrzehnten in Sachen Kathodenstrahlröhren verwendet, und sie werden immer noch für eine Vielzahl neuer Anwendungen entwickelt", sagte Stenson. "Lumineszierende Materialien haben Anwendungen, die von Konsumgütern (Displays, Nachleuchtmaterialien) über spezialisierte Detektoren (Gassensoren, Szintillatoren) bis hin zu Nanopartikeln für die Krebsbehandlung reichen."

Stenson erklärte, dass trotz der langen Geschichte dieser Materialien noch offene Fragen zu wichtigen Aspekten der Physik von Leuchtstoffen offen sind. Diese Fragen umfassen die Struktur von Lumineszenzzentren, die Anregungs- und Relaxationswege für die Kathodolumineszenz und den Ursprung der "toten Spannung" - das heißt, warum Elektronen mit weniger als einem keV oder zwei keine nachweisbare Lumineszenz in vielen Leuchtstoffen erzeugen.

"Ich erwarte, dass weitere Studien der Positronen-induzierten Lumineszenz (zum Beispiel das Lichtspektrum von Positronen niedriger Energie gegenüber Positronen hoher Energie gegenüber Elektronen hoher Energie) ein wertvolles Mittel zur Untersuchung dieser offenen Fragen sein werden, vor allem in Kombination mit anderen Ansätzen, die bereits zur Untersuchung von Leuchtstoffen verwendet werden ", so Stenson.

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