Targetmaterialforschung

Das Herzstück eines jeden polarisierten Targets ist das Targetmaterial. Im Falle eines polarisierten Festkörpertarget handelt es sich hierbei um Substanzen, die je nach teilchenphysikalischem Experiment einen möglichst hohen Gehalt an Protonen oder Neutronen (bzw. Deuteronen) aufweisen. Neben diesem für die Qualität des Tragets wichtigen Parameter, dem so genannten »Dilutionfaktor« spielt die Möglichkeit, eine hohe Kernspinpolarisation in diesen Materialien zu erreichen, eine ebenso große Rolle.

Für den Prozess der dynamischen Nukleonpolarisation (DNP) ist es notwendig, in die von Natur aus diamagnetischen Stoffe »paramagnetische Zentren« zu implantieren. Je nach Material finden hierbei verschiedene Verfahren Anwendung. Die beiden wichtigsten Methoden sind erstens die Beimischung chemisch stabiler Radikale und zweitens die Bestrahlung der Substanzen mit ionisierender Strahlung.

Ersteres Verfahren bietet sich an, wenn die betreffende Substanz bei Raumtemperatur als Flüssigkeit vorliegt: Es wird eine bestimmte Menge eines Radikals mit geeigneten Lösungseigenschaften der Flüssigkeit zugegeben und die so »dotierte« Substanz anschließend z.B. durch Tropfen in flüssigen Stickstoff eingefroren.

In Fällen, in denen das Ursprungsmaterial bei Raumtemperatur im festen oder gasförmigen Zustand vorliegt, wird i.A. das Bestrahlungsverfahren angewendet: Das Material wird einer bestimmten Dosis ionisierender Strahlung ausgesetzt, die entweder von einem Beschleuniger oder von einem starken radioaktiven Präparat herrühren kann. Da die so entstehenden paramagnetischen Fehlordnungen leicht rekombinieren, muss das Material während der Bestrahlung aktiv gekühlt werden. Dies wird üblicherweise durch die Verwendung von speziellen Bestrahlungskryostaten sichergestellt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines geeigneten Targetmaterials ist die Intensität des im Experiment verwendeten Teilchenstrahls. Es muss sichergestellt sein, dass das zum Einsatz kommende Material seine Polarisationseigenschaften auch nach vielen Tagen der Bestrahlung nicht wesentlich verändert. Die »Strahlenresistenz« oder auch »Strahlenhärte« des jeweiligen Materials ist hierbei der entscheidende Parameter. Während die vielfach verwendeten, chemisch dotierten Alkohole für intensive Teilchenstrahlen nur wenig geeignet sind, sind es im Wesentlichen die strahlendotierten Materialien wie Ammoniak und die Lithiumwasserstoffe, die hierbei zum Einsatz kommen.

Die Arbeitsgruppen »Polarisiertes Target« der Universitäten Bonn und Bochum besitzen eine lange Tradition in der Erforschung und Präparation neuer polarisierbarer Targetmaterialien. Diese Entwicklung nahm mit der Einführung des deuterierten Ammoniaks in den 1980er Jahren ihren Anfang und erreichte mit den Entwicklungen des Lithiumdeuterids für das COMPASS-Experiment am CERN einerseits und der Trityl-dotierten deuterierten Alkohole andererseits ihren vorläufigen Höhepunkt.

Ein aktuelles Projekt auf diesem Gebiet befasst sich mit der Präparation von strahlendotiertem Ammoniak für den Datennahme-Run 2010 des COMPASS-Experiments.

NMR-Systeme zur Polarisationsmessung

Um die Polarisation von Festkörpertargets zu messen, wird die Methode der kernmagnetischen Resonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) verwendet. Diese ist die einzige Möglichkeit, die Polarisation unter Laborbedingungen zu messen. Vorteile sind u.A. die Möglichkeit einer quasi-simultanen Messung verschiedener Kernspezies sowie die Tatsache, dass die Methode zerstörungsfrei arbeitet.

Das Prinzip der NMR ist das folgende: Ein Spinsystem mit Spin s spaltet in einem externen Magnetfeld in 2s+1 Energieniveaus auf (Zeeman-Aufspaltung). Für ein Proton beträgt der Spin s=1/2, für ein Deuteron s=1.

Bei Anwesenheit eines Hochfrequenzfeldes mit magnetischer Komponente senkrecht zum externen Magnetfeld werden Übergänge zwischen den Kern-Zeeman-Niveaus induziert, wenn die Frequenz des verwendeten HF-Schwingkreises auf die Übergangsenergie zwischen den magnetischen Unterzuständen abgestimmt ist. Die für die Übergänge nötige Energiedifferenz wird – je nach Polarisationsrichtung – aus dem Schwingkreis entnommen oder in ihn hineingepumpt. Je größer die Besetzungszahldifferenz der beteiligten Niveaus ist, desto größer wird die gesamte Energiedifferenz und damit das Polarisationssignal.

Den absoluten Betrag der Polarisation gewinnt man nun aus dem Vergleich der Größe dieses Signals mit demjenigen, welches man unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen misst. Letzteres kann bei bekannter Temperatur und bekanntem Magnetfeld leicht berechnet werden.

In einem aktuellen Projekt der Arbeitsgruppe wird ein neues NMR-System aufgebaut, bei dem die gesamte Verstärkerelektronik des Hochfrequenzteils modular aufgebaut ist und leicht an die jeweiligen Versuchsbedingungen angepasst und bei Bedarf ausgetauscht werden kann.

ESR-Spektrometer in der Targetmaterialforschung

Eine der wichtigsten Untersuchungsmethoden zur Charakterisierung polarisierbarer Festkörpertargetmaterialien besteht in der Spektroskopie der in Ihnen erzeugten paramagnetischen Zentren. Insbesondere wenn diese Zentren als paramagnetische Fehlstellen durch Beschuss mit ionisierender Strahlung (→ Targetmaterialforschung) entstanden sind, sind Art und Menge a priori völlig unbekannt. Beide Fragen können mit Hilfe eines CW (continuous wave) ESR-Spektrometers geklärt werden:

Die Fehlstellenkonzentration misst man durch Vergleich mit Spektren aus Proben, deren Zentrenkonzentrationen bekannt sind. Hierbei bieten sich insbesondere chemisch dotierte Materialien als Vergleichsproben an, da deren Gehalt an paramagnetischen Zentren leicht aus der verwendeten Menge des zugesetzten Radikals berechnen werden kann.

Die Bestimmung der Strukturen der radiolytisch erzeugten paramagnetischen Fehlordnungen ist zwar deutlich schwieriger durchzuführen, gelingt aber dennoch in den meisten Fällen durch das Studium der Resonanzlinienformen. In ihnen bilden sich sowohl die Hyperfeinstrukturwechselwirkung des betreffenden Elektrons mit den umliegenden Kernen ab, als auch die Richtungsabhängigkeit des g-Faktors in Bezug auf das äußere Magnetfeld (g-Faktor-Anisotropie). Letztere Wechselwirkung gibt einen Einblick in die Bindung, die das Elektron mit dem Molekülrumpf des Targetmaterials eingeht.

In manchen Fällen ist es auch möglich, mit Hilfe von CW-ESR-Spektrometern Aussagen über die Relaxationszeiten der ungepaarten Elektronen zu erhalten. Hierbei werden so genannte Sättigungskurven gefahren und die gemessenen Breiten der Spektren mit Modellrechnungen verglichen. Um den für den Prozess der dynamischen Nukleonpolarisation wichtigen Parameter der longitudinalen elektronischen Relaxationszeit aber unter realen Bedingungen messen zu können, müssen deutlich verfeinerte Methoden angewandt werden. Hierfür bieten sich gepulste ESR-Spektrometer mit Magnetfeldern jenseits von 2 T an. Eine andere Möglichkeit besteht in der zeitaufgelösten Analyse der NMR-Spektren der jeweiligen Proben nach einer Sättigung ihrer ESR-Linie. Diese Experimente müssen in einer vollständigen Targetapparatur inklusive eines 3He/4He-Mischkryostaten stattfinden.