Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS)

Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi (PALS), bir malzemenin iç yapısındaki boşlukları ve atomik kusurları incelemede kullanılan hassas bir yöntemdir. Yaklaşık yarım yüzyıldır kullanılan bu teknik, polimer, metal, alaşım ve yarıiletkenlerdeki atomik ölçekteki boşlukları araştırmak için en güçlü araçlardan biridir.

Pozitronun malzeme içindeki yaşam süresi (ömrü), çevresindeki elektron yoğunluğuna ve kusurlara bağlı olarak değişir. Bu nedenle, ölçülen ömür değerleri bize malzemenin mikroskopla dahi görülemeyecek kadar küçük yapısı hakkında bilgi verir. Özellikle amorf polimerlerdeki serbest hacim boşluklarını doğrudan belirlemede PALS, benzersiz bir yöntemdir.

---

Temel İlke: Doğuş ve Bitiş Sinyalleri

Bir PALS deneyinde, pozitronun doğuşu ve yok oluşu arasındaki zaman farkı ölçülür.

• Doğuş sinyali, pozitrondan hemen sonra yayılan gama ışınıdır.

• Bitiş sinyali ise pozitronun bir elektronla birleşip yok olduğu anda yayılan gama ışınıdır.

Bu iki sinyal arasındaki zaman farkı, pozitron ömrünü verir. Yani ölçülen her olay, malzeme içindeki bir pozitronun “yaşayıp yok olma süresidir”.

---

Deney Düzeneği

Tipik bir PALS sistemi üç ana bölümden oluşur:

1. Pozitron kaynağı (genellikle Sodyum-22 izotopu)

2. İki gama dedektörü

3. Zaman ölçüm elektroniği (fast-fast coincidence system)

Bu elektronik sistemde, CFDD (Constant Fraction Differential Discriminator), TAC (Time to Amplitude Converter), gecikme (delay) hatları ve çok kanallı analizör (MCA) bulunur.

Deneyde, poziton kaynağı iki numune arasına yerleştirilir ve genellikle ince metal folyoyla sarılarak bir “sandviç” yapılır. Bu sayede pozitronlar doğrudan malzeme içine nüfuz eder ve orada yok olur.

---

Dedektör ve Ölçüm Sistemi

Dedektörler genellikle karşılıklı yerleştirilir. Her dedektör bir sintilatör, bir fotoçoğaltıcı tüp (PMT) ve ilgili elektronik devrelerden oluşur.

• Sintilatör, gama ışınlarını görünür ışığa dönüştürür.

• PMT bu ışığı elektriğe çevirip güçlendirir.

• Elde edilen sinyal, enerjiye göre filtrelenir ve zaman işaretine dönüştürülür.

Enerji pencereleri dikkatlice ayarlanarak (örneğin 1.27 MeV ve 0.51 MeV’luk gama ışınlarına karşılık gelen bölgeler), doğuş ve bitiş sinyalleri birbirinden ayrılır. Bu sinyallerin arasındaki zaman farkı, TAC tarafından ölçülür ve MCA’da bir spektrum olarak kaydedilir.

Bir malzemenin ömür spektrumunu elde etmek için genellikle bir milyondan fazla yok olma olayı kaydedilir.

---

Matematiksel Tanım

Elde edilen sinyal zamanla değişen bir bozunma eğrisidir ve şu şekilde ifade edilir:

     B(t)=∑ Ii exp(−t/τi)​

Burada,

• τi: her bir ömür bileşeninin ortalama ömrü,

• Ii: o bileşenin yoğunluğu (yani olasılığı) anlamına gelir.

Bu bileşenler, malzeme içindeki farklı kusur tipleri veya elektron yoğunluklarına karşılık gelir.

---

Kullanılan Kaynak: Sodyum-22

PALS deneylerinde en sık kullanılan poziton kaynağı Sodyum-22 (²²Na)’dır. Bu izotop bozunurken bir pozitron ve hemen ardından 1.27 MeV enerjili bir gama ışını yayar:

     ²²Na → ²²Ne + e+ + ν + γ (1.27 MeV)

Pozitron, malzeme içindeki bir elektronla yok olduğunda ise 0.51 MeV enerjili iki gama ışını ortaya çıkar. Bu iki sinyal (1.27 MeV ve 0.51 MeV), ölçümdeki “başlangıç (doğuş)” ve “bitiş” işaretleridir.

 

---

Sintilatör ve Zaman Çözünürlüğü

Zaman çözünürlüğü, PALS sisteminin en kritik özelliklerinden biridir.

• Plastik sintilatörler çok hızlı tepki verir (yaklaşık 140 ps), fakat enerji çözünürlüğü düşüktür.

• Sezyum Florid (CsF) yüksek soğurma verimliliğine sahip olsa da zaman çözünürlüğü zayıftır (≈260 ps).

• Baryum Florid (BaF₂) ise yüksek sayım verimi ve hızlı zaman tepkisi sayesinde genellikle en iyi dengeyi sağlar.

İyi bir sistem düzenlemesiyle 180 ps’den daha iyi zaman çözünürlüğü elde edilebilir.

---

Özetle

Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi, malzemelerin atom ölçeğindeki gizli kusurlarını “pozitronların yaşam süresi” üzerinden anlamamızı sağlar.
Bir pozitronun doğduğu, yaşadığı ve yok olduğu zamanı ölçerek, malzeme içindeki boşluk boyutları, kusur yoğunluğu ve serbest hacim gibi parametreler belirlenebilir.

Bu nedenle PALS, hem malzeme bilimi, hem de nanoteknoloji, polimer fiziği ve biyomalzeme araştırmaları için vazgeçilmez bir karakterizasyon tekniğidir.