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Ortsaufgelöste NMR an schwerionenbestrahlten Kristallen

Stork, Holger :
Ortsaufgelöste NMR an schwerionenbestrahlten Kristallen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ortsaufgelöste NMR an schwerionenbestrahlten Kristallen
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wird NMR-Mikrobildgebung als neue Methode für die Untersuchung von schwerioneninduzierter Strahlenschäden in Kristallen eingeführt. Es wird ein Verfahren beschrieben, das es erlaubt Spin-Gitter Relaxationsratenprofile mit einer Ortsauflösung in der Größenordnung von 10 µm zu ermitteln. Wesentlich für den Erfolg dieser experimentellen Methode sind ein optimiertes Samplingschema, die Detektion des Signals direkt vom FID (Free Induction Decay) und die Verwendung von speziell entwickelten, flachen Hochfrequenzspulen. Mikrobildgebungsexperimente wurden an Serien von Lithiumfluorid-Kristallen durchgeführt, die zuvor mit C-, Xe-, Pb- oder U-Projektilen bestrahlt wurden. Begleitend dazu wurden die Kristalle zudem mittels optischer Absorptionsspektroskopie und zum Teil auch mittels Elektronenspinresonanz (EPR) untersucht. Die Ionenreichweite betrug zwischen 70 und 250 µm und war damit geringer als die Dicke der Kristalle (0.4 - 2 mm). Spin-Gitter Relaxation in bestrahlten Lithiumfluorid-Kristallen ist im wesentlichen auf paramagnetische Relaxation an Farb- (F) Zentren zurückzuführen. In den Spin-Gitter Relaxationsratenprofilen von schwerionenbestrahltem Lithium- fluorid (und anderen Fluorid-Kristallen) lassen sich drei Bereiche unterscheiden: ein Bereich mit stark erhöhter Relaxationsrate, dessen Ausdehnung in etwa mit der Ionenreichweite übereinstimmt, ein Übergangsbereich, der vermutlich auf einen Bildgebungsartefakt zurückzuführen ist und ein dritter Bereich, der sich eindeutig außerhalb der Ionenreichweite befindet. Auch in diesem dritten Bereich ist die Relaxationsrate noch erhöht im Vergleich zu unbestrahltem Lithiumfluorid. Aufgrund der Form des Relaxationsratenprofils jenseits der Ionenreichweite wird Röntgenstrahlung, die bei der Bestrahlung durch Brems- und Anregungsprozesse entsteht, als Ursache für diesen Effekt vorgeschlagen. Die Untersuchungen an mit verschiedenen Ionen und Fluenzen bestrahlten Kristallen ergaben außerdem einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Dosis und der Spin-Gitter Relaxationsrate innerhalb de Ionenreichweite. Diese ist dort nur in einem mittleren Dosisbereich proportional zu der mittels optischer Absorptionsspektroskopie ermittelten F-Zentrenkonzentration. Bei hohen Dosen wächst die Spin-Gitter Relaxationsrate allerdings stärker als die F-Zentrenkonzentration. Dies könnte auf eine Verkürzung der elektronischen Spin-Gitter Relaxationszeiten bei hohen F-Zentrenkonzentrationen zurückzuführen sein. Bei kleinen Dosen nimmt die Spin-Gitter Relaxationsrate nur unterlinear mit fallender Dosis ab. Dies wird auf einen Cluster-Effekt zurückgeführt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this study NMR micro-imaging is introduced as a new method for the analysis of heavy-ion induced radiation damage in crystals. A method is described which allows to obtain spin-lattice relaxation rate profiles with a spatial resolution of the order of 10 µm. Essential for the success of this experimental method is an optimized sampling scheme, detecting the signal directly from FID (Free Induction Decay) and using specially developed flat RF coils. Micro-imaging experiments were performed on series of LiF-crystals irradiated with C-, Xe-, Pb- or U-projectiles. Additionally the crystals were investigated by means of optical absorption spectroscopy and partly also by electron spin resonance (EPR). The ion ranges were between 70 and 250 µm - less than the thicknesses of the crystals (0.4 - 2 mm). Spin-lattice relaxation in LiF-crystals can essentially be ascribed to relaxation at paramagnetic colour- (F) centres. In the spin-lattice relaxation rate profiles of heavy-ion irradiated LiF (and otherfluorid crystals) three zones can be distinguished: a zone with strongly enhanced relaxation rate with dimensions comparable to the ion range, a transition zone, probably due to an imaging artefact and a third zone located clearly beyond the ion range. Even in this third zone the relaxation rate is still enhanced compared to that of non-irradiated LiF. Due to the form of the relaxation rate profiles beyond the ion range, X-rays resulting from deceleration and exitation processes are proposed as mechanism for this effect. Moreover, investigations on crystals irradiated with different projectiles and fluences showed a clear dependence of the spin-lattice relaxation rate within the ion range on the ion dose. Only in an intermediate dose range the relaxation rate is proportional to the F-centre density determined by optical absorption spectroscopy. For high doses the relaxation rate grows faster than the F-centre concentration. This effect could be due to the decrease of electronic spin-lattice relaxation time with increasing F-centre concentration. At low doses the spin-lattice relaxation rate decreases only sub-linearly with dose. This is assigned to a cluster-effect.English
Uncontrolled Keywords: NMR, heavy-ions, F-center, microimaging
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
NMR, heavy-ions, F-center, microimagingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Condensed matter physics
Date Deposited: 12 May 2009 11:14
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13812
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Fujara, Prof. Dr. Franz and Vogel, Prof. Dr. Michael
Refereed: 27 April 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1381
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