NMR-Studien an schwerioneninduzierten Strahlenschäden in Fluoridkristallen

Fokus der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von Strahlenschäden mittels ortsaufgelöster NMR Relaxometrie, welche durch weitere Methoden ergänzt wurde. Geschädigte BaF2, CaF2, MgF2 und schwerpunktmäßig LiF Kristalle wurden untersucht. Die typischerweise 1 mm dicken Proben waren zumeist am UNILAC Beschleuniger des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung mit Projektilenergien um die 10 MeV/u bestrahlt worden, woraus Eindringtiefen von Rund 100 µm resultierten. Somit war es möglich auch durch Sekundärstrahlung erzeugte Defekte jenseits der Ioneneindringtiefe in bis zu 2.5 mm Abstand zur Oberfläche zu untersuchen. Weitere Proben wurden mit dem Schwerionensynchrotron SIS18 bestrahlt. Durch Verwendung von Projektilen mit stark unterschiedlichem linearen Energieverlust, Variation der Fluenz über fünf Größenordnungen, sowie vergleichenden Messungen an einer mit Elektronen bestrahlten Probe konnten die Auswirkungen unterschiedlicher Defektverteilungen und Besonderheiten nach Schwerionenbeschuß beobachtet werden. Die Dispersion der Spin-Gitter Relaxation wurde über einen weiten, vier Größenordnungen umfassenden, Magnetfeldbereich durch systematische Feldzyklus NMR Messungen untersucht und begleitende Simulationen zur Interpretation der Daten durchgeführt. Das thermische Ausheilverhalten der gebildeten Defekte und die Bildung von paramagnetischen Verunreinigungskolloiden konnten ebenso ortsaufgelöst beobachtet werden. Ergänzende ESR Messungen wurde durchgeführt, um weitere Daten über das Ausheilverhalten der paramagnetischen Defekte und die Bildung metallischer Lithium Kolloide zu gewinnen. Oberhalb eines linearen Energieverlustes von 10 keV/nm konnte mit NMR Spektroskopie während der Bestrahlung gebildetes molekulares Fluor beobachtet und auch dessen Ausheilverhalten untersucht werden.

In this thesis spatially resolved NMR relaxometry, supplemented by other magnetic resonance techniques, was used to analyze radiation damage in BaF2, CaF2, MgF2 and mainly LiF crystals. Typically, 1 mm thick samples were irradiated at the UNILAC accelerator of the GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, resulting in a penetration depth of about 100 µm. Thus, it was possible to also examine defects caused by secondary radiation up to 2.5 mm beyond the projectile range. Additional samples were irradiated at the heavy ion synchrotron SIS18. By utilizing projectiles with different linear energy losses, fluences varied by 5 orders of magnitude and comparative experiments with an electron irradiated sample, the effects of different defect distributions and particularities of heavy ion irradiation could be examined. By systematic Field-Cycling NMR experiments the spin lattice relaxation rate dispersion could be observed over a magnetic field range varied by four orders of magnitude. Accompanying simulations could reproduce the data qualitatively. The thermal annealing behavior of the radiation induced defects and the formation of paramagnetic impurity colloids could be observed with spatially resolved NMR. Additional ESR spectra were recorded to collect further data about the annealing of paramagnetic defects and to observe the formation of metallic Lithium colloids. Above a linear energy loss of 10 keV/nm NMR spectroscopy was able to detect the presence of molecular fluorine, formed during irradiation. Its annealing behavior could be observed.