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Methoden und Instrumentierung Vortrag: Do., 10:00–10:20 D-V26
Materialforschung mit energiereichen Schwerionen bei der GSI
Reinhard Neumann 1
1 Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Planckstr. 1, 64291 Darmstadt
Die GSI verfügt mit Hochladungsinjektor HLI, Linearbeschleuniger UNILAC und Schwerionensynchrotron
SIS über Großgeräte, mit denen sich Ionenstrahlen sämtlicher Elemente
des Periodensystems (am SIS in allen Ladungszuständen bis hin zu nacktem
Uran) erzeugen lassen. Die Energien betragen 1,4 MeV/u am HLI, etwa 4 bis 12 MeV/u
am UNILAC und ca. 50 MeV/u bis 1 GeV/u (für leichtere Ionen bis 2 GeV/u) am SIS.
Am Anfang der Präsentation steht eine kurze Darstellung der an diesen Beschleunigern
betriebenen Strahlplätze für Material- und Festkörper-Untersuchungen, sowie
der in-situ und in Laboren außerhalb der Strahlplätze vorhandenen Analysetechniken.
Es folgt dann ein Überblick der im GSI-Bereich Materialforschung in Kooperation
mit zahlreichen in- und ausländischen Partnern bearbeiteten Themenschwerpunkte:
(1) Ein breites grundlagenorientiertes Arbeitsgebiet betrifft Schwerionen-induzierte
Veränderungen wie Punktdefekte oder Phasenübergänge in Festkörpern, zum Beispiel
bei gleichzeitiger Anwendung von Druck oder tiefer Temperatur. So wurden erstmals
in einer Diamantstempelzelle unter hohem Druck befindliche Festkörper betrahlt, wobei
der SIS-Ionenstrahl aufgrund seiner hohen kinetischen Energie mehrere Millimeter
Diamant durchlief. Weitere Arbeitsgebiete sind sowohl grundlagen- als auch in erheblichem
Maß anwendungsorientiert: (2) Energiereiche Schwerionen erzeugen lange sog.
latente Spuren, durch deren Aufätzung Nanoporen entstehen. Durch Bestrahlung einer
Polymerfolie mit nur einem Schwerion erhält man auf diese Weise eine Einzelloch-
Membran, die zum Studium von Materialtransport wie z. B. biologischer Moleküle
besonders geeignet ist. (3) Materialabscheidung in solchen Kanälen ermöglicht auch
die Erzeugung von Nanodrähten, die je nach den verwendeten Abscheideparametern
poly- oder einkristallin sein können. Zu den an Nanodrähten untersuchten Eigenschaften
gehören elektrischer Widerstand, thermische Instabilität und mögliche, durch die
eingeschränkte Geometrie bewirkte Quanteneffekte. (4) Die Schwerionen-Mikrosonde
am UNILAC dient der Bestrahlung von Objekten, wie elektronische Schaltkreise oder
biologische Zellen. Diese Sonde zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, einzelne Schwerionen
einschließlich Uran auch bei maximaler UNILAC-Energie von 12 MeV/u mit
einer Präzision von ca. 0,5 Mikrometer zu plazieren. So werden u.a. in Zusammenarbeit
mit dem GSI-Bereich Biophysik einzelne Zellkerne in einer Zellkultur bestrahlt
mit anschließender Beobachtung, wie sich getroffene und nicht bestrahlte Zellen über
größere Zeitspannen verhalten.