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Nukleare Sonden
Unter nuklearen Sonden versteht man instabile, d.h. radioaktive Kerne und instabile Teilchen wie z.B. Myonen, die entweder in der zu untersuchenden Probe erzeugt oder in sie eingebracht werden, oftmals durch Implantation.

Der Nachweis der Sonden erfolgt über die Kernstrahlung (in aller Regel α-, β-, γ-Strahlung). Die Erzeugung dieser nuklearen Sonden erfordert Beschleuniger oder Reaktoren, die häufig den Status eines Großgerates haben. So werden z.B. im Fall der Neutronenaktivierung Neutronenquellen verwendet, deren primäre Aufgabe die Erzeugung von Neutronenstrahlen ist. Daneben sind einige nukleare Sonden kommerziell erhaltlich, speziell diejenigen, die auch in der Nuklearmedizin angewandt werden. Die Erzeugung von Myonen und von radioaktiven Ionenstrahlen erfolgt immer an einem Großgerat. Ein Teil der Forschung nutzt den radioaktiven Zerfall als empfindliche Nachweismethode aus wie z.B. Tracerdiffusionsuntersuchungen. Die "chemische Blindheit" von Photolumineszenz (PL) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) kann durch den Nachweis der Kernstrahlung "geheilt" werden. Hierher gehort auch die Kernreaktionsanalytik (NRA). Eine Sonderrolle spielt das Emissions-Channeling zur Gitterplatzlokalisierung. Die Methode der Positronenvernichtung und die Positronenmikroskopie wird ebenfalls zu den nuklearen Sondenverfahren gerechnet. Hier ist ein deutlicher Trend weg von der Verwendung radioaktiver Präparate als Positronenquellen im Labor hin zu Positronenquellen an Großforschungseinrichtungen (EPOS an ELBE am FZR, Forschungsreaktor München FRM II) zu verzeichnen.

Ein großer Teil der Forschung mit nuklearen Sonden befasst sich mit Hyperfeinwechselwirkungen. Dazu gehören die gestörte Winkelkorrelation (TDPAC), der Mössbauereffekt, die Kernorientierung (NO), die β-Kern- Magnetresonanz (β-NMR) und die Myon-Spinrotation (μSR).

Der große Erfolg der nuklearen Sonden beruht auf der Tatsache, dass Fremdatome in sehr geringen Konzentrationen, im Prinzip als isoliertes einzelnes Atom im Festkorper, untersucht werden können aufgrund des untergrundfreien Nachweises der von ihr ausgehenden Zerfallsstrahlung. Voraussetzung hierfür ist die Verfügbarkeit von radioaktiven Isotopen mit geeigneten Zerfallseigenschaften und Lebensdauern, aber ebenso die wohldefinierte, saubere Dotierung des Festkörpers mit diesen empfindlichen Sonden. Dabei stellt der Einsatz chemischer Methoden beim Einbringen der Sonden in den Festkörper, wie es bei kommerziell erhältlichen Isotopen meistens der Fall ist, für viele Untersuchungen, wie z.B. in Halbleitern, eine ungewollte Einschrankung bei der vollen Nutzung des Potenzials der nuklearen Sonden dar. Eine gewisse Abhilfe bietet hier die trägerfreie Implantation mit Hilfe von off-line Separatoren, jedoch ist die Zahl der adressierbaren Forschungsgebiete durch die beschränkte Zahl kommerziell erhaltlicher Isotope drastisch eingeschrankt. Einen wesentlichen Schritt vorwärts stellte die Verfügbarkeit von on-line Isotopenseparatoren dar, wie z.B. von ISOLDE. Hier stand zum ersten Mal ein radioaktiver Ionenstrahl (RIB = Radioactive Ion Beam) mit einer breiten Palette unterschiedlicher Isotope fur die Forschung mit nuklearen Sonden zur Verfügung, die einen wesentlichen Teil des Periodensystems der Elemente abdeckt. Dabei erlaubt die Verfügbarkeit hoch-intensiver radioaktiver Ionenstrahlen neben einer sauberen, untergrundfreien Dotierung die genaue Kontrolle der Anzahl sowie der lateralen und Tiefenverteilung der jeweils genutzten nuklearen Sonden im Festkörper. Ihre strukturellen, elektronischen und optischen Informationen gewinnen die nuklearen Sonden im Wesentlichen auf drei Wegen: Über die Hyperfeinwechelwirkung, den Nachweis der Intensitätsverteilung von Zerfallsstrahlung sowie über ihren Einsatz als radioaktive Tracer. Dabei gelang es, die Rolle der Sonden als hochempfindlicher "Tracer" von den ursprünglichen Anwendungen in Festkörperphysik und Medizin in substantieller Weise insbesondere für die Charakterisierung von Halbleitern zu erweitern, indem die nuklearen Sonden mit klassischen elektrischen und optischen Standardmethoden der Festkörperphysik verheiratet wurden.

Auf dem Gebiet der Forschung mit Myonen eröffnet die gerade erfolgende Entwicklung von niederenergetischen Myonenstrahlen den Zugang zu tiefenaufgelösten Untersuchungen magnetischer Eigenschaften in dünnen Filmen, Mehrschichtensystemen sowie oberflächennahen Bereichen.

Auf dem Gebiet der Forschung mit Positronen werden hochintensive, monoenergetische und zeitlich gepulste Positronenstrahlen an Reaktoren und Beschleunigern entwickelt, die einerseits zu einer deutlich verbesserten Zeitauflösung bei den Lebensdauermessungen führen werden und andererseits eine exzellente laterale Auflösung und Tiefenauflösung ermöglichen.
> Was ist Forschung mit nuklearen Sonden und Ionenstrahlen?
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