I gamla katodstråle-TV-apparater, en bild genereras när en elektronstråle exciterar en fosforskärm, får fosforn att stråla ut ljus. Nu i en ny studie, forskare har funnit att en stråle av positroner (positivt laddade antielektroner) som faller in på en fosforskärm producerar betydligt mer luminescens än en elektronstråle.

När forskarna började sin forskning, de förväntade sig att tillämpningarna i första hand skulle vara utilitaristiska:främst, att förstå skillnaderna mellan att använda positroner och elektroner när man utför experiment med fosforskärmar som positrondiagnostik. Dock, skillnaderna var mycket mer intressanta än de förväntade sig, vilket kan utöka de potentiella tillämpningarna till områden som att designa nya diagnostiska system samt lära sig mer om egenskaperna hos självlysande material.

Forskarna, E. V. Stenson, U. Hergenhahn, M. R. Stoneking, och T. Sunn Pedersen, vid Max Planck Institute for Plasma Physics, bland andra institut, har publicerat en artikel om deras jämförelse av positron- och elektronluminescens i ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev .

I deras experiment, forskarna jämförde luminescensen som exciteras av en positronstråle med den som exciteras av en elektronstråle för två olika fosforer (ZnS:Ag och ZnO:Zn). För båda fosforerna, de övergripande resultaten var likartade. När strålenergin ökade från noll, mängden positroninducerad luminescens steg snabbt, medan mängden elektroninducerad luminescens ökade mycket mer gradvis. Över en viss nivå av strålenergi, båda typerna av luminescens växte på ett linjärt sätt i ungefär samma takt. Så vid mycket höga strålenerginivåer, skillnaden mellan positron- och elektroninducerad luminescens blev försumbar.

Istället, den mest slående skillnaden inträffade vid de lägre strålenerginivåerna. Till exempel, för att producera samma mängd luminescens som produceras av en elektronstråle med flera tusen elektronvolt energi, en positronstråle krävde bara några tiotals elektronvolt (eV) för ZnS:Ag, och för ZnO:Zn, ännu mindre än 10 eV. Som forskarna förklarar, den enorma skillnaden uppstår från positronförintelse, vilket ger ett större antal exciterade tillstånd i fosformaterialen.

Eftersom positroner kan användas som ett verktyg för att lära sig om fosfor, och fosforer kan användas som ett verktyg för att lära sig om positroner, forskarna förväntar sig att resultaten kommer att vara intressanta för båda områdena.

"För forskare som tittar på positroner som inträffar på material, det är positronerna som är föremål för intresse, " berättade Stenson Phys.org . "I detta fall, en fosforskärm ses bara som ett verktyg för att lära sig om positronerna – till exempel, något så enkelt hur många av dem du har tillgängliga som ingredienser för att göra antiatomer eller materia-antimateriaplasma.

"För andra forskare, det är tvärtom, där positroner är ett verktyg för att lära sig om något material. Man kan göra detta, till exempel, genom att titta på hur lång tid det tar att förinta positroner med ett visst fast ämne eller vätska eller gas, i vilka vinklar sprider positroner från ett material, eller energispektrumet för elektroner som emitteras från ett material i vilket en positronstråle förintas."

På grund av den slående skillnaden mellan elektroner och positroner, resultaten erbjuder också ett nytt verktyg för att förstå egenskaperna hos luminiscerande material i allmänhet.

"Luminescerande material har en lång historia, har använts i decennier i saker som katodstrålerör, och de utvecklas fortfarande för en mängd nya applikationer, " Sa Stenson. "Luminescerande material har applikationer som sträcker sig från konsumentvaror (skärmar, efterglödningsmaterial) till specialiserade detektorer (gassensorer, scintillatorer) till nanopartiklar som används för cancerbehandling."

Stenson förklarade att trots att dessa material har en så lång historia, det finns fortfarande öppna frågor om viktiga aspekter av fysiken hos självlysande material. Dessa frågor inkluderar strukturen av luminescenscentra, excitations- och avslappningsvägarna för katodoluminescens, och ursprunget till den "döda spänningen" - det vill säga, varför elektroner med mindre än en keV eller två energi inte producerar detekterbar luminescens i många fosforer.

"Jag förväntar mig att ytterligare studier av positroninducerad luminescens (t.ex. att jämföra spektrumet av ljus som produceras av lågenergipositroner vs högenergipositroner vs högenergielektroner) kommer att vara ett värdefullt sätt att undersöka dessa öppna frågor, speciellt i kombination med andra metoder som redan används för att studera självlysande material, sa Stenson.

© 2018 Phys.org