正电子湮灭

正电子湮灭仪

正电子湮没技术（Position Annihilation Technique，PAT），是一项较新的核物理技术，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段而备受人们青睐。现在正电子湮没技术已经进入固体物理、半导体物理、金属物理、原子物理、表面物理、超导物理、生物学、化学和医学诸多领域。特别是材料科学研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。

正电子湮灭技术的发展概况

正电子湮灭这种核技术对气体、液体和固体（结晶或无定形）都能进行研究，因而所研究的领域是很广的。由于正电子主要跟物质中活跃的电子相互作用， 因而所得的情报更能反映物质的电子结构， 更能反映化学环境的变化，所提供的信息比光谱、质谱、核磁共振和电子自旋共振等还多。这种技术除了要求亚毫微秒电子学技术外，其设备简单，数据处理也简单，因而较易建立和掌握。

此谱法的缺点是，各种物质的谱数据可能相类似，因而特征性差些。另外，至目前为止，这方面工作还是处在探索和建立规律的阶段，有待完善理论工作以指导应用。

正电子湮灭技术的基本原理

一种研究物质微观结构的方法。正电子是电子的反粒子,两者除电荷符号相反外,其他性质（静止质量、电荷的电量、自旋）都相同。正电子进入物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电子相遇而湮没,全部质量(对应的能量为2mec2)转变成电磁辐射──湮没γ光子。50年代以来对低能正电子同物质相互作用的研究，表明正电子湮没特性同媒质中正电子—电子系统的状态、媒质的电子密度和电子动量有密切关系。随着亚纳秒核电子学技术、高分辨率角关联测量技术以及高能量分辨率半导体探测器的发展，可以对正电子的湮没特性进行精细的测量，从而使正电子湮没方法的研究和应用得到迅速发展。现在，正电子湮没技术已成为一种研究物质微观结构的新手段。

正电子的性质

1928年Dirac在求解相对论性的电子运动的Dirac方程时预言正电子的存在，1932年Andersan在威尔逊云室研究宇宙射线时发现了正电子。正电子是人类发现的第一个反粒子。

正电子可以由 b+ 衰变产生，也可由核反应和电子直线加速器产生，还可以通过 g 射线与物质的相互作用产生。当 g 射线的能量大于电子静止能量的两倍时，它与物质的相互作用将产生正负电子对效应。即 g 光子经过原子核附近时，其能量被吸收而转变为正负电子对。

正电子是轻子，它只参与电磁相互作用。除开所带电荷的符号与电子相反之外，正电子的其它性质（包括质量、电荷的数量、自旋和磁矩）均与电子相同。 正电子湮没

当 g 射线能量大于两倍电子的静止能量经过原子核附近时，其能量被吸收而转换为正负电子对。反过来，正负电子相碰时，两粒子自身被湮灭而发出 g 光子，此过程是一典型的爱因斯坦质能转换的量子电动力学过程。

高能正电子进入物质后，通过与电子、原子或离子的非弹性散射损失能量，其动能迅速降到热能，这一过程称为热化，热化过程所需的时间很短（只需几个Ps，1Ps = 10–12 S）。热化后的正电子在物质中扩散，在扩散过程中碰到电子发生湮没，产生 g 光子。扩散过程的持续时间因材料的不同而异，主要由材料中的电子密度决定。正电子在材料中居留时间即正电子湮没寿命。正电子湮没寿命与物质中的电子密度密切相关，正电子在材料中的射程主要决定于热化阶段和材料的密度。在一般材料中，正电子射程约在20~300 mm间。在正电子实验中为了保证正电子在样品中湮没而不穿出，要求样品厚度约为1 mm。

在不同的材料中，正电子的湮没机制及湮没寿命各不相同，它能反映出材料的微观结构和电子密度等信息。

正电子湮没过程是一个量子电动力学的过程，它的理论分析需用量子电动力学的理论。根据量子电动力学理论及场论的分析可知，正负电子湮没时可以发射单光子、双光子和三光子，但发射双光子的概率最大。

实验方法

正电子寿命普方法

通常用22Na作正电子源,源强为几微居里到几十微居里。测量设备类似核能谱学中常用的符合系统，称之为正电子寿命谱仪，图1寿命谱仪示意图是快-快符合系统方框图。谱仪时间分辨率一般为3×10-10 s左右，最好的已达1.7×10 10 s。

22Na放射的正电子入射到测试样品中,同其中的电子发生湮没,放出γ射线。用1.27 MeV的γ光子标志正电子的产生,并作为起始信号,511 keV的湮没辐射γ光子标志正电子的“死亡”，并作为终止信号。两个信号之间的时间就是正电子的寿命。在凝聚态物体中，自由正电子湮没的平均寿命在( 1 ～ 5 )×10-10 s范围内。 双γ角关联方法

正电子源通常为64Cu、22Na、58Co, 测量时相对于固定探头以z方向为轴转动另一探头,测出符合计数率随角度的分布,就可以得到电子在某个方向上的动量分布。该方法要求高精度的机械设备和强源(几十毫居里的点源)，典型的角分辨率为0.5 mrad。有些工作采用多探测器系统可作两维动量分布的测量。 测量多普勒增宽谱

使用高能量分辨率Ge(Li)或高纯锗半导体探测器，测量湮没辐射的能谱。能量分辨率可达1keV（对85Sr,514 keV的γ射线）左右。这种方法的优点是只需用几微居里的弱源，获取数据快，适用于动态研究。缺点是获取的数据粗糙，对湮没电子动量的分辨不如角关联实验好，典型情况下差四倍。正电子湮没技术可用来研究物质微观结构及其变化。在固体物理中应用最广泛。可用来研究晶体缺陷（空位、位错和辐照损伤等），固体中的相变，金属有序－无序相变等。

在无损检验中可用来探测机械部件(如轮机叶片、飞机起落装置)的疲劳损伤,可在小裂缝出现之前作出预报。在化学中可用于研究有机化合物的化学反应，鉴定有机物结构中的碳正离子，研究聚合物的微观结构等。在生物学中，研究生物大分子在溶液中的结构。医学上，用正电子发射断层扫描仪，可得到人的心脏、脑和其他器官的断面图像，研究它们的新陈代谢过程，作出疾病的早期诊断及肿瘤的早期发现。电子偶素作为惟一的轻子体系，是验证量子电动力学的一个理想的体系。 应用

正电子湮没技术应用已有二十多年的历史。大量工作集中在发现和观察现象、改进实验技术、提出各种理论模型进行尝试性描述上，至今已跨入致力于物理过程定量或半定量理论与实验研究的阶段。

目前能够用PAT测量空位形成能的纯金属几乎都已测完，并开始进入了稀薄合金（低合金）中空位形成能定量测定的阶段。对于大多数材料科学中的问题来说，目前尚缺少定量的描述，而新的可能理论模型和实验结果仍在不断地涌现。 金属及合金研究

金属中的点缺陷：形变、疲劳及辐照等手段都能造成金属中产生大量的空位、空位团、位错等缺陷。PAT能够用来追踪这些缺陷的产生及退火回复过程，这将导致对缺陷浓度、种类、运动激活能、杂质—缺陷相互作用等问题的了解，从而成为金属物理及金属学研究中的重要工具。 离子固体

研究晶体中各种缺陷（色心） ：晶体中的热缺陷随晶体温度的变化发问；各种色心的存在、转换和聚集过程；掺杂对各种空位的影响；各种辐照对晶体缺陷的影响；晶体缺陷与塑性变形的关系。 还可以用PAT研究离子固体的相变和掺杂造成的组分缺陷 半导体

各种半导体材料中的空位型缺陷是可能的正电子捕获中心，因而可以用PAT研究各种情况下半导体中空位型缺陷的产生、迁移、合并、消失的过程。PAT在半导体中的研究课题有以下几个方面：研究辐照效应；研究离子注入层中的损伤；研究硅氢键的性质；研究硅的激光退火过程。 分子材料

PAT在聚合物研究中的应用：研究聚合物的玻璃态转变；研究聚合物的相变；研究晶态聚合物的结晶度；研究聚合物化学成份的变化；研究聚合物的聚合过程和聚合度；研究g辐照对聚合物微观结构的影响；研究聚合物中的缺陷。PAT可以应用在液晶相变研究。除了这些，它还可以研究高质量分子晶体如石英、CAF2和冰中的缺陷和玻璃态材料的晶化和相变。

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