正电子湮灭.docx

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，它利用正电子在凝合物质中的湮没辐射带出物质内部的微观构造、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而供应一种非破坏性的探究手段而备受人们青睐此时此刻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、外表物理、超导物理、生物学、化学和医学诸多领域特殊是材料科学探究中，正电子对微观缺陷探究和相变探究正发挥着日益重大的作用正电子湮灭技术的开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〕都能进展探究，因而所探究的领域是很广的由于正电子主要跟物质中活泼的电子相互作用， 因而所得的情报更能反映物质的电子构造， 更能反映化学环境的改变，所供应的信息比光谱、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，其设备简洁，数据处理也简洁，因而较易建立和驾驭此谱法的缺点是，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究和建立规律的阶段，有待完善理论工作以指导应用。

正电子湮灭技术的根本原理一种探究物质微观构造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〕都一样正电子进入物质在短时间内快速慢化到热能区,同四周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年头以来对低能正电子同物质相互作用的探究，说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亲密关系随着亚纳秒核电子学技术、高辨别率角关联测量技术以及高能量辨别率半导体探测器的开展，可以对正电子的湮没特性进展精细的测量，从而使正电子湮没方法的探究和应用得到快速开展此时此刻，正电子湮没技术已成为一种探究物质微观构造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在威尔逊云室探究宇宙射线时发觉了正电子正电子是人类发觉的第一个反粒子 正电子可以由 b+ 衰变产生，也可由核反响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 光子经过原子核旁边时，其能量被汲取而转变为正负电子对 正电子是轻子，它只参加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〕均与电子一样 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旁边时，其能量被汲取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，其动能快速降到热能，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，在扩散过程中遇到电子发生湮没，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确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亲密相关，正电子在材料中的射程主要确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间在正电子试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一样，它能反映出材料的微观构造和电子密度等信息。

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依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放射单光子、双光子和三光子，但放射双光子的概率最大 试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辨别率一般为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光子标记正电子的产生,并作为起始信号,511 keV的湮没辐射γ光子标记正电子的“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合态物体中，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)，典型的角辨别率为0.5 mrad。

有些工作采纳多探测器系统可作两维动量分布的测量 测量多普勒增宽谱运用高能量辨别率Ge(Li)或高纯锗半导体探测器，测量湮没辐射的能谱能量辨别率可达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，获得数据快，适用于动态探究缺点是获得的数据粗糙，对湮没电子动量的辨别不如角关联试验好，典型状况下差四倍正电子湮没技术可用来探究物质微观构造及其改变在固体物理中应用最广泛可用来探究晶体缺陷〔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)的疲惫损伤,可在小裂缝出现之前作出预报在化学中可用于探究有机化合物的化学反响，鉴定有机物构造中的碳正离子，探究聚合物的微观构造等在生物学中，探究生物大分子在溶液中的构造医学上，用正电子放射断层扫描仪，可得到人的心脏、脑和其他器官的断面图像，探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觉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志向的体系 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觉和视察现象、改良试验技术、提出各种理论模型进展尝试性描述上，至今已跨入致力于物理过程定量或半定量理论与试验探究的阶段。

目前能够用PAT测量空位形成能的纯金属几乎都已测完，并起先进入了淡薄合金〔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试验结果仍在不断地涌现 金属及合金探究金属中的点缺陷：形变、疲惫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探究中的重要工具 离子固体 探究晶体中各种缺陷〔色心〕 ：晶体中的热缺陷随晶体温度的改变发问；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探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探究各种状况下半导体中空位型缺陷的产生、迁移、合并、消逝的过程PAT在半导体中的探究课题有以下几个方面：探究辐照效应；探究离子注入层中的损伤；探究硅氢键的性质；探究硅的激光退火过程 分子材料 PAT在聚合物探究中的应用：探究聚合物的玻璃态转变；探究聚合物的相变；探究晶态聚合物的结晶度；探究聚合物化学成份的改变；探究聚合物的聚合过程和聚合度；探究g辐照对聚合物微观构造的影响；探究聚合物中的缺陷。

PAT可以应用在液晶相变探究除了这些，它还可以探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 本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页。