正电子湮灭

正电子湮灭

正电子湮灭仪

正电子湮没技术（PAT）是一项相对较新的核物理技术。它利用凝聚态物质中正电子

的湮没辐射来揭示物质的微观结构、电子动量分布和缺陷状态等信息，从而提供一种非破

坏性的研究方法，受到人们的青睐。目前正电子湮没技术已进入固体物理、半导体物理、

金属物理、原子物理、表面物理、超导物理、生物学、化学和医学等诸多领域。特别是在

材料科学研究中，正电子在微缺陷和相变研究中发挥着越来越重要的作用。

正电子湮灭技术的发展概况

正电子湮没是一种核技术，可以研究气体、液体和固体（晶体或非晶），因此研究领

域非常广泛。由于正电子主要与物质中的活跃电子相互作用，因此获得的信息能更好地反

映物质的电子结构和化学环境的变化。它提供了比光谱、质谱、核磁共振和电子自旋共振

更多的信息。该技术不仅需要亚纳秒电子技术，而且设备和数据处理简单，易于建立和掌握。

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。

正电子湮没技术的基本原理

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。

正电子可以通过B+衰变、核反应和电子直线加速器产生，也可以通过g射线和物质之间的相互作用产生。当g射线的能量是电子静能量的两倍以上时，它与物质的相互作用会

产生正负电子对效应。也就是说，当G光子经过原子核附近时，它们的能量被吸收并转化

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射线能量是通过原子核附近的电子静能量的两倍以上时，其能量被吸收并转化为

正负电子对。相反，当正负电子碰撞时，这两个粒子本身被湮灭并发射g光子。这个过程

是爱因斯坦质能转换的典型量子电动力学过程。

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=10c12s）。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20~300mm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1mm。

在不同的材料中，正电子的湮没机理和湮没寿命是不同的，这可以反映材料的微观结

构和电子密度。

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

22Na通常用作正电子源，源强度从几个微居里到几十个微居里。该测量设备类似于核光谱学中常用的符合系统，称为正电子寿命谱仪。图1中寿命谱仪的示意图是快速符合系

统的框图。光谱仪的时间分辨率一般为3×10-10s左右，最好为1.7×1010s

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

1.27mev的γ光子标志正电子的产生,并作为起始信号,511kev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)×10-10s范围内。双γ角关联方法

正电子源通常为64Cu、22Na和58co。测量时，将另一个探头相对于固定探头沿Z方

向旋转，测量重合计数率随角度的分布，从而得到电子在某一方向上的动量分布。这种方

法需要高精度的机械设备和强大的光源（几十毫居里点光源），典型的角度分辨率为

0.5mrad。在一些工作中，多探测器系统可以用来测量二维动量分布。多普勒展宽谱的测

量

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,514kev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。

在无损检测中，它可用于检测机械部件（如涡轮叶片和飞机起落架）的疲劳损伤，并

在小裂纹出现之前进行预测。在化学中，它可以用来研究有机化合物的化学反应，识别有

机化合物结构中的碳正离子，以及研究聚合物的微观结构。在生物学中，研究溶液中生物

大分子的结构。在医学上，正电子发射断层扫描可以获得人体心脏、大脑和其他器官的横

断面图像，研究它们的代谢过程，并对疾病进行早期诊断和肿瘤的早期发现。作为唯一的

轻子系统，电子二倍体是验证量子电动力学的理想系统。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，几乎所有能用Pat测量空位形成能的纯金属都已被测量，并开始进入薄合金

（低合金）中空位形成能的定量测定阶段。对于材料科学中的大多数问题，仍然缺乏定量

描述，新的可能的理论模型和实验结果仍在出现。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

研究晶体中的各种缺陷（色心）：晶体中的热缺陷随着晶体温度的变化而提问；各种

色心的存在、变换和聚集；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。Pat还可用于研究离子固体的相变和掺杂引起的组分缺陷半导体

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：研究聚合物的玻璃化转变；研究聚合物的相变；研究了

结晶聚合物的结晶度；研究聚合物化学成分的变化；研究聚合物的聚合过程和聚合度；研

究了G辐照对聚合物微观结构的影响；研究聚合物中的缺陷。Pat可用于液晶相变的研究。此外，它还可以研究石英、CaF2和冰等高质量分子晶体中的缺陷，以及玻璃材料的结晶和相变。