正电子湮没原理_lx-1
正电子与电子湮灭过程的研究
正电子与电子湮灭过程的研究正电子与电子湮灭是一种重要的物理过程，对于科学研究和技术应用有着重要的意义。
在这篇文章中，我们将探讨正电子与电子湮灭的起源、研究方法以及其在材料科学、医学和能源领域的应用。
正电子与电子湮灭是粒子物理学中的基本过程之一。
正电子是一种带有正电荷的电子，它是电子的反粒子。
当一个正电子与一个电子相遇时，它们会发生湮灭过程，产生一对γ光子。
这一过程的能量守恒关系为E=2mc^2，其中m是电子的质量，c是光速。
要研究正电子与电子湮灭过程，有多种方法可供使用。
其中最常用的方法是利用正电子发射断层成像（PET）技术。
PET技术通过注射携带正电子的放射性同位素到人体内，获得人体组织内正电子的分布信息。
正电子与周围的电子相遇后发生湮灭，产生的γ光子通过PET仪器探测和记录下来，从而重建出人体内正电子的分布图像。
通过研究正电子与电子湮灭过程，我们可以了解到许多有关物质性质和反应机制的信息。
例如，在材料科学中，正电子与电子湮灭可以揭示材料中缺陷的性质和位置。
通过测量湮灭光子的能量和角度分布，研究人员可以确定材料中存在的缺陷类型（如空位、氧空位等）以及其空间分布。
这对于材料设计和制备具有重要的指导作用。
在医学领域，PET技术已经广泛应用于肿瘤诊断和治疗。
正电子与电子湮灭过程的理论和实验研究，为PET技术提供了坚实的基础。
通过注射携带正电子放射性同位素的药物，PET技术可以提供肿瘤的代谢活性、组织凝集度和血液灌注等信息，为肿瘤的早期诊断和治疗提供了重要的依据。
除了材料科学和医学，正电子与电子湮灭过程还在能源领域得到了广泛应用。
例如，正电子湮灭技术可以用于研究新型电池材料中的电荷传输机制，帮助优化电池的性能。
此外，正电子与电子湮灭的能量守恒关系可以提供关于核能源的重要信息，为核能的研究和应用提供支持。
总的来说，正电子与电子湮灭过程的研究对于科学研究和技术应用有着重要的意义。
通过研究正电子与电子湮灭过程，我们可以了解到许多有关物质性质和反应机制的信息，并将其应用于材料科学、医学和能源领域。
正电子湮没实验方法_lx-1
正电子湮没技术
• 正电子源
• 源的活度由所研究的课题及实验装置决定
• 角关联测量：不考虑辐射损伤，活度从毫居到居
• 寿命测量：源活度是最大允许偶然符合率的函数
• 偶然符合指来自不同核事件的1.27MeV和0.51MeV光子 间发生的
•
源活度A
=
允许的偶然符合率 所研究的时间区间∗真符合率
• 例：时间区间为100ns，允许偶然符合率与真事件符合 率之比为0.01，则源活度应为105Bq。
• 能量变化的大小与电子动量有关。所以从湮没γ 能谱的测量可以获得介质中电子动量分布信息。
正电子湮没技术
• 3.多普勒展宽测量
• 装置
• 用高能量分辨本领的固体探测器可以探测正电子 湮没辐射的多普勒展宽；
• 高纯锗探测器测到的湮没信号经逐步放大后输入 多道分析器MCA，得到湮没辐射的能谱。
主放大器
• 1.正电子寿命测量
• 3）恒比定时甄别器(CFD)或恒比微分甄别器 (CFDD): 产生定时信号控制时幅转换TAC。
• 恒比定时甄别器(CFD)：用于快--慢符合系统的快 通道，是为了克服光电倍增管输出脉冲的噪声和 波形涨落引起的时间误差(晃动)，和输出脉冲上 升时间、幅度不一致引起的时间游动(时移)对脉 冲前沿定时的影响。
正电子湮没技术
• 3.多普勒展宽测量
• 优点：
• 多普勒展宽谱仪的计数率比角关联系统大近一百 倍，测量时间短，一般用5μCi的源测量1小时就 足以满足统计精度，试验成本低。
• 缺点：
• 此系统的分辨率不够高。目前Ge探测器最好的能 量分辨在511KeV处为1keV，相当于4mrad的等效角 分辨率，这比角关联装置的分辨率大约差一个数 量级；
正电子湮没技术原理及应用
因为 ｅ 激发态的寿命仅 ３ｐ（ ｓ ０ Ｎ ｓ １ ：１ ｐ ｓ， ）所以 １２ ｅ ｙ射线 出现的时刻可视为是与 ．８Ｍ Ｖ 粒 子 同 时产 生 的事 件 ， １２ Ｍｅ Ｔ射 线 出 现 即 ．８ Ｖ 的时刻可看作正电子的起始 时刻—— 粒子 。 ． 的能谱是连续 的， 如 衰变后的子核 处于基态 ， 则 能谱 的最 大能量 Ｅ Ａ 放射性母核放 Ｅ（ 出的能 量 ）
正 电 子 湮 没 技 术 （ ｏｉｏ Ａ ｎｈｌｉ Ｐｓｒｎ ｎｉｉｔｎ ｔ ａｏ ＴｃｎｑｅＰ Ｔ 是 － ｆ把核 物理 和 核技 术 应 用 于 ｅｈｉｕ—Ａ ） － ｊ
材料科 学 、 物理 、 学 、 化 生物 、 医学 、 文 等领域 ， 天 本 文仅就 正 电子湮 没技术 在材 料科 学 研究 中 的一些
Ｐｒｎ ｉ ｌ ｓａ ｐ ｉａ ｉｎｓｏ ｓｔ ｏ ｎ ｈｉａ ｉｎ ｅ ｈ ｑ ｉ ｃｐ ｅ ｎｄ ａ ｐｌｃ ｔｏ ｆｐｏ ｉｒ ｎ ａ ｎｉ ｌ ｔｏ ｔ ｃ ｎｉ ｕｅ
Ｃ ＨＡＯ Ｙｕ —ｈ ｎ ｅ ｓ ｅ ｇ，Ｚ ＨＡＮ Ｙ ｎ ｈ ｉ Ｇ ａ — ｕ
（ ｃ ｏｌ ｆ ｃｅｃ ，Ｎ ｒ ｅｓ ｒ ｎｖｒｉ ，Ｓ ｅｙｎ １０ ４ ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ Ｓｉ ｅ ｏｔ ａｔ Ｕ ｉ ｓｙ ｈｎ ａｇ１０ ０ ，Ｃ ｉａ ｎ ｈ ｅ ｎ ｅ ｔ
的电子密度 、 电子动量密度有关的问题 ， 原则上都 可以用正电子湮没的方法进行研究． 第二 ， 它所研 究的样品一般不需要特殊制备 ， 其制样方法简便
易行 ． 另外 ， 电子湮 没技 术对 材料 中原 子尺 度 的 正 缺陷 和各种 相 变非 常灵 敏 ． 今 正 电子湮 没技 术 如 作 为一 种新 型 的应 用 核 分 析 技 术 ， 已广泛 应 用 于
材料表征手段之一：正电子湮没的应用技术
材料中的杂质和缺陷能级
主要影响（光学、电学、磁学） 原因：周期性势场受到破坏、在禁带中进入新 的能级 杂质分类： 占据位置：间隙式、替代式
导电性质：施主、受主
缺陷分类：点缺陷、线缺陷、面缺陷
点缺陷
• 弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，
退火环境对ZnO薄膜中缺陷的影响
SLnoael > SLair950 > SLoxy850 ≈SLoxy1000， SL = fbSb + fdSd , fd+fb= 1, Sd>Sb fdnoael > fdair950 > fdoxy850≈fdoxy1000，fdnoael、fdair950、fdoxy850、 fdoxy1000分别表示在没有退火样品、空气中950oC退火、 氧气中850oC退火、氧气中1000oC退火后ZnO薄膜中缺
结构、光学、 电学性能
缺陷
透
电
卢
射
子
瑟
电
顺
福
子
磁
背
显
共
散
微
振
射
镜
深 能 级 顺 发 谱
霍
光
正
尔Leabharlann 致电效发
子
应
光
湮
谱
没
谱
内 容 提 要：
• 一: 正电子湮没谱技术
寿命谱技术 多普勒展宽技术
慢正电子湮没技术
• 二: 研究结果
一:正电子湮没谱学
➢晶体 ➢纳米材料 ➢金属 ➢聚合物材料
陷处正电子的湮没份额。
ZnO薄膜在在空气和氧气中退火后的光致发光谱
量子点
正电子湮没技术
正电子湮没技术什么是正电子湮没技术？正电子湮没技术是一种用于研究材料结构和性质的重要实验手段，它利用正电子（也称作反电子）与电子相遇并湮灭的现象，通过观察湮没产生的γ射线和湮没产物的运动信息，来获取有关材料的相关信息。
正电子湮没的基本原理正电子是带有正电荷的电子，它与电子相遇后会发生湮灭现象。
在湮灭过程中，正电子和电子的质量全部转换为能量，直接以γ射线的形式释放出来。
正电子湮没技术利用γ射线的特性，通过测量γ射线的能谱和湮没产物的动量信息，来研究材料的物理和化学性质。
正电子湮没技术的应用正电子湮没技术在材料科学和物理学的研究中有着广泛的应用。
材料表面和界面研究正电子湮没技术可以用来研究材料的表面和界面性质。
通过测量湮没产生的γ射线能谱和湮没产物的动量信息，可以确定材料表面的电子态密度和表面缺陷的分布情况。
这对于了解材料的物理和化学性质，以及表面缺陷对材料性能的影响具有重要的意义。
密封材料研究正电子湮没技术可以用来研究密封材料的性能。
密封材料在各种工程应用中起着关键的作用，因此了解其性能和结构非常重要。
正电子湮没技术可以通过测量材料中正电子的湮没行为，来获取关于材料母体结构和密封性能的信息。
纳米材料研究正电子湮没技术在纳米材料研究中有着重要的应用。
纳米材料具有独特的物理和化学性质，其性能受到尺寸效应和界面效应的影响。
正电子湮没技术可以用来研究纳米材料的电子态密度分布、表面缺陷、界面结构等相关信息，进而揭示纳米材料的特殊性质和性能。
正电子湮没实验的步骤正电子湮没实验通常包括以下几个步骤：1.正电子产生：通过激光或者放射性同位素的衰变，产生正电子。
2.正电子注入材料：将产生的正电子注入到待研究的材料中。
3.正电子湮没：正电子与材料中的电子相遇并湮灭，在湮灭过程中产生γ射线。
4.γ射线测量：通过γ射线探测器测量湮没产生的γ射线的能谱。
5.动量分辨：通过动量分辨设备测量湮没产物的动量信息。
6.数据分析：对测量到的能谱和动量信息进行分析，提取材料的相关性质。
正电子湮没分析技术
2
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（2）正电子的性质
正电子总是和普通电子成对产生，只是在磁场中弯向不同的方向。 正电子与普通电子具有相同的静止质量和自旋，所带的电荷和电子 的电量相等；不同之处在于电荷是正的，且具有正的磁矩。 正电子比较罕见，只在某些宇宙射线中，或γ射线轰击过程中，或 不稳定同位素的原子核衰变时才会出现；而普通电子较容易发现，在一 切原子的原子核外都可发现。 按照能量高低可以分为： 高能正电子 （ > 2 MeV） 低能正电子 （ < 2 MeV，用于正电子湮没技术）
工业催化剂表征
正电子湮没分析技术
主讲教师：李永峰
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概述
（1）正电子的发现历程
1930年英国物理学家 P.A.M.Dirac 从理论上提出电子有两种，一种 是带负电荷的电子，一种是带正电荷的电子，即首次预言了正电子的存 在。 1932年美国物理学家 C.D.Anderson 首先在宇宙射线中发现正电 子。 1933年英国物理学家 P.A.M.Dirac 获得Nobelprize。 1933年 C.D.Anderson 进一步用γ射线轰击的方法产生了正电子。 1936年美国物理学家 C.D.Anderson 也获得Nobelprize。
对于理想单一结构的试样，该寿命谱是一支单指数曲线，正电子 湮没平均寿命就是试样的本征寿命。 但对于复杂结构的试样，正电子湮没平均寿命是各个结构所贡献 寿命的权重叠加。目前解谱程序只能给出3-4个寿命。
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应用于检测金属内部缺陷
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正电子湮没谱的类型
正电子湮没寿命谱 正电子湮没多普勒能谱展宽 双γ湮没辐射角分布
第二章：正电子湮没谱学
• 图2.1
22 11
Na
的衰变图
第二章：正电子湮没谱学 2、正电子湮没谱学的基本原理 2．2 正电子源
• 正电子源可为固态、液态或气态，大都使使用固 态。
• 固态使用时一般又有三种方式：
• 第一种方式是把所制备的放射性同位素(如22NaCl) 水溶液滴在一片极薄[每乎方厘米几毫克重]而致密 的膜(也称衬底—substrate)上，如镍箔、Mylar膜 等，蒸发干燥后，再覆盖同样的薄膜，四周封接， 成为夹心(sandwiched)源。测量时把两片试样夹 于源的两侧。它的优点是更换试样方便，不玷污 试样，缺点是正电子湮没谱线中有源的衬底膜成 分的贡献；
第二章：正电子湮没谱学 2、正电子湮没谱学的基本原理 2．3正电子湮没过程
• 其湮没截面比是：
3 2
1 137
1 2
4
• 此处
1
137
是精细结构常数。
第二章：正电子湮没谱学 2、正电子湮没谱学的基本原理 2．3正电子湮没过程
• 正电子湮没过程中的主要事件是双光子辐 射。文献中绝大部分工作均采用双辐射的 正电子湮没。本文的以下介绍除特别指出 外，全部指的双辐射的正电子湮没。
第二章：正电子湮没谱学 2、正电子湮没谱学的基本原理 2．3正电子湮没过程
• 正电子与电子的湮没辐射是一个相对论过 程，遵循电荷、自旋、能量、动量守恒和 选择定则，一个正电子进入介质后，通过 与离子、电子的非弹性散射等相互作用， 在极短的时间内就几乎失去其全部动能， 成为与分子热运动相平衡的热化正电子 (thermolized positron)，然后以T量级的动 能在介质中扩散、迁移，直到与一个电子 相遇而湮没辐射出光子。
第二章：正电子湮没谱学 2、正电子湮没谱学的基本原理 2．2 正电子源
正电子湮没技术[1]
![正电子湮没技术[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/9531af06fd0a79563d1e72aa.png)
见”的电子密度越低，则其寿命越长。
正电子湮没技术[1]
湮没对的动量守恒
v 正电子和电子的湮没特性不仅与介质中电子 浓度有关，还和电子动量分布有关。
v 湮没对的动能一般为几个eV。在它们的质心 坐标系中，光子的能量精确地为0.511MeV，
式子右边都是由实验 可测量的量，因此可 求出值。
正电子湮没技术[1]
捕获率与缺陷浓度C的关系
v 通常从物理上认为，缺陷对正电子的捕获率 正比于缺陷浓度C，即有：
v 式中为单位浓度的缺陷对正电子的捕获率， 即比捕获率，它对于某一定材料中的某种缺 陷在一定条件下可看作常数。
v 由实验数据计算得出的值的变化可反映样品 中缺陷浓度的变化。
v 其中vL是湮没对质心的纵向速度，等于PL/2m0，由 于光子能量正比于它的频率，可以得到能量为m0c2 时，其多普勒能移为：
v 湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以 测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研 究物质微观结构的变化。
正电子湮没技术[1]
的存在 v 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态 v 1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产生 v 1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps) v 1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的Ore模型 v 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在 v 1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中正电子湮没的复杂谱 v 1956年R. A. Ferrell提出在固体和液体中形成Ps的改进后的Ore模型；广
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。
正电子湮没技术基本原理
正电子湮没技术基本原理2.1前言在20世纪30年代发现了正电子，40年代起人们把它应用于固体物理研究，60年代末又将它广泛应用于材料科学，80年代又把它应用于表层和表面研究。
正电子湮没谱学实验技术主要有三种：多普勒能谱、寿命谱和角关联（其装置分别简称为多普勒仪、寿命谱仪和角关联装置）。
PAT之所以能得到迅速的发展是由于它具有许多独特的优点：（1）PAT研究是样品中原子尺度缺陷，这些缺少原子的缺陷在X衍射、电镜中研究颇为困难。
（2）PAT对样品的温度几乎是没有限制，如可以跨越材料的熔点或凝固点，而信息又是通过贯穿能力很强的γ射线携带出来的，因此易于对样品作高低温的动态原位测量，即一面升降温一面测量，或在测量时施加电场、真空、磁场、高气压等特殊环境。
（3）它对样品材料种类没有什么限制，可以是固、液或气，可以是金属、半导体、高分子或绝缘体，可以是多、单晶、液晶或非晶等，总而言之，凡是与材料电子密度及电子的动量有关的问题，理论上都可用PAT来研究。
（4)室温测量下的PAT的制样方法简便易行，仪器也不太复杂，使它容易得到推广。
2.2正电子和正电子湮没2.2.1物理量上表列出了正电子与电子的一些物理属性。
2.2.2正电子湮没正电子遇到物质中的电子时会发生湮没，这时正电子、电子的质量全都转变为γ光子的能量，湮没时主要发射2个γ光子，称为2γ湮没或双光子湮没。
对于实验室，用的最多是放射性同位素源，而其中最广泛使用的是Na 22，Na 22相对于其他正电子源有几个优点：①其半衰期长达2.6a ；②正电子产率高达90%；③在发射正电子的同时，还会伴随发射一个能量约为1.28MeV 的γ光子。
它的衰变方程为：ν++→+*+e Ne Na 2222 （1） )28.1(2222MeV Ne Ne γ+→* （2） 第（1）个方程衰变后的几个皮秒内，第（2）方程便衰变了。
一般从放射源发射出的正电子能量大约在几百千电子伏特到几兆电子伏特之间，正电子进入物质后，大约在s 1210-量级内动量降至kT 量级（室温下约为0.025eV ）。
核分析原理及技术第七章
基于北京正负电子 对撞机的强流慢正 电子束流装置
§3. 应用
一、空位形成焓的测定
平衡空位浓度CvT
、S、H等参数T
热平衡态下的空位浓度
Cv A exp(Hv / kT )
正电子湮没参数在整个温 度范围内是S形变化
Hv 空位形成焓 k是波尔兹曼常数 T是温度 A为常数
根据捕获模型有
A
大动量部分，小动量部 分 。
n(0)越大，说明缺陷密 度越大。
一维角关联的双重积分导致 ( P) 的许多细微信 息损失，因而发展了二维角关联。
N ( Py , Pz ) P( P )dPx
三、多普勒增宽谱测量
采用 能谱分析仪，探头为Ge(Li)
设探头法线方向是PL的方向上，沿PL方向的 光子 能量为h ，反方向为h’
空位型缺陷与沉积条件的关系
Pa = 420 mtorr ▲Ts = 760º C; □, Ts = 730º C
Ts = 730º C, ▲ Pa = 250 mtorr □, Pa = 420 mtorr
相同空气分压，衬底温度越 高，正电子平均寿命越小
相同衬底温度，空气分压越 高，正电子平均寿命越大
x y x y 0
在 ~+d d
dN() Pz ~ Pz + dPz之间的电子态数
纯金属中，导电电子可以看成是自由电子气，具有 球形费米面。
Pz ~ Pz + dPz之间的体积为
N N ( )d
(PF 2 PZ2 )dPz
t t
S (t ) I1e I 2e 2 1、2是两个表观谱成分的寿命；I1、I2是两个 表观谱成分的相对强度。 如果忽略掉逃逸的正电子（无逃逸）可推导出：
正电子湮没技术[1]
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正电子湮没技术[1]
空位型晶体缺陷
❖ 空位型缺陷包括： 空位 刃型位错 空位团 微孔洞等。
空位
正电子湮没技术[1]
刃位错点阵示意图
正电子湮没技术[1]
堆垛层错缺陷
正电子湮没技术[1]
晶粒间界
正电子湮没技术[1]
缺陷的表示符号
v 点缺陷名称：空位缺陷用V，杂质缺陷则用该杂 质的元素符号表示，电子缺陷用e表示，空穴缺陷 用h表示。
正电子湮没技术[1]
正电子素
v 在气体、液体和某些固体介质中，正电子能 够束缚一个电子而形成一种短寿命的原子即 正电子素(Positronium，简写为Ps)。
v 可以认为Ps是一种最轻的原子，因为其原子 量只有氢原子的1/920。
v Ps的结构类似于氢，其原子半径约为氢的两 倍，而结合能只有氢原子的二分之一。
v 其中vL是湮没对质心的纵向速度，等于PL/2m0，由 于光子能量正比于它的频率，可以得到能量为m0c2 时，其多普勒能移为：
v 湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以 测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研 究物质微观结构的变化。
正电子湮没技术[1]
式子右边都是由实验 可测量的量，因此可 求出值。
正电子湮没技术[1]
捕获率与缺陷浓度C的关系
v 通常从物理上认为，缺陷对正电子的捕获率 正比于缺陷浓度C，即有：
v 式中为单位浓度的缺陷对正电子的捕获率， 即比捕获率，它对于某一定材料中的某种缺 陷在一定条件下可看作常数。
v 由实验数据计算得出的值的变化可反映样品 中缺陷浓度的变化。
v 在固体中，只有在原子或分子间较宽阔的材 料如聚合物中，或在某些金属的表面才有可 能形成Ps。
正电子湮没
正电子湮没技术基本原理陈志权自从1930年由英国物理学家P. Dirac从理论上预言了正电子的存在，以及1932年美国物理学家C.D. Anderson在宇宙射线中发现了正电子的存在以后[1]，正电子湮没谱学(Positron Annihilation Spectroscopy，PAS)首先在固体物理中得到了应用，并在六十年代后期得到了飞速发展。
它已在材料科学，特别是缺陷研究和相变研究中发挥了重大的作用。
正电子是电子的反粒子，除所带电荷与电子相等，符号相反之外，其它特性均与电子相同。
正电子进入物质后遇到电子会发生湮没，同时放射两个或三个湮没γ光子。
用核谱学方法探测这些湮没辐射光子，可以得到有关物质微观结构的信息[2]。
利用正电子湮没谱学研究材料具有许多优点。
它提供了一种非破坏性的探测手段，因为信息是由穿透材料湮没辐射所带出的。
它不需要特殊的样品制备。
另外，在某些应用中，它还可以做原位研究，如在升温过程中的化学反应动力学过程等等。
实验证明，正电子湮没谱学是研究金属、半导体、高温超导体、高聚物等材料中的微观结构、电荷密度分布、电子动量密度分布极为灵敏的工具[3-4]。
一、正电子在固体中的热化、扩散和捕获现象常规正电子源通常是具有β+衰变的放射性同位素，如22Na、64Cu等。
从放射源中发射出来的正电子(E<1MeV)进入固体材料后，首先将在约1ps内通过与物质中原子的各种非弹性散射作用（如电子电离、等离子体激发、正电子--电子碰撞、正电子--声子相互作用等元激发过程）迅速损失能量并慢化至热能(∼0.025eV)[5]。
其在材料中的深度分布近似满足下面的指数关系[6-7]:式中ρ为固体的密度，E max为入射正电子的最大能量。
对于最常用的正电子源22Na，其E max=0.545MeV，因此正电子在固体中的注入深度约为100µm左右，所以由正电子湮没所得到的是材料的体态信息。
热化后的正电子将在体内作扩散运动，其扩散长度为∼100nm，在扩散过程中如果遇到电子会与之发生湮没，放出两个或三个γ光子。
正电子湮灭
正电子湮灭技术正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique-PAT)是一门把核物理和核技术应用于固体物理与材料科学研究的新技术，近20多年来该技术得到了迅速发展。
正电子湮没技术包括多种实验方法，其中最常用的主要有3种，即正电子湮没寿命谱测量、2γ湮没角关联和湮没能量的Doppler展宽。
简言之，正电子湮没技术是通过入射正电子与材料中电子结合湮没来反映材料中微结构状态与缺陷信息的。
与其他现代研究方法相比，正电子湮没技术具有许多独特的优点。
首先，它对样品的种类几乎没有什么限制，可以是金属、半导体，或是绝缘体、化合物、高分子材料；可以是单晶、多晶、纳米晶、非晶态或液晶，只要是与材料的电子密度、电子动量密度有关的问题，原则上都可以用正电子湮没的方法进行研究。
第二，它所研究的样品一般不需要特殊制备，其制样方法简便易行。
另外，正电子湮没技术对材料中原子尺度的缺陷和各种相变非常灵敏。
如今正电子湮没技术作为一种新型的应用核分析技术，已广泛应用于材料科学、物理、化学、生物、医学、天文等领域，本文仅就正电子湮没技术在测试领域研究中的一些基本应用(原理)作一介绍。
正电子湮没无损测试技术是一种研究物质微观结构的方法，一种先进的材料微观结构－自由体积的探测和表征技术，可用于固体物理晶体缺陷与材料相结构与相结构转变的研究，目前已成为一种研究物质微观结构、缺陷、疲劳等的新技术与手段。
检测实施过程中，放射源作用材料时会产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点，这种正电子可以被纳米大小的缺陷吸引而与电子相撞击。
在正负电子撞击过程中，两种质点湮没，从而放出一种伽玛射线。
伽玛射线能谱显示出一种清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。
显然，这些特征可以标识最早阶段的损伤，即裂纹尚未出现的损伤；同时可以在不分解产品的情况下定量地评估其剩余寿命，笔者对该技术的原理及其应用进行了介绍。
正电子湮没无损测试所采用的正电子源最初来自于放射源的β＋源，通过放射源的作用在材料中产生正电子。
核物理实验-正电子湮没实验报告
正电子湮没寿命测量实验报告姓名：***学号：*************专业：********************正电子在物质中湮没寿命的测量1930年Dirac预言了正电子的存在，Anderson于1932年在宇宙射线中发现了正电子，揭开了研究物质与反物质的序幕，正电子素的发现加深了对正电子物理的研究，也形成了一门独立的课题正电子淹没谱学。
正电子淹没技术是研究材料的微观结构，物质内部的电子动量分布的重要手段,尤其慢正电子在研究材料的表面特性方面具有重要意义。
在无损检测微观缺损，缺陷浓度，位形，物质相变过程，材料的辐照效应方面具有广泛应用。
由于测量设备简单，灵敏度较高，这种技术正成为固体物理,金属物理,半导体物理,非晶态物理,表面物理等领域的新型探测手段,并有着广阔的发展前途。
本实验就是通过测量正电子在样品中的湮没寿命，获得与样品结构相关的一些信息。
实验目的1、了解正电子湮没寿命测量的基本原理以及正电子在物质中湮灭的物理过程；2、掌握利用符合法测量正电子寿命方法3、了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法；4、初步掌握使用计算机解谱的数学方法实验仪器1、22Na、60Co放射性源各一个2、样品（2片）3、BaF2闪烁体光电倍增管探测器（2个）4、高压电源5、恒比微分甄别器CFD（2个）6、时符转换器TAC7、快符合电路8、门及延迟发生器9、多道分析器和PC实验原理1.正电子在物质中的湮没寿命正电于是电子的反粒子，除电荷和磁矩符号不同外，其它特性与电子相同。
当正电子与电子相遇时发生“湮没”，它们全部质量对应的能量为2m0c2以电磁辐射能的形式发射出来。
湮没过程的绝大多数是发射两个能量相等(51lkeV)，方向相反的γ光子，如图1所示。
发射单个光子或三个光子的湮没过程的几率极小（根据计算发射两个光子与三个光子的湮没几率之比为372∶1）。
湮没过程中发射的γ光子，通常称为湮没辐射。
金属氢化物的正电子湮没研究
金属氢化物的正电子湮没研究近年来，金属氢化物正电子湮没一直受到科学家们的极大关注，因为它不仅是重要的物理化学问题，而且还涉及到宇宙中的众多逸品。
正电子湮没是金属氢化物的一种重要特性，其中电子束分子可以被完全湮没，而湮没的能量将释放出来，从而影响金属氢化物的性质。
这种现象都是出现在大量催化反应中，所以研究金属氢化物正电子湮没非常重要。
正电子湮没是指金属氢化物中电子被完全湮没到集质子层中，释放出湮没能量的过程。
电子在氢原子核中湮没时，形成中空的团簇，由于团簇结构，金属氢化物的性质会有所变化，如热力学性质、电学性质、光学性质等。
如果能控制正电子湮没过程，就可以实现金属氢化物的调控。
正电子湮没对金属氢化物的性质具有重要作用，因此，研究金属氢化物正电子湮没可以为金属氢材料及研究相关催化反应提供重要技术支持。
近年来，科学家们通过改变电子自旋和多样的内核环境来控制正电子湮没，改变金属氢材料的性质。
令人激动的是，科学家们发现，金属氢化物的正电子湮没速率随着多样的内核环境的改变而发生显著的变化。
此外，科学家们还在研究金属氢化物的正电子湮没中，电子跃迁能改变金属氢化物的结构和性质。
电子跃迁是指在金属氢化物中，电子由低能量态移动到高能量态发生的过程，因此，金属氢化物的结构和性质会有所变化。
科学家们发现，电子跃迁的速率直接影响金属氢化物的性质，从而提高催化效果。
最后，金属氢化物正电子湮没在许多反应过程中起着重要作用，研究金属氢化物正电子湮没确实是一项重要的任务。
因此，研究者们应该努力探索金属氢化物正电子湮没的机理，以更好地控制金属氢化物的性质，并取得更大的成功。
综上，金属氢化物正电子湮没一直受到科学家们的极大关注，它涉及到重要的物理化学问题，也参与了宇宙中的众多逸品的分解。
正电子湮没是金属氢化物的一种重要特性，是指金属氢化物中电子被完全湮没到集质子层中，释放出湮没能量的过程。
电子跃迁也是影响金属氢化物的结构和性质的重要因素，研究者们应该努力探索金属氢化物正电子湮没的机理，以获得良好的控制效果。
核效应分析正电子湮没技术
Energy conserved: E g h E E ( m e c 2 K ) ( m E e c 2 K ) E
Minimum photon energy (hνmin) is when K E 0K E
hmi n2m ec21.02 Me(aV gamma ray)
验粒子。
湮灭信息反映物质中电子的动量分布。发生湮灭时，正电子
已被充分热化，能量为 0.01eV 量级，但物质中电子的能量为
几个 eV 量级。因此，在实验室坐标系统中，电子对的动量值
(实际为电子的动量，正电子动量几乎为零) 不等于零，湮灭
后产生的两个γ光子的运动方向，将会偏离其共直线。
由动量守恒定律有(θ P湮灭对的动量
核效应分析正电子湮没技术
正电子的基本物理特性
正电子是电子的反粒子。又称阳电子，，一般用符号e+表 示。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。
正电子的来源（ Source of positron ） ➢ 放射性核素的正β+ 衰变 ➢ 宇宙射线中的正电子
22Na
❖ 正电子与物质相互作用，对于电子非常敏感，可用来研究物 质结构方面的问题，如空位、空位团、位错以及微空洞和多 种色心等原子尺度范围的缺陷。
❖ 由于慢正电子的入射动能很低，这项技术可用来研究固体纯 真表面的电子态和结构缺陷，已成为表面物理学的一种重要 研究手段。
❖ 医生们应用放射性正电子同位素，对药物作用于人体的过程 予以示踪，一旦药物到达某一器官，探测湮灭产生的两条γ 射线就能准确地被查出。
正电子湮没的实验方法： 1) 正电子湮没寿命谱； 2) 正电子湮没辐射角关联谱； 3) 多普勒展宽谱； 4) 慢正电子束技术。
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正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用过程：热化— 扩散—湮没
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 热化：正电子(几百keV)在几个ps内与物质中 原子发生各种非弹性碰撞，损失能量并慢化 至热能(0.01eV)。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 扩散：热化后的正电子将在体内作扩散运动， 扩散长度~100nm。
0 r02c / v
• v:正电子相对于电子的速度，r0:电子经典半径。
• 正电子湮没率：自由正电子在其运动速度v远
小于光速c时，单位时间发生2γ湮没的几率。
r02cne
• ne是正电子所在处的电子密度。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 寿命：将湮没率 正电子素
• 是否形成正电子素的判据2：测量双光子湮没 与三光子湮没之比。[比值低于372,存在Ps]
• 三重态正电子素O-Ps是单态正电子素P-Ps的三倍； • 正电子素内，正电子所遇到的电子影响主要来自
它的伙伴； • 所以，正电子素中，双光子湮没与三光子湮没之
比为0.33。与非束缚态的正电子湮没很不相同 （双光子湮没与三光子湮没之比为372）。
• 猝灭的三种主要形式：
• 转换 • 拾取 • 化学反应
正电子湮没技术
• 正电子素
• 转换猝灭
• O-Ps与电子不成对的分子相碰撞，交换了一个自 旋相反的电子的结果。
• 相当于原来的O-Ps转换成了P-Ps。 • 引起转换猝灭的分子如NO，NO2，O2等，均含有不
成对的电子。
正电子湮没技术
• 正电子素
测到正电子的存在。狄拉克获得了诺贝尔奖。 安德森进一步用γ射线轰击的方法产生了正电 子。 • 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束 缚态。
正电子湮没技术
• 发展史
• 1936年安德森因发现正电子得了诺贝尔奖。 • 1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产
生。 • 1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps)。 • 1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的
正电子湮没技术
• 正电子素
• 是否形成正电子素的判据3：测量湮没光子能 谱。
• 当三光子湮没发生时，会发射小于0.511MeV的光 子，与自由湮没相比较，存在较多的0.2-0.4MeV 的光子，相较之下0.511MeV的光子较少。
• 事实上，材料中正电子湮没可来自束缚态的电子， 也可来自自由态的电子，造成的湮没能谱是混合 的。
正电子湮没技术
• 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。
• 普通电子较容易发现，在一切原子的原子核 外都可发现。
• 正电子比较罕见，可以由β+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γ射线与物质的相互作用产生。
正电子湮没技术
• 正电子寿 命反比于ne，就是说正电子所“看
见”的电子密度越低，则其寿命越长。 • 通过测量就能直接求出正电子湮灭时它所在
处物质的电子密度ne，因此，正电子能够用 作检验介质中电子密度的一种检验粒子。
正电子湮没技术
• 正电子素
• 在气体、液体和某些固体介质中，正电子能 够束缚一个电子而形成一种短寿命的原子即 正电子素(Positronium，简写为Ps)。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 正电子湮没——2γ湮没
• 若正电子与电子的自旋是反平行，则它们在湮没 时发射两个方向相反的γ光子。
• 若湮没时湮没对静止，则根据能量守恒与动量守
恒可知，两个光子将沿180相反方向射出，每个
光子的能量为：
E0
m0 c 2
1 2
EB
• 式中m0电子静止质量，c为光速，EB是正电子-电子之间 的束缚能，一般只有eV数量级，与m0c2这一项相比很小， 通常略去不计。计算得E0约等于511keV。
Ore模型。 • 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的
存在。
正电子湮没技术
• 发展史
• 1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中 正电子湮没的复杂谱。
• 1956年R. A. Ferrell提出在固体和液体中形成Ps 的改进后的Ore模型；广泛研究了正电子在固体 中的湮没。
• 1974年O. E. Mogensen提出Ps的激励团模型 (Spur Model)。
• 1974年S. L.Varghese和E. S. Ensberq，V. W. He和I. Lindqre从n=1用光激发而形成n=2的Ps。
• 1975年K. F. Canter，A. P. MiLLs和S. Berko观 测了Ps拉曼-α辐射和n=2的精细结构。
• 正电子
• 高速运动的正电子贯穿物质时，与物质原子 中的核外电子和原子核碰撞而损失能量慢化， 慢化了的正电子遇电子发生湮没，或者形成 正电子素后湮没。这对粒子消失，它们的质 量完全转化为电磁辐射能。这种转化是反粒 子的基本性质。
• 按照能量高低分类：
• 高能正电子 (>2MeV) • 低能正电子 (<2MeV，用于正电子湮没技术)
正电子湮没技术
• 正电子素
• 要构成正电子素，正电子要有一定的阈能， 使它可以从周围环境中抓到电子；但若正电 子能量过高，又会发生破裂。
• 在固体中，只有在原子或分子间较宽阔的材 料如聚合物[分子材料]中，或在某些金属的 表面才有可能形成Ps。
正电子湮没技术
• 正电子素
• 实际发现，O-Ps的寿命大大小于140ns的本征 寿命而通常只有1-10ns，这是因为猝灭。
正电子湮没技术原理
成都理工大学 马英杰
正电子湮没技术
• 概述
• 正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique，简称PAT)是一门六十年代迅速发展 起来的新学科。
• 通过测量正电子与材料中电子湮没时所发射出的 γ射线的角度、能量以及正电子与电子湮没前的 寿命，来研究材料的电子结构和缺陷结构。
• 正电子慢化过程与其周围的电子密度有关。
• 金属中：正电子慢化到热能，约需10-11s； • 离子晶体、无定形晶体、液体中：约需10-10s； • 气体中：正电子慢化到热能，约需10-7s。
正电子湮没技术
• 正电子素
• 随正电子与电子自旋取向的互相平行或反平 行，Ps形成两种态。
• 三重态正电子素(O-Ps，自旋相平行) • 单态正电子素(P-Ps，自旋反平行)
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 正电子湮没——3γ湮没
• 若正电子与电子的自旋是相互平行，则它们在湮 没时发射三个γ光子。
• 产生三个光子的湮没几率远小于产生两个光子的 湮没几率。双光子淹没几率和三光子淹没几率之 比为372:1。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 双光子产生截面[正电子湮没截面]
• 拾取猝灭
• Ps中束缚的正电子与“外界” 电子相碰时，同 “外界”电子发生湮没。
• O-Ps与其他分子或原子相碰撞时，可以拾起环境 中的自旋相反的电子以更快的速率湮没。
• 自由体积越大，拾取猝灭越不显著。 • 在固体和液体中，不成对的电子少，转换猝灭机
会少，拾取猝灭就显得重要。
正电子湮没技术
• 正电子素
• 是正电子和电子的亚稳态组合。 • 可以认为Ps是一种最轻的原子，因为其原子
量只有氢原子的1/920。 • Ps的结构类似于氢，其原子半径约为氢的两
倍，而结合能(6.8eV)只有氢原子的二分之一。
正电子湮没技术
• 正电子素
• Ps的构成并不是与正电子发射同时发生的， 仅在正电子慢化到能量约为10eV附近时才发 生。
• 制样方法简便，适应的材料广泛，通过γ射线带 出信息有利于现场测量特点，在固体物理、材料 科学及物理冶金和化学等领域得到了广泛的应用。
正电子湮没技术
• 发展史
• 1930年狄拉克从理论上预言正电子的存在； • 1932年安德森在宇宙射线中发现正电子的存
在； • 1933年布莱克特和Occhian Line从实验上观
• 化学猝灭
• Ps的氧化反应，使它成为自由电子，O-Ps寿命向 自由正电子寿命靠拢，也就造成了O-Ps寿命缩短。
• 这两种正电子素具有不同的宇称。由于湮没 过程属电磁相互作用应满足宇称守恒，P-Ps 可以发生2γ湮没，而O-Ps只能发生3γ湮没， 即放出3个γ光子。
正电子湮没技术
• 正电子素
• 量子电动力学证明，P-Ps寿命较短，只有 125ps，但O-Ps寿命较长，在真空中为142ns。
• 是否形成正电子素的判据1：若周围环境的电 子密度发生了变化，而寿命142ns的分量并不 变化，也说明了Ps的存在。
• 自由湮没：正电子与电子不形成束缚态，处 于自由状态湮没。
• 捕获态湮没：正电子被介质中缺陷捕获，处 于束缚态下发生湮没。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 扩散的距离很短，因此扩散不影响射程。 • 因为正电子动能损失主要发生在热化过程，
因此正电子在固体中的射程主要由热化阶段 决定。 • 正电子湮没反映的是射程末端的材料信息。 因此样品必须足够厚，以保证正电子不会穿 透样品，通常厚度取射程的3-5倍。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 湮没：在扩散过程中，正负电子对相遇时会 同时消失，这时质量转变成能量，放出两个 或三个光子。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 热化后的正电子与电子湮没，发射出的γ光 子将材料中的信息带出来。