正电子湮灭

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。在含损伤材料中，位错、空位等缺陷表现为负电荷，由于库仑引力，在材料中扩散的正电子会因吸引而被捕获，停止扩散，正电子在缺陷中停留一段时间之后就会湮灭。正负电子在湮没时会放出两个1８０°背向的５１１ｋｅＶγ光子。实际上，正负电子在湮没时一般都非静止状态，因此由正负电子组成的质心系本身在实验室系统下仍具有一个随机的速度，这个速度的大小和方向都是不确定的，根据被分析物体状况的不同而具有某种确定的分布。由于该速度的存在，在实验室观察到的湮没γ光子的能量将不再是５１１ｋｅＶ，而是略大或略小，表现为多普勒展宽。与内层电子和价电子相比，处在缺陷内的电子密度和动量都较小，因此正电子在湮没之后放出５１１ｋｅＶγ光子的多普勒展宽也较小。相反，如果材料中不存在缺陷，则正电子更容易被内层电子所捕获，而内层电子的速度较大，因此多普勒展宽较大。可见，用适当的参数描述谱线形状的变化，可获取有关缺陷效应的信息，实现无损评估。

由于正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，所以采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测。这使得正电子湮没分析对大体积物体的检测受到了限制。为克服采用放射源时正电子湮没测试不适合于大体积物体检测的缺点，光致正电子湮没技术得以发展。这种技术利用高能Ｘ射线产生正电子，由于高能Ｘ射线具有很强的穿透性，因此即使是大体积的物体，Ｘ射线也可在其深处产生正电子，适合于对大体积的材料进行无损测试与评价。

测试方法主要有正电子寿命测量、湮没γ角关联测量和湮没谱线多普勒增宽三类。

正电子寿命测量法通常用２２Ｎa作正电子源，源强为几微居里到几十微居里。测试设备类似核能谱学中常用的系统，称之为正电子寿命谱仪，谱仪时间分辨率一般为３×1０－１０ｓ左右，最好的已达１.７×１０－1０ｓ。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角关联方法利用长狭缝角关联测量系统，该系统的正电子源通常为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），典型的角分辨力为０.５mｒａｄ。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力Ｇe（Ｌｉ）或高纯锗半导体探测器，测量湮没辐射的能谱。能量分辨力可达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试验好，典型情况下差四倍。

该技术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。

正电子湮没无损测试技术可用来研究物质微观结构及其变化，其实质是用线性加速器的光束来穿透材料。在测试过程中，产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点（正电子），被缺陷吸引而与该区域的负电子发生碰撞，两种电荷质点湮没放出的伽玛射线能谱（γ光谱）可显示出清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。根据这些γ光谱响应数据和正电子系统的分析方法，通过采用重合寿命法不仅可获得有关缺陷集中数据，而且也可获得缺陷的形式和尺寸数据，获得定量疲劳或脆裂损坏估计值。

正电子湮没无损测试技术能检测机械、结构第二层材料的疲劳失效，是非破坏性检验中确定原子层的结构完整性、疲劳和脆裂问题的

一项重要技术。传统的无损检测方法，如涡流和Ｘ射线法，仅在可见裂纹或者缺陷已扩展到裂纹发生阶段之后是有用的。而正电子湮没测试技术能在裂纹发生之前检测一个原子层的疲劳、脆裂及材料晶格损坏。

此技术在航空方面也有重要应用，美国某公司开发的光致正电子湮没无损测试技术，可有效地检测机翼中埋在第二层内的疲劳损伤，这是无损检测技术的一项重要进展。在一次翼梁试验中，对在试样的第二层锥度紧固件孔内的一个已知损伤进行了分析。对损伤及未损伤部位进行了测试，发现两者的疲劳值有明显差异，而其中的钛合金层的厚度变化对测试值并无影响。