正电子湮没谱学-0017

正电子湮没谱学试题

2016，2，18

1.简述闪烁体探测器的基本组成和工作原理。

答：闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的电离、激发而产生的荧光来探测电离辐射的探测器。闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使闪烁体原子、分子电离或激发。受激原子退激而发出荧光光子。然后利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多的收集到光电倍增管的光阴极，通过光电效应打出光电子。光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号，此信号由电子仪器记录和分析。

2.简述正电子谱学的基本原理（正电子的产生，正电子注入、热化、湮没过程，

典型寿命值等）。

答：正电子是电子的反粒子，它不天然存在，因为遇电子会发生湮没，往往用人工办法产生。主要的产生正电子的方法有两种，一种方法是通过加速器或反应堆，利用核反应生成缺中子放射源，如22Na，64Cu，58Co等等。另外一种方法是通过高能光子的电子对效应产生正电子。而实验中常常使用第一种方法，从放射源发出的高能正电子入射至固体表面时，它可能被表面散射，也可能穿透表面进入材料体内。当正电子进入材料体内后，由于正电子带正电，故在固体中正电子受到同样带正电的原子实强烈排斥。正电子通过与原子实以及电子的非弹性碰撞而很快损失动能，在约1~3ps内慢化到热能。

k B T,室温下为0.025eV。热化后的这一过程称为正电子的热化。热化后正电子能量为3

2

正电子在固体中扩散，在扩散过程中会与电子发生自由湮没，也可能被一个空位型缺陷捕获后湮没。

正电子湮没后发射2个或3个γ光子，而由于正电子与电子的湮没过程是电子-正电子对质量转换成电磁能量的相对论质能转换过程，由量子电动力学的不变性导出的选择定则表明，2γ衰变与3γ衰变的事件比为371:1，因此主要的过程是2γ湮没。当正电子速度远低于光速c时，其湮没率λ（λ=1/τ，τ为正电子寿命）为：

λ=πr02cn e,（1）

其中n e—正电子周围的电子密度。

而正电子寿命τ与湮没率λ是互为倒数的关系，所以我们通过测量正电子寿命，可以得到正电子所在处的电子密度。实际上，式（1）给出的湮没率是用独立粒子模型近似的结果。因此根据此式计算得到的金属正电子寿命约为600ps，这明显大于我们实际测量的金属中的正电子寿命。产生这一差别的原因在于正电子与电子的电荷符号相反，它们之间存在着强烈的库仑吸引作用，正电子周围的电子密度会增强（称为屏蔽效应），从而明显地缩短正电子的寿命。因此，在计算正电子在材料中湮没率时，应考虑电子-正电子的关联。

正电子-电子湮没对的动能一般为几电子伏，在质心坐标系中，光子的能量为m0c2=511keV，2个γ光子严格朝相反方向运动，然而在实验室坐标系中，由于湮没对的动量不为零，2个γ光子的运动方向将不在一条直线上，其偏角θ为：

θ≈P T

。（2）

m0c

通常θ非常小（θ<1o）。由于热化后的正电子动量几乎为零，因此与正电子湮没的电子能量与动量就是湮没对的能量和动量，所以测量得到的角关联曲线可反映物质的电子的动量分布。

此外，在实验室坐标系中，由于电子-正电子湮没对具有动量，它还会引起湮没辐射能量的多普勒移动。由于频移为Δν/ν=νL/c,其中νL为湮没对质心的纵向速度。因此可得湮没辐射的多普勒能移为：

ΔE=cP L/2。（3）

所以湮没辐射的多普勒展宽谱也反映了材料中电子的动量密度分布。

当正电子被空位型缺陷（如位错、空位、微孔洞等）捕获时，由于缺陷处电子密度减小，正电子寿命将变长。在凝聚态物质中，自由正电子的寿命一般在100~200ps之间，而捕获态正电子的寿命在200~400ps之间。另外，在缺陷处由于缺少了原子，正电子与高动量的核芯电子湮没发生的概率降低，因此导致湮没辐射角关联或多普勒展宽谱形变

窄。因此通过测量以上的正电子湮没参数，即可了解缺陷的信息。

3.简述正电子的两态捕获模型，以及正电子湮没测量缺陷浓度的原理。

答：在用正电子湮没寿命谱（PALS）研究固体中的缺陷时，所测得的寿命谱经过源修正和去本底后，可以用几个指数衰变成分之和进行拟合。一般情况下，所测样品中只存在一种缺陷，即正电子寿命只有两个分量。因此，在分析正电子寿命谱时，所用的模型函数为正电子的数目对时间的微分：

dN(t) dt =−N0[I1

τ1

exp(−t

τ1

)+I2

τ2

exp(−t

τ2

)]，（4）

式中：N0-寿命谱经过源成分修正和去本底后的总计数，也即是（4）式对时间的积分；

τ1，τ2—两个分量的表观寿命；

I1，I2—两个寿命分量的相应强度。

上式还要考虑寿命谱仪分辨函数的影响，即模型函数为式（4）与分变函数的卷积。

上述的正电子湮没寿命谱的解析过程可以用正电子的捕获模型来解释。在捕获模型中，正电子被缺陷捕获可以通过一组微分方程来描述，即自由正电子在非局域态湮没的速率方程和被捕获的正电子在局域态湮没的速率方程。两态捕获模型即材料中只存在一种类型的缺陷时，上述动力学方程为：

dn b(t)

dt

=−(λb+κ)n b(t), (5)

dn b(t)

dt

=−λd n d(t)+κn b(t),

式中：n b（t），n d（t）—分别为t时刻正电子在体态和缺陷态的数目；

λb,λd—正电子在体态和缺陷态的湮没率；

κ—缺陷的捕获率。

式（5）的初始条件为n b（0）=N0，N0为t=0时正电子的总数目，即正电子在完全热化之前没有发生捕获现象。上式的解即为正电子的衰变谱：

N(t)=N0[I1exp(−t

τ1)+I2exp(−t

τ2

)], (6)

其中：

τ1=1

λb+κ , τ2=1

λd

=τd ,（7）

I1+I2=1, I2=κ

λb−λd+κ

。