正电子湮灭
正电子湮没技术
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越来越广泛旳应用。
正电子发展历史
❖ 1939年狄拉克从理论上预言正电子旳存在 ❖ 1932年安德森，1933年Blackett和Occhian Line从试验上观察到正电子
旳存在
1 d
2 d
I1
f
1
2 2
f d f d
I2
1 2
f
d
（9）
低缺陷浓度近似
❖ 当缺陷浓度很低时，和都很小，由式（4） 和（7）可近似求得如下成果：
❖ 热化后旳正电子处于正电子导带带底旳基态， 即非局域旳布洛赫态，并服从玻尔兹曼分布：
f
(E , T
)
(m
kBT
)3 2
exp(
E
kBT )
正电子在固体物质中旳捕获
❖ 在热扩散阶段，正电子波函数可能会与晶格 中旳点阵缺陷交迭。因为不具有带正电原子 实旳点阵空位是正电子旳吸引中心，假如吸 引势足够强，正电子波函数会局域到缺陷处 形成局域态或称作正电子捕获态，直到与缺 陷处旳电子湮没为止。
❖ 空位型缺陷涉及： 空位 刃型位错 空位团 微孔洞等。
空位
刃位错点阵示意图
堆垛层错缺陷
晶粒间界
缺陷旳表达符号
点缺陷名称
点缺陷所带有效电荷
×
中性
·
正电荷
’ 负电荷
缺陷在晶体中所占的格位
❖ 点缺陷名称：空位缺陷用V，杂质缺陷则用该杂 质旳元素符号表达，电子缺陷用e表达，空穴缺陷 用h表达。
❖ 缺陷符号旳右下角旳符号标志着缺陷在晶体中所 占旳位置：用被取代旳原子旳元素符号表达缺陷 是处于该原子所在旳点阵格位上；用字母i表达缺 陷是处于晶格点阵旳间隙位置。
正电子湮没寿命谱在材料科学中的应用
正电子湮没寿命谱在材料科学中的应用正电子湮没寿命谱（positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS）是一种研究物质内部空位和微观结构的非破坏性表征技术。
它利用正电子和负电子之间的湮灭过程，探测材料中正电子的寿命特性，得到关于材料空位和缺陷的信息。
在材料科学研究中，正电子湮没寿命谱具有广泛的应用，如材料缺陷诊断、微观结构表征、材料性能研究等领域。
一、正电子湮没寿命谱的基础原理正电子湮没寿命谱是基于正电子和负电子相遇时发生湮灭的过程实现的。
正电子是带正电荷的电子的反粒子，具有很高的动能和易于运动的特点。
正电子湮灭就是指正电子和负电子相遇后消失的过程，同时会产生两个γ光子。
当正电子在物质中的能量足够低，处于几电子伏特的水平时，它将与材料中的电子形成一个束缚态，这个过程我们称之为电子-正电子对的形成。
那么，正电子在被材料中活跃的空位捕获后形成类似原子态的寿命，寿命结束时，正电子和电子相遇发生湮灭。
正电子和负电子相遇的湮灭过程，释放出了两次能量相等, 频率为511 KeV 的γ射线，这些γ射线的能量被用来确定正电子和负电子的湮灭位置。
二、正电子湮没寿命谱在材料缺陷诊断中的应用在材料科学中，正电子湮没寿命谱有广泛的应用，应用最为广泛的领域之一是材料缺陷诊断。
材料中的缺陷局限在空间结构中，可以通过正电子湮没寿命谱进行精确的检测和表征。
考虑到正电子的动能和大小，只有当正电子可以和空位相遇时，才能发生湮灭。
因此，正电子湮没寿命谱可以检测材料中的空位和缺陷。
如材料中的空穴、氢气包裹和晶粒边界等，都可以通过正电子湮没寿命谱进行检测。
正电子湮没寿命谱可以测试材料的缺陷密度，缺陷类型和缺陷深度等信息。
对于材料的缺陷诊断，正电子湮没寿命谱具有很高的检测灵敏度。
三、正电子湮没寿命谱在材料微观结构表征中的应用除了材料的缺陷诊断，正电子湮没寿命谱还可以用于材料的微观结构表征。
正电子湮没寿命谱可以测量材料的密度、晶体结构和晶粒尺寸等参数，从而了解材料的物理性质。
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
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。
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
气体中的正电子湮没
小分子：Feshbach共振正电子湮没理论，所有的振动模与入射正电子有很大的偶极子耦合。湮没率是正电子能 量的函数，是共振之和，共振大小由于能量有关的g因子给出。 大分子：没有成功的定量理论，现在还是用VFR形式去描述Zeff。
（10）大分子总结
有几个确定的性质：
1、一系列峰值随正电子-分子束缚能而向下漂移。 2、分子的振动自由度的数目随分子大小的增加而增加，VFR随IVR而增强（IVR是受限制的）。 3、目前为止，非弹性逃逸通道是相对不重要。 因为大分子内部的复杂情况，导致它的湮没过程的理论理解没有在小分子中发展得那么好，急需一个可靠的 VFR增强湮没机制。 研究大分子的一些方法，如阱基束方法、正电子入射引起俄歇谱、正电子导致的离化和正电子吸附等技术
4.5.2 大分子的振动Feshbach共振（VFR）湮没
能量分辨湮没测量：使用阱基束，它的特点是能量低而且可控 1.能量分辨湮没的实验测量（可控能量的湮没测量） 小分子也可能有共振湮没，但是大分子的共振湮没更明显。
2.湮没于大分子
正电子首先通过振动“门口态”束缚到分子上（如通过耦合模基分子振动模有关的Feshbach共振模式 （VFR）），振动能量转移到暗态，此过程是分子间振动能量重新分布（IVR）。
（
2
）
利
用
彭
宁
阱
技
术
，
测
量
正
电
子
热
化
后
的
有
效
电
子
数
Z
t
h eff
密度低（<10-7 amagat，amagat是密度单位，1amagat=2.69×1019cm-3）
4.2 在高密度气体中的实验
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。
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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。