正电子湮没寿命谱在材料科学中的应用
正电子谱学原理
正电子谱学原理⏹ 正电子 ⏹ 正电子湮没...)3,2(=>-+-+n n e e γ⏹ 双光子湮没n = 2⏹ 正电子寿命⏹ 湮没光子的能量和Doppler 展宽 ⏹ 湮没光子的角关联2γ湮灭过程中动量守恒的矢量图C M P T 0/≈θ2/L cP E =∆Doppler 展宽的线性参数⏹ 正电子源放射性同位素)28.1(22112211MeV e Ne Na γ++->+单能慢正电子束正电子实验⏹ 正电子湮没技术（70年代） ⏹ 正电子湮没谱学（80年代） ⏹ 正电子谱学（90年代后期） ⏹ 正电子谱学的主要特点：对固体中原子尺度的缺陷研究和微结构变化十分敏感，是其他手段无法比拟的。
对研究材料完全无损伤，可进行生产过程中的实时测量，能够满足某些特点的测量要求。
理论比较完善，可以精确计算很多观测量同实验进行比较。
固体内部的信息由光子毫无失真的带出，对样品要求低，不需特别制备或处理，不受半导体导电类型和载流子浓度等因素影响。
作为电子的反粒子，正电子容易鉴别，又能形成电子偶素，可以替代电子探针来获得材料中更多的信息，在许多实验中能够大大降低电子本底。
正电子谱学基本实验技术⏹正电子寿命谱⏹湮灭能谱的Doppler展宽及其S参数⏹湮没辐射的角关联⏹慢正电子束慢正电子束装置单能正电子的注入深度正电子扩散慢正电子束流的慢化体结构其中，S: 22Na源P: 铅屏蔽M: 钨慢化体T: 靶材料C: 有补偿线圈 D: 高纯锗探测器 E: 液氮冷却装置Slowpos-USTC ：慢电子束流装置示意图Slowpos-USTC ：慢电子束的数据测量和控制系统慢正电子束特点：◆ 可探测真实表面（几个原子层）的物理化学信息 ◆ 探测物体内部局域电子密度及动量分布 ◆ 可获得缺陷沿样品深度的分布⏹ 单能正电子平均注入深度的经验公式：62.1)()/()/(/4003===n keV E cm g keV A A AE Z n n为正电子注入能量为靶密度，其中ρρ正电子谱学应用之一Open volume defects of superconducting thin filmYBa2Cu3O7-δ高温超导体中空位型缺陷不仅是不可避免的，而且也是必须的。
手性丙烯酸酯侧链液晶共聚物的正电子湮没寿命谱研究
手性丙烯酸酯侧链液晶共聚物的正电子湮没寿命谱研究
何流;张树范;漆宗能;王佛松;魏龙;王文华
【期刊名称】《高分子材料科学与工程》
【年(卷),期】1998(14)2
【摘要】用正电子湮没寿命谱研究了手性丙烯酸酯侧链液晶共聚物分子主链与介晶基元侧链的运动行为及相互作用。
结果表明，侧链液晶基元的取向随磁场强度增加而增加，当磁场强度达到一定值后则趋于恒定。
侧链介晶基元受磁场的诱导取向对分子主链运动的影响为非线性效应。
【总页数】3页(P104-106)
【关键词】正电子湮没寿命;侧链液晶共聚物;丙烯酸酯;手性
【作者】何流;张树范;漆宗能;王佛松;魏龙;王文华
【作者单位】中国科学院化学研究所;中国科学院高能物理研究所核技术开放实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O632.52;O631.13
【相关文献】
1.W-K 合金的正电子湮没寿命谱研究 [J], 杨力;朱敬军;安竹;舒小艳;唐军
2.侧链型丙烯酸酯共聚物相变的正电子湮没谱研究 [J], 王文华;何流
3.聚四氟乙烯中正电子湮没寿命谱中等寿命成份湮没过程性质研究 [J], 王淑英;张天保;等
4.正电子湮没寿命谱技术应用于聚合物微观结构研究的进展 [J], 廖霞;张琼文;何汀;安竹;杨其;李光宪
5.手性丙烯酸酯侧链液晶共聚物的研究 [J], 何流;张树范;漆宗能;王佛松
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正电子湮没寿命谱数据处理方法
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ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ
而且能较方便地制成适合于正电子寿命谱测量所用的源（源强为几ｐＣｉ～几十ｐＣｉ）；它的
能量为１．２８ＭｅＶ的伴随丫射线很适合于作为寿命谱的起始信号。轴ａ衰变产生的正电
子能谱连续分布，峰值为１７８ ｅＶ，最大值为Ｏ．５４５ ＭｅＶ，其衰变纲图如图１－２所示。
珠ａ
２２Ｎｅ
激发态
丫’
２２Ｎｅ
基态 图１＿２ ２２Ｎａ的衰变纲图 Ｆｉｇ
（１．１）
变成丫光子的现象，这个现象称为正电子湮没。根据ｅ＋每对湮没后发射光子的数目不同， 可分为单光子湮没、双光子湮没和多光子湮没。以双光子湮没为例，如果ｅ＋．ｅ。对湮没前 是静止的，按（１．１）式，湮没后所产生的两个丫光子的能量均为５１ｌｋｅＶ。图１．１是ｅ＋吒－
双光子湮没示意图。
广西大学硕士掌位截咒炙
１．１．１正电子与正电子湮没 正电子（ｅ＋）是电子（ｅ－）的反粒子，Ｄｉｍｃ于１９３１年首先在理论上预言了它的存
正电子湮没谱学-0017
正电子湮没谱学试题2016，2，181.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32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。
正电子湮没原理_lx-1
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；
正电子湮灭 实验报告 xxx
正电子在物质中的湮灭寿命姓名：xxx 学号：xxxxxxxxxxxxx实验目的：1. 了解正电子寿命测量的的基本原理；2. 初步掌握正电子寿命测量方法；3. 了解正电子在物质中湮灭的物理过程4. 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；5. 初步掌握使用计算机解谱的数学方法。
实验内容：1. 对谱仪进行时间刻度；2. 测定谱仪的分辨时间；3. 测量正电子在给定样品中的平均湮灭寿命。
实验原理：1. 正电子在物质中的湮灭寿命正电子是电子的反粒子，许多属性和电子对称。
正电子与电子质量相等，带单位正电荷，自旋为1/2h ，磁矩与电子磁矩大小相等，但方向相反。
正电子与电子相遇就会发生湮灭反应，湮灭的主要方式有三种：单光子湮灭，双光子湮灭以及三光子湮灭。
但发射单个光子或三个光子的湮灭过程，但几率极小，湮没过程中发射的γ光子，通常称为湮没辐射。
从正电子的湮没特性可知有自由态湮没和捕获态湮没两种：正电子在完整晶格中的湮没往往是自由湮没，一旦介质中出现缺陷，那么就会出现捕获湮没过程。
一般常见金属及合金中，以自由态湮没方式湮没的正电子寿命，简称自由态正电子寿命f τ,在100--250ps ，少数几咱碱金属的f τ值超过300ps ；捕获态正电子寿命d τ比相同介质的自由态正电子寿命f τ长，且随缺陷的线度增长而增长；不同种类的缺陷有不同的d τ值。
根据Dirac 理论，发生双光子湮灭的几率为20eR πr cn ∝，其中c 是光速，r0为电子经典半径，e n 为物质的局域电子密度。
所以正电子的湮灭寿命1e n τ∝，当物质结构的发生变化（例如产生空位缺陷，辐射损伤，形变等）将导致物质局域电子密度e n 变化，正电子湮灭寿命也随之发生改变。
因此，人们可以通过正电子寿命变化来探视物质结构变化，这是正电子技术应用的一个重要方面。
2. 测量正电子寿命的实验原理实验中用的正电子一般来自放射性同位素的β+衰变，能发射正电子的放射性同位素有Na 22、Co 58、Cu 64、Ge 68等，常用的β+源是Na 22源，它放出的正电子最大动能为0.545MeV ，半衰期2.6年。
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 ）。
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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。
正电子湮没寿命谱的优点在于它可以检测材料中微观结构的变化，例如材料中的样品处理或变形等情况下，正电子湮没寿命谱可以实时检测材料中微观结构的变化，并得到改变的细节信息。
四、正电子湮没寿命谱在材料性能研究中的应用
正电子湮没寿命谱不仅可用于材料的缺陷诊断和微观结构表征，还可以用于材
料性质的研究。
例如，正电子湮没寿命谱可以确定材料的电子结构和空位相关热力学性质。
对于半导体材料的研究，正电子湮没寿命谱可用于研究材料中的电子和空穴的动态过程。
通过正电子湮没寿命谱的分析，可以确定材料中电子与空穴的复合速率和能量，从而得到材料的电子结构和导电性能。
五、结论
正电子湮没寿命谱是一项高精度的非破坏性测试技术，在材料科学中有着广泛
的应用。
正电子湮没寿命谱可以用于材料缺陷的检测和表征、材料微观结构的表征、以及材料物理性质的研究。
这些应用使得正电子湮没寿命谱成为材料科学中不可或缺的一部分。
随着科学技术的发展，正电子湮没寿命谱将会有更广泛的应用，为我们研究和开发材料提供更多的精确信息。