最新正电子湮没技术PPT课件
2024年度PET讲课PPT课件
心血管系统研究中应用
动脉粥样硬化
PET可定量评估动脉粥样硬化斑 块的稳定性及治疗效果。
心肌存活性检测
PET可准确判断心肌梗死后心肌 的存活性，指导临床治疗决策。
心脏神经调节
PET技术有助于研究心脏神经调 节机制，为心血管疾病的防治提
供新思路。
2024/2/2
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肿瘤学研究中的应用
2024/2/2
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关键知识点总结回顾
1 2 3
PET基本原理与显像过程
PET利用正电子放射性核素标记示踪剂，通过探 测湮没辐射产生的光子对进行成像，具有灵敏度 高、特异性强的特点。
PET在临床诊断中的应用
PET在肿瘤、神经系统疾病、心血管疾病等多个 领域具有广泛应用，为临床诊断和治疗提供重要 依据。
PET与其他影像技术的比较
术在医学领域的应用价值。
2024/2/2
通过学习本课程，学员将掌握 PET技术的操作规范、注意事项 及图像处理技巧，为今后的临床 实践和科研工作打下坚实基础。
此外，本课程还将探讨PET技术 在未来医学领域的发展趋势和潜 在应用，激发学员对该领域的兴
趣和热情。
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授课内容与安排
01
授课内容
本课程将涵盖PET技术的基本原理、成像原理、设备结构、放射性药物
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PET显像剂及其应用
2024/2/2
显像剂种类
PET显像剂种类繁多，常用的有氟代脱氧葡萄糖（18F-FDG）、氨水（13NNH3）、氧气（15O2）等。这些显像剂具有不同的特点和适应症，可以满足不 同临床需求。
显像剂应用
PET显像剂在临床医学中具有广泛的应用价值，主要用于肿瘤、神经系统疾病、 心血管疾病等重大疾病的早期诊断、分期、疗效评估和预后判断。同时，PET显 像剂还可以用于药物研发、生理和病理研究等领域。
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。
核分析课设：正电子湮没辐射角关联
主要用途与发展动态
正电子湮灭辐射的角分布测量对于金属辐照损伤的研究也 22 2 很灵敏。钼样品是放在中子通量达 10 cm 的反应堆中进 行中子照射。通过正电子湮灭辐射角关联曲线测量表明： 辐照后的钼样品角关联曲线变窄了很多。这种变化可以借 助于理论（空洞形成）作定量的估算。
主要用途与发展动态
正电子湮没机理
正电子可以在晶格中自由扩散,直至与电子湮没,这叫做自 由态湮没； 也可以被带有等效负电荷的晶格缺陷或空穴 所捕获(束缚)而停止扩散,最后在缺陷中湮没,称为缺陷捕 获(束缚)态湮没。
在气体、液体中和某些固体(如结构疏松的聚合物)的表面, 还可能束缚一个电子,形成正负电子共存的正电子素的束缚 暂稳态,其结类似于质子和电子构成的氢原子,而它的核 心为极轻的正电子,其原子量只有氢的1/920,结合能为氢的 1/2,然后再产生湮没。
正电子湮没机理
正电子与电子相互作用而湮没时，可以产生一个光子、两个光子或 三个光子。发射单个光子时，要求有第三者（原子核或原子内层电子） 存在，吸收反冲动量，这一过程的相对几率很小，可忽略。若正电子和 电子的自旋反平行，则他们在湮没时发射两个方向相反的γ光子。若正 电子和电子的自旋相互平行，则在湮没时发射三个光子。产生三个光子 的湮没几率却远小于产生两个光子的湮没几率。根据计算，双光子湮没 几率与三光子湮没几率之比为372:1。
生物组织中主要含有碳、氮和氧分别存在发射正电子的核素11C、 14N和15O。如果利用这些放射正电子的核素合成有生理关系的标记化 合物，如11Co, 11Co2 等，引入生物组织中，通过正电子与组织器官 的相互作用，然后对发射的γ射线进行测量或照像，就可以研究生物 组织器官的新陈代谢，组织化学成分，血液循环，病理过程等课题。 由于所使用的这些放射性核素的半衰期都不长，在人体中的照射量很 小，因此不会或者很少造成对人体的损伤。由于以上个方面的特点， 正电子湮灭技术对医学研究将成为很有发展前途的一项技术。
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。
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。
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
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零，两个光子运动的方向会偏离共直线，如
图1所示。
湮没过程中动量守恒矢量图
PL
P 2= m
0c -P L/2
P
PT
P 1= m 0c + P L/2
PT /m0c
因为热化后的正电子动量 几乎为零，所以测量的角 关联曲线描述了物质中被 湮没的电子的动量分布。
多普勒能移
正电子湮没三种实验方法
❖ 固体中正电子和多电子系统的湮没特性，可
以分别通过测量两个光子之间的夹角、射
线的能量间隔三种方法进行研究。这三种方 法分别称为：
1. 2角关联测量，
2. 多普勒线形展宽谱 3. 正电子寿命谱。
典型的2湮没角关联测量系统
z
固定探头
准直器 样品
y x
准直器
移动探头
准直器 放射源
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。
❖ 制样方法简便，适应的材料广泛，通过射线带出信
正电子放射源
❖ 正电子湮没实验中通常所用正电子源为放射性同位
素22Na，这种+源的特点是在其发生+衰变而放出 一个正电子的同时发射出另外一个光子，光子的 能量为1.28MeV，因此这个光子的出现可看作正电
子产生的时间零点信号。正电子在样品中湮没后发
出能量为0.511MeV光子是湮没事件的终止信号。
❖ 湮没对的运动还会引起在实验室坐标系中测得的湮 没光子能量的多普勒移动。频移为： vL c
❖ 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： E (V Lc)E cL P /2
❖ 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。
准直器
单道分析器
符合电路
单道分析器
计数器
图3、长缝几何型角关联装置
图4、多普勒展宽谱仪原理图
主放大器
负高压 前置放大器
高纯锗 探头
多道
液氮
高压电源
探 头
恒比甄别器
583
延时
起
始
源和样品 符合 电路
探 头
高压电源
恒比甄别器 583
门 时—幅 转换器
终 止 延时
918多道
IBM— PC
图5、快—快符合正电子湮没寿命谱仪方框图
+衰变有90％的分支比，衰变 能量为545keV。另一个+衰变
能量为1.82MeV，因为此分支 比只占0.05%而太低，因此无实 际意义。
22Na衰变放出+粒子的同时级
联放出一条能量为1.28MeV的 射线，因激发态寿命仅为3ps， 所以可以把此射线看作是+粒 子同时产生的事件。因此 1.28MeV的射线作为谱仪时间 测量的起始点。
泛研究了正电子在固体中的湮没
❖ 1974年O. E. Mogensen提出形成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-辐射和n=2
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的应用。
正电子发展历史
❖ 1939年狄拉克从理论上预言正电子的存在 ❖ 1932年安德森，1933年Blackett和Occhian Line从实验上观测到正电子
的存在
❖ 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态 ❖ 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Ore模型 ❖ 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在 ❖ 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
正电子在固体物质中的注入
❖ 从放射源或束流中发射出来的低能正电子进入固态材料后， 在约几个ps的时间内通过与物质原子的各种非弹性散射作用 （包括电子电离，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）损失能量，并迅速与周围 环境达到热平衡。正电子的深度分布近似满足下面的指数关 系：
子的寿命，即： 1
❖ 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。
湮没对的动量守恒
❖ 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。
❖ 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，
并且两个光子严格地向相反方向运动。
的精细结构。
3湮没转换为2湮没
❖ 在介质中，o-Ps原子中的正电子可以拾起 (pich-off)环境中的电子以更快的速率湮没， 即拾起湮没或碰撞湮没(pich-off annihilation)。 这导致材料中o-Ps的寿命大大小于140ns的 本征寿命而通常只有1-10ns，所以可以利用 拾起湮没追踪化学反应过程。
❖ 测量1.28MeV的光子与0.511MeV的光子之间的时
间间隔，就可得到正电子寿命谱。
❖ 22Na放射源的半衰期较长，为2.6年，且使用方便， 因此用于正电子寿命谱测量的放射源几乎全是22Na 源。
22Na (2.6Y)
545keV(90%) 1276keV
图2. 22Na的衰变图
1.82MeV(<0.05%)
❖ 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。
正电子的寿命
❖ 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2湮没的几率为：r02cne
式中r0是经典电子半径，c为光速，ne是正电 子所在处的电子密度。
❖ 通常把简称为湮没率，将其倒数定义为正电