正电子湮没谱学-笔记

目录正电子湮没谱学简介.................................................................................- 2 - 正电子湮没寿命谱......................................................................................- 6 - 正电子湮没多普勒展宽能谱.......................................................................- 8 - 正电子湮没角关联谱................................................................................ - 10 - 慢正电子束流技术.................................................................................... - 11 - 脉冲慢正电子束 ....................................................................................... - 13 - 装置配件 .................................................................................................. - 14 - 文献分析 .................................................................................................. - 18 -正电子湮没谱学简介e+和e−具有相等的静止质量m0=9.1×10-31kg，所带电荷的数值都为单位电荷e=4.8×10-10静电单位，但电荷性质相反，二者具有相等的磁矩ge/(2m0c)。

正电子（positron）湮没是指高速运动的正电子从放射源射入凝聚态物质中，在与周围达到热平衡后就会与电子、带等效负电荷的缺陷或空位等发生湮没。

应用有研究形变、材料中各种相变过程、固体能带结构和费米面、材料表面和表面结构及缺陷。

实验使用的正电子主要有两个来源，即高能加速器电子的对产生和放射性核素的β+衰变。

高能加速器产生的电子在物质中减速会发生韧致辐射而产生光子，如果次级光子能量大于电子静止质量的两倍，将有一定的几率发生电子对效应产生正负电子，是产生正电子的极好方法。

但目前实验室普遍采用的方法是放射性核素的衰变，因为其使用方便，价格相对低廉，但强度小，增加了实验时间。

能级图上可以看出，在负能级和正能级之间至少存在着大约1.022MeV的间距，所以为了产生一个正负电子对，电子海中的一个电子必须要吸收大于1.022MeV的能量才能跃迁到正能级上。

相反如果正能级上的电子向下跃迁到负能级空穴（正电子）中，则会释放出等于或大于1.022MeV的能量，这些能量以γ光子的形式释放，伴随着γ光子的产生，正负电子对的质量转化为γ光子的能量。

最大的可能是释放两个γ光子，这样每个γ光子的能量为0.511MeV，所以说0.511MeV是正电子的特征谱线。

正电子在探测物质微观结构时具有鲜明的特色：①选择性和灵敏性，由于捕获效应，正电子对低原子密度区域具有选择性，只要缺陷浓度达到10-7就可探测到；②局域性，正电子的湮没信息反映的是材料中纳米尺寸的局域信息，所以正电子成为了探测物质表面、界面、体内各种微观缺陷或自由体积的灵敏探针；③普适性，由于正电子谱学研究的是电子体系，因而对样品无特殊的要求，可研究的范围是非常广泛的。

具体来说，正电子湮没谱学在固体物理和材料科学中的一些主要应用如下：1)研究金属材料的形变、疲劳、淬火、辐照、掺杂、氢损伤等在材料中所造成的空位、位错、空位团等缺陷以及研究这些缺陷的退火效应。

2)研究材料中各种相变过程，如合金中的沉淀现象、马氏体相变、非晶态材料中的晶化过程、离子固体中的相变、液晶及其他高分子材料，聚合物中的相变。

3)研究固体的能带结构、费米面、空位形成能等。

4)研究材料的表面、表层结构和缺陷。

正电子湮没技术是探测固体内部的微观缺陷和电子结构的实验手段。

对固体内部的微观缺陷十分敏感，即使固体内部仅存极少量的缺陷亦能探测到，PA T研究的是样品中原子尺度的缺陷，而且正电子技术是一种无损检测方法。

正电子在真空中非常稳定，其半衰期超过2×1021年，但在固体中会和电子很快湮没，平均寿命仅为几百皮秒。

正电子主要以两种形式湮没，第一种是自由湮没，第二种是捕获态湮没或者其他正电子束缚态湮没。

正电子和电子在碰撞瞬间发生湮没称为自由湮没，湮没放出单光子、双光子、多光子。

双光子湮没的概率比三光子湮没的概率大372倍，比单光子湮没概率大8个数量级。

正电子双光子湮没率取决于湮没区域中电子的密度，而寿命是湮没率的倒数，因此电子密度越大，湮没率越大，正电子寿命越短，测量正电子的寿命反映了电子密度的信息。

当缺陷浓度超过10-4时，每个正电子基本上都会被捕获，如果缺陷浓度继续增大，湮没参数不会再变化，这种现象称为饱和效应。

饱和情况下正电子湮没参数不再反映缺陷浓度，但还是能反映缺陷的类型。

在金属材料中，由于自由电子的密度很高，通常不会形成正电子素，正电子的湮没方式主要是自由态湮没和捕获态湮没；在分子材料中会形成正电子素，除了上述两种湮没方式外还存在正电子素湮没，即正电子在材料中捕获一个电子形成相对稳定的束缚态的湮没过程。

宇宙射线中可以发现正电子，但实验室中所用的正电子主要来自放射性同位素的衰变，从放射源中发射出的正电子能量是比较高的，大约几百keV到几MeV之间，这种正电子进入凝聚态物质后将与电子、原子实发生相互作用通过多种形式损失能量，大约在10-12 s量级内使其能量降至kT量级（300K时正电子动能为0.025eV），这一过程称为正电子的热化。

由经验公式计算得到正电子在材料中的射程通常为20~300μm，为了保证电子湮没所反应的是射程末端材料结构信息，因此样品必须足够厚，取射程的3~5倍，约50~1500μm。

以放射性同位素为初级正电子源的慢正电子束流设备，由于受放射源强度的限制，束流流强一般较低，许多重要的实验技术，如低能正电子衍射谱仪、正电子显微镜等新型技术无法实现。

电子直线加速器（LINAC）的慢正电子束流线解决了慢正电子束流强度低的问题。

采用北京正负电子对撞机（BEPC）电子直线加速器电子打靶的方式作为初级正电子源，从而产生高强度和高亮度的低能单色正电子束流。

正电子在与原子实的非弹性碰撞过程中，损失能量的方式有辐射、产生声子、使原子位移等。

辐射方式的能量损失起因于正电子沿曲线轨迹运动时速度发生变化而发射的电磁辐射，即通常所说的“韧致辐射”，而曲线轨迹是由原子核的静电斥力所引起的。

高能正电子由于韧致辐射、离化、等离子体激发等减速到大约100eV以下所需时间可精确地估计，与介质密度，入射能量等有关。

对于大部分材料，时间小于等于1 ps，就是说可以假设能量不太高的正电子，不管初始能量为多少，都可以很快减速，它们在介质总会一开始就以能量小于等于100eV的粒子出现。

接下来正电子从100eV左右开始进一步热化，这时的热化机制分为和电子相互作用、产生声子而引起的热化，热化所需时间大致为几到几十皮秒。

但无论如何总的热化时间约等于10-12~10-11 s，和正电子在物质中的寿命大于等于10-10 s相比要短得多。

正电子寿命谱测量的基本原理：在介质中不同部位可能会有不同的电子密度，在缺少一个或几个晶格离子的空位缺陷中，由于正离子较少，引起电子密度减小，从而使空位处的正电子寿命值大于完整点阵处的寿命值。

因此通过测量大量湮没事件中正电子寿命，可以得到采样区的局域电子密度信息，从而探知材料的结构信息。

源所发射的正电子的最大动量，单位为MeV，22Na为0.545，64Cu为0.650，68Ga为1.88。

于是固体中正电子的典型注入射程大致为几百微米（10~1000μm）量级，意味着通常的正电子湮没技术是一种体探针而不是表面探针，只有在慢正电子方法中把正电子的动量降低，注入深度才为微米量级。

热化后的正电子将在晶格中作扩散运动，扩散长度约为100nm，在扩散过程中，与电子、声子以及晶体缺陷等相互作用，最后与各种不同环境中的电子发生湮没并转化为γ光子。

在固体中这一阶段持续的时间大约为100~10 000ps，正电子寿命就是指这一过程持续的时间。

但由于热化阶段时间很短，实际上可以把测得的从正电子产生进入样品算起到放出到湮没产生γ光子位置的时间间隔近似看做正电子的寿命，通过测量正电子寿命，或者探测出射γ光子的能谱，我们可得到固体中电子结构的信息。

正电子湮没技术中研究比较多的缺陷是空位和位错，它们都属于空位型缺陷。

在完整晶格中，在离子实部位，由于正电子和正离子实的电荷同性，在以离子实为中心的一定半径内正电子不易进入，即正电子在这里的概率密度几乎为零；相反在离子实和离子实的中间部位，由于晶格平移对称性，相应部位正电子的密度是一样的，在这里正电子可自由扩散而湮没，称为自由态湮没，相应的湮没率是完全确定的，与时间无关。

在有缺陷的材料中，若有以点阵空位或其它空洞存在的附加空间，正电子会受到空位处负电荷的束缚，很容易进入这些位置，即被点阵捕获，形成各种稳定或亚稳定的局域态，处于这种束缚态的正电子与电子的湮没，称为束缚态湮没。

处理数据的理论基础——两态捕获模型。

认为正电子在样品中存在两种不同的状态，第一种是自由态，第二种是缺陷捕获态或某种其它正电子束缚态。

处于自由态和捕获态的正电子都会与电子湮没而发射出γ射线。

求解一套联立的速率方程，对于自由态正电子变化速率等于自由湮没减少加被缺陷捕获减少再加从捕获逃逸变为自由态增加的正电子数，同样捕获态正电子变化速率等于捕获态湮没减少加逃逸变为自由态减少再加从自由态捕获变为捕获态增加的正电子数。

符合正电子湮没辐射Doppler展宽谱，可提供湮没电子的动量分布信息，对多普勒曲线的高能量部分（翼区）研究可获得原子内层电子状态的“指纹”。

但传统的单一探头多普勒展宽装置中，湮没谱本底较高，能量较高的湮没光子的强度与本底相当，难以从这部分多普勒曲线的形状和振幅中提取核心电子的信息。

而双探头大幅降低了本底，谱线的峰高与本底之比高于105。

不同原子内层电子的动量分布不同，因此可获得该原子微结构的信息，并据此区分不同的化学元素。