正電子技術在材料研究中的應用提綱正電子的基本知識正電子譜學的基本知識正電子組譜儀的基本情況正電子是人類發現的第一個反粒子1930年趙忠堯發現硬伽瑪射線在重金屬中的反常吸收和特殊輻射1932年安德遜在宇宙線中發現正電子1928年Dirac預言正電子的存在正電子的性質（1）基本物理性質壽命：在真空無電子環境，>21021年正電子屬輕子族，不直接參與強相互作用是費米子，遵守Fermi-Dirac統計正電子與電子的基本物理量對比e+e-靜止質量9.11x10-28g9.11x10-28g自旋1/21/2電荷1.602x10-19C-1.602x10-19C磁矩9.285×10-24A·M2

-9.285×10-24A·M2（2）湮沒特性正電子作為電子的反粒子，和電子相遇時發生湮沒，將其全部質量轉換成電磁輻射，這一現象被稱為正電子湮沒（湮滅）現象。正電子的性質正電子作為電子的反粒子，和電子結合變成光子遵從愛因斯坦公式：E=mc2輻射的光子攜帶湮沒電子的信息正電子湮沒e++e-

2

E=0.511MeV

常用正電子源核素半衰期

＋能量(MeV)

＋分支比(％)伴隨（MeV）22Na2.6年0.54891.27658Co71天0.48150.8164Cu12.8小時0.6519少量68Ge68Ga279天1.8980少量正電子譜學方法—正電子源正電子與物質的相互作用正電子的熱化：高能量的正電子進入固體中，在極短的時間內(約幾個ps)，正電子與晶格點陣發生一系列非彈性碰撞，能量迅速減至晶格熱振動能量KBT，這個過程稱為熱化階段。正電子在樣品中的射程取決于這個階段

擴散階段：熱化后的正電子在材料中擴散與電子、聲子以及晶體缺陷等相互作用，最終與周圍介質中的一個電子發生湮沒

自由湮沒和捕獲態湮沒：在正電子的擴散階段，正電子可能是自由的，即自由湮沒；也可能形成某種區域化的束縛態而停止擴散，即捕獲態湮沒

正電子譜學常規正電子湮沒方法

基本測量技術（2湮沒角關聯、多普勒展寬、正電子湮沒壽命）Sizeofopenvolume+intensity

多參數測量技術（CDB,AMOC）Sizeofopenvolume+intensity+chemicalspecies慢正電子束流（正電子束流能量可控，可應用于表面、界面）湮沒特性測量Sizeofopenvolume+intensity+chemicalspecies+depthprofile正電子譜學技術(TOF-Auger，Ps-TOF)正電子湮沒譜學基本實驗方法正電子湮沒壽命正電子湮沒角關聯正電子湮沒多普勒能譜Doppler展寬譜線形參數正電子譜學參數與缺陷性質的關系

高性能符合多普勒測量系統HPGeHPGe定時慮波放大器恒比定時延時定時慮波放大器恒比定時時幅轉換器單道分析器符合主放大器放大器單道分析器放大器主放大器單道分析器計算機多道ADCADCPURPURGate樣品和Ge68恒比定時BaF2快符合BaF2時幅轉換器ADC計算機多參數符合單元主放大器PMTHPGePMTADC線性門恒比定時恒比定時定時濾波放大器源&樣品符合計數率：70cps/10Ci,壽命譜分辨率～200ps,Doppler分辨率～1.2keV高性能AMOC測量系統ABC國際先進水平的測量系統正電子素飛行時間譜正電子素飛行時間譜（PositroniumTimeofFlightSpectroscopy,Ps-TOF）是研究多孔材料的有效手段，相比于其它的材料測試方法，它在分析材料的開孔尺寸、方向以及連通性方面更有優勢。目前世界上已建成Ps-TOF設備的單位有日本的KEK、東京大學、美國的LawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)等機構。o-Ps在多孔薄膜中的發射能#1#2InitialenergyafeweVPsSi#1#2PsPs-TOF譜與材料性質的關系-detectorZShieldSamplePulsede+beamtStopStarte+o-Pso-Pso-Ps建立基于脈沖束的正電子偶素飛行時間(Ps-TOF)測量系統正電子素飛行時間譜裝置示意圖Ps-TOF裝置參數設計

多孔二氧化硅Eo-Ps(eV)T(μs)δT(μs)12.38d2.38δd31.37d1.37δdPs-TOF裝置參數設計■編寫程序計算不同a(狹縫寬度)、b(狹縫高度)條件下的時間展寬δT，同時利用Geant4軟件建模，計算不同條件下，o-Ps在狹縫中軸線與束流傳輸線交點處發生湮沒產生的γ光子穿過狹縫的效率?！鯮取30mm，取a在1mm-5mm之間變化，b在10mm-100mm之間變化管道半徑R=30mm狹縫寬度a=3mm狹縫高度b=70mmδT=7.63ns效率=0.318%閃爍體探測器的技術改進閃爍體探測器的技術改進1）減小了光線的平均光程，將其有效信號比例提高了14.3%，峰值提高了5.46%，提高了探測器的探測效率。2）減小了光線的光程差異，將其信號的半高全寬（FWHM）由2.44ns縮減到2.41ns，十分之一高寬由5.98ns縮減到了4.82ns，提高了探測器的時間分辨。3）節省了材料，降低了造價。Ps-TOF譜儀設計圖正電子技術研究平臺基于加速器慢正電子束流放射源慢正電子束流多普勒展寬、3能譜、正電子散射截面高分辨壽命譜儀AMOC測量系統符合多普勒系統正電子壽命譜儀多普勒、正電子壽命、CDB、AMOC、Ps-TOF常規正電子湮沒譜學性能先進較完備的材料制備、樣品處理實驗室多參數測量基本測量測量方法和手段完善、齊全，性能指標一流，國內外為數不多SlowPositronBeamBasedon22Na基于正負電子對撞機的慢正電子強束流系統基于北京正負電子對撞機的慢正電子強束流

涉及的技術：微束團化、射頻電路系統、探測系統國內最早實現慢正電子壽命測量的裝置（德/日/美/中）慢束：16課題組，120樣品，1200有效小時常規正電子譜學：21課題組，260樣品，500有效小時正電子束流平臺對外開放合作研究工作全年連續24小時運轉，滿足用戶需要，性能穩定，指標先進2008年2009年主要用戶單位：北京大學、中科院金屬研究所、401所、中物院、清華大學、中科院蘭州近物所、中科院理化所、中科院半導體所、北京航空航天大學、北京科技大學、浙江理工大學、天津大學、四川大學、浙江大學、浙江工業大學、哈爾濱工業大學、東北大學、華東理工大學、四川大學、浙江文理學院、江蘇大學、中科院研究生院、山東大學，（約33個單位）等慢束：24課題組，92樣品，1000有效小時常規正電子譜學：9課題組，167樣品,400有效小時多參數測量：5課題組，40樣品，1200有效小時用戶發表論文2008年1篇PRL，2篇JAP2009年用戶發表論文：22篇2009年1篇A