正电子湮灭技术

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1、正电子湮灭技术正电子湮没技术(PositronAnnihilationTechnique-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、2丫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

2、，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一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

3、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和撞击。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丁放射源的B+源，通过放射源的作用在材料中产生正电子。在含损伤材料中，位错、空位等缺陷表现为负电荷，由于库仑引力，在材料屮扩散的正电子会因吸引而被

4、捕获，停止扩散，正电子在缺陷中停留一段时间之后就会湮灭。正负电了在湮没吋会放出两个180°背向的5likeVy光子。实际上，正负电子在湮没时一般都非静止状态，因此由正负电子组成的质心系本身在实验室系统下仍具有一个随机的速度，这个速度的大小和方向都是不确定的，根据被分析物体状况的不同而具有某种确定的分布。由于该速度的存在，在实验室观察到的湮没Y光了的能量将不再是511keV,而是略大或略小，表现为多普勒展宽。与内层电子和价电子相比，处在缺陷内的电子密度和动量都较小，因此止电子在湮没之后放出511keVy光子的多普勒展宽也较小。和反，如果材料中不存在缺陷，则正电子更容易被内层电子所捕获，而内层电

5、子的速度较大，因此多普勒展宽较大。可见，用适当的参数描述谱线形状的变化，可获取有关缺陷效应的信息，实现无损评佔。由于正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，所以采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测。这使得止电子湮没分析对大体积物体的检测受到了限制。为克服采用放射源时正电子湮没测试不适合于大体积物体检测的缺点，光致正电子湮没技术得以发展。这种技术利用高能X射线产生正电子，由于高能X射线具有很强的穿透性，因此即使是大体积的物体，X射线也可在其深处产生正电子，适合于对大体积的材料进行无损测试与评价。测试方法主要有正电子寿命测量、湮没Y角关联测量和湮没谱线多普勒增宽

6、三类。正电了寿命测量法通常用22Na作正电了源，源强为儿微居里到几十微居里。测试设备类似核能谱学中常用的系统，称之为正电子寿命谱仪，谱仪时间分辨率一般为3X10-10s左右，最好的已达1.7X10-10So22Na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y射线。用1・27MeV的Y光子标志正电了的产生，并作为起始信号，511keV的湮没辐射x光了标志正电子的“死亡”，并作为终止信号。两个信号之间的时间就是止电子的寿命。在凝聚态物体中，口由止电子湮没的平均寿命在1〜5X10—10s范围内。双Y角关联方法利用长狭缝角关联测量系统，该系统的正电子源通常为64Cu,22Na,58Co

7、，测量吋相对于固定探头以Z方向为轴转动另一探头，测出符合计数率随角度的分布，就可以得到电子在某个方向上的动量分布。该方法要求高精度的机械设备和强源（几十毫居里的点源），典型的角分辨力为0・5mradO有些工作采用多探测器系统可作两维动量分布的测量。测量多普勒增宽谱使用高能量分辨力Ge（Li）或高纯错半导体探测器，测量湮没辐射的能谱。能量分辨力可达1keV（对85Sr,514keV的y射线）左右。这种方法的优点