正電子湮沒譜學(xué)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上正電子湮沒譜學(xué)試題2016，2，181. 簡述閃爍體探測器的基本組成和工作原理。答：閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的電離、激發(fā)而產(chǎn)生的熒光來探測電離輻射的探測器。閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器三個主要部分組成。射線進入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使閃爍體原子、分子電離或激發(fā)。受激原子退激而發(fā)出熒光光子。然后利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多的收集到光電倍增管的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個增加到104-109個，電子流在陽極負載上產(chǎn)生電信號，此信號由電子儀器記錄和分析。2. 簡述正電子譜

2、學(xué)的基本原理（正電子的產(chǎn)生，正電子注入、熱化、湮沒過程，典型壽命值等）。答： 正電子是電子的反粒子，它不天然存在，因為遇電子會發(fā)生湮沒，往往用人工辦法產(chǎn)生。主要的產(chǎn)生正電子的方法有兩種，一種方法是通過加速器或反應(yīng)堆，利用核反應(yīng)生成缺中子放射源，如22Na，64Cu，58Co等等。另外一種方法是通過高能光子的電子對效應(yīng)產(chǎn)生正電子。而實驗中常常使用第一種方法，從放射源發(fā)出的高能正電子入射至固體表面時，它可能被表面散射，也可能穿透表面進入材料體內(nèi)。當(dāng)正電子進入材料體內(nèi)后，由于正電子帶正電，故在固體中正電子受到同樣帶正電的原子實強烈排斥。正電子通過與原子實以及電子的非彈性碰撞而很快損失動能，在約13p

3、s內(nèi)慢化到熱能。這一過程稱為正電子的熱化。熱化后正電子能量為32kBT,室溫下為0.025eV。熱化后的正電子在固體中擴散，在擴散過程中會與電子發(fā)生自由湮沒，也可能被一個空位型缺陷捕獲后湮沒。正電子湮沒后發(fā)射2個或3個光子，而由于正電子與電子的湮沒過程是電子-正電子對質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電磁能量的相對論質(zhì)能轉(zhuǎn)換過程，由量子電動力學(xué)的不變性導(dǎo)出的選擇定則表明，2衰變與3衰變的事件比為371:1，因此主要的過程是2湮沒。當(dāng)正電子速度遠低于光速c時，其湮沒率（=1/，為正電子壽命）為：=r02cne,（1）其中ne正電子周圍的電子密度。而正電子壽命與湮沒率是互為倒數(shù)的關(guān)系，所以我們通過測量正電子壽命，可以得到

4、正電子所在處的電子密度。實際上，式（1）給出的湮沒率是用獨立粒子模型近似的結(jié)果。因此根據(jù)此式計算得到的金屬正電子壽命約為600ps，這明顯大于我們實際測量的金屬中的正電子壽命。產(chǎn)生這一差別的原因在于正電子與電子的電荷符號相反，它們之間存在著強烈的庫侖吸引作用，正電子周圍的電子密度會增強（稱為屏蔽效應(yīng)），從而明顯地縮短正電子的壽命。因此，在計算正電子在材料中湮沒率時，應(yīng)考慮電子-正電子的關(guān)聯(lián)。正電子-電子湮沒對的動能一般為幾電子伏，在質(zhì)心坐標系中，光子的能量為m0c2=511keV，2個光子嚴格朝相反方向運動，然而在實驗室坐標系中，由于湮沒對的動量不為零，2個光子的運動方向?qū)⒉辉谝粭l直線上，其偏

5、角為：PTm0c。 （2）通常非常小（<1o）。由于熱化后的正電子動量幾乎為零，因此與正電子湮沒的電子能量與動量就是湮沒對的能量和動量，所以測量得到的角關(guān)聯(lián)曲線可反映物質(zhì)的電子的動量分布。此外，在實驗室坐標系中，由于電子-正電子湮沒對具有動量，它還會引起湮沒輻射能量的多普勒移動。由于頻移為/=L/c,其中L為湮沒對質(zhì)心的縱向速度。因此可得湮沒輻射的多普勒能移為：E=cPL/2。 （3）所以湮沒輻射的多普勒展寬譜也反映了材料中電子的動量密度分布。當(dāng)正電子被空位型缺陷（如位錯、空位、微孔洞等）捕獲時，由于缺陷處電子密度減小，正電子壽命將變長。在凝聚態(tài)物質(zhì)中，自由正電子的壽命一般在100200

6、ps之間，而捕獲態(tài)正電子的壽命在200400ps之間。另外，在缺陷處由于缺少了原子，正電子與高動量的核芯電子湮沒發(fā)生的概率降低，因此導(dǎo)致湮沒輻射角關(guān)聯(lián)或多普勒展寬譜形變窄。因此通過測量以上的正電子湮沒參數(shù)，即可了解缺陷的信息。3. 簡述正電子的兩態(tài)捕獲模型，以及正電子湮沒測量缺陷濃度的原理。答：在用正電子湮沒壽命譜（PALS）研究固體中的缺陷時，所測得的壽命譜經(jīng)過源修正和去本底后，可以用幾個指數(shù)衰變成分之和進行擬合。一般情況下，所測樣品中只存在一種缺陷，即正電子壽命只有兩個分量。因此，在分析正電子壽命譜時，所用的模型函數(shù)為正電子的數(shù)目對時間的微分：dN(t)dt=-N0I11exp-t1+I2

7、2exp-t2 ， （4）式中：N0-壽命譜經(jīng)過源成分修正和去本底后的總計數(shù)，也即是（4）式對時間的積分；1，2兩個分量的表觀壽命；I1，I2兩個壽命分量的相應(yīng)強度。上式還要考慮壽命譜儀分辨函數(shù)的影響，即模型函數(shù)為式（4）與分變函數(shù)的卷積。上述的正電子湮沒壽命譜的解析過程可以用正電子的捕獲模型來解釋。在捕獲模型中，正電子被缺陷捕獲可以通過一組微分方程來描述，即自由正電子在非局域態(tài)湮沒的速率方程和被捕獲的正電子在局域態(tài)湮沒的速率方程。兩態(tài)捕獲模型即材料中只存在一種類型的缺陷時，上述動力學(xué)方程為：dnb(t)dt=-b+nbt, (5)dnb(t)dt=-dndt+nbt,式中：nb（t），nd（

8、t）分別為t時刻正電子在體態(tài)和缺陷態(tài)的數(shù)目；b,d正電子在體態(tài)和缺陷態(tài)的湮沒率；缺陷的捕獲率。式（5）的初始條件為nb（0）=N0，N0為t=0時正電子的總數(shù)目，即正電子在完全熱化之前沒有發(fā)生捕獲現(xiàn)象。上式的解即為正電子的衰變譜：Nt=N0I1exp-t1+I2exp-t2, (6)其中：1=1b+ , 2=1d=d ,（7） I1+I2=1, I2=b-d+ 。在式（7）中，1，I1和I2均與捕獲率有關(guān)，因此也與缺陷的濃度有關(guān)。1，I1，2，I2可以通過對壽命譜進行非線性擬合得到。正電子的捕獲率可以通過下式計算得出：=Cd=I211-12=I2I1(1b-1d) , (8)式中：正電子捕獲系

9、數(shù)。此外，如果在樣品中正電子的體壽命b和缺陷態(tài)壽命d已知的話，正電子的捕獲率則只需要平均壽命m的值就可以得到：=Cd=1bm-bd-m 。 （9） 因此，在正電子的捕獲系數(shù)已知的情況下，正電子壽命實驗可以測量缺陷的濃度。除了從正電子壽命測量直接得到捕獲率之外，通過湮沒輻射的多普勒展寬測量，我們也可以得到缺陷的很多信息。多普勒展寬反映的是所測固體中的電子動量分布的信息。通常用S參數(shù)和W參數(shù)來表征多普勒展寬譜形的變化，分別定義為中心部分和兩側(cè)的計數(shù)與511keV湮沒峰的總計數(shù)之比。有缺陷捕獲正電子時，S參數(shù)增大，而W參數(shù)減小。當(dāng)只存在一種類型的缺陷時，測量所得的S參數(shù)與完整晶格中的S參數(shù)（Sb）和

10、缺陷處的S參數(shù)（Sd）有以下關(guān)系： S=(1-f)Sb+fSd, (10)式中：f正電子被缺陷捕獲的比例，f=/(b+)。因此，在已知Sb和Sd以及b后，通過測量得到的S參數(shù)，同樣可以求出捕獲率以及缺陷的濃度。4. 簡述電子偶素的概念、形成、湮沒過程及檢驗方法。答：正電子除了與電子發(fā)生湮沒外，還會結(jié)合一個電子形成一種亞穩(wěn)態(tài)原子，稱為電子偶素（positronium），其符號為Ps。為了形成電子偶素，材料中的電子密度必須足夠低。對于電子偶素的形成機制，目前已經(jīng)提出了許多模型。如俄勒模型、氣泡模型等，而廣為接受的是Mogensen提出的徑跡模型以及Stepanov提出的液滴模型。正電子在入射至體內(nèi)

11、后會產(chǎn)生一條徑跡，沿著這條徑跡，將會產(chǎn)生大量的二次電子。在正電子徑跡的終端，產(chǎn)生的二次電子數(shù)目最多。正電子將與這些徑跡終端的電子相互作用，形成電子偶素。電子偶素有兩種態(tài)，即p-Ps和o-Ps，前者稱為仲電子偶素，后者稱為正態(tài)電子偶素。對于入射的非極化正電子，自旋呈對稱分布，因此在沒有正仲轉(zhuǎn)換的情況下，有75%的可能形成o-Ps，25%的可能形成p-Ps。對于o-Ps，其中的電子和正電子具有相同的自旋，因此稱為三重態(tài)，而對于p-Ps，電子和正電子具有反向的自旋，稱為單一態(tài)。P-Ps通常發(fā)生自湮沒，即正電子與其中的電子湮沒，發(fā)射2個511keV的光子。對于o-Ps，在真空中才發(fā)生自湮沒。由于自旋守

12、恒，o-Ps的自湮沒將發(fā)射3個光子。理論計算p-Ps自湮沒壽命約為125ps，而o-Ps的自湮沒壽命則長達約142ns。o-Ps在材料中形成后，會拾取周圍的一個電子，使得正電子與之發(fā)生湮沒，從而使o-Ps的壽命大大縮短至110ns。這稱為o-Ps的拾取湮沒，拾取湮沒只發(fā)生2個光子。與自由正電子的湮沒不同，o-Ps能進行具有自身特性的3衰變，有一個相當(dāng)長的自湮沒壽命，而且湮沒光子的能譜是連續(xù)的。因此，通常是通過探測o-Ps的湮沒信號來探測電子偶素形成，常用技術(shù)有如下幾種。第一，測量3與2產(chǎn)額之比。當(dāng)正電子自由湮沒時，3與2產(chǎn)額之比為1/378。然而若有一部分正電子形成了電子偶素，則由于o-Ps與

13、p-Ps的狀態(tài)數(shù)之比為3:1，而o-Ps衰變?yōu)?，因此在有電子偶素形成時測得的3與2產(chǎn)額必大于1/378。第二，測量正電子湮沒壽命。在凝聚態(tài)物質(zhì)中，正電子壽命通常為幾百ps。若有電子偶素形成，o-Ps的自湮沒壽命長達142ns，且電子偶素的拾取湮沒壽命僅幾ns，與前者相比差很多，故可用測量壽命譜的方法來探測電子偶素形成。第三，測量湮沒輻射的角關(guān)聯(lián)。與前兩種方法不同，湮沒輻射的角關(guān)聯(lián)主要探測p-Ps的湮沒信號。因為p-Ps壽命極短，基本是自湮沒并發(fā)射2.特別是熱化后的p-Ps質(zhì)心動能與湮沒光子能量相比極小，因而出去局域態(tài)的p-Ps將在角關(guān)聯(lián)譜中產(chǎn)生一個極窄的峰。而正電子的湮沒以及o-Ps的拾取湮

14、沒都是與能量約幾電子伏甚至更高的電子湮沒，故它們在角關(guān)聯(lián)譜上的相應(yīng)動量比p-Ps大得多。此外，還有一些實驗技術(shù)是通過測量o-Ps與物質(zhì)相互作用而使其壽命縮短的證據(jù)來說明湮沒電子偶素的形成。如電子偶素和某些分子的化學(xué)反應(yīng)，會使其壽命大大縮短，叫化學(xué)淬滅。外加磁場也能使一部分o-Ps的壽命大大縮短，叫磁淬滅。因此，如果能探測到化學(xué)淬滅和磁淬滅，也可以間接判斷有電子偶素形成。5. 簡述雙探頭符合多普勒展寬譜儀的基本原理及優(yōu)點。答：由于電子-正電子對具有一定的動量，導(dǎo)致湮沒對的動量不為零。在質(zhì)心坐標系中，光子的能量為m0c2=511keV,2個光子嚴格朝相反方向運動，然而在實驗室坐標系中，由于湮沒對的

15、動量不為零，2個光子的運動方向?qū)⒉辉谝粭l直線上，二是偏離一定的角度。通常非常?。?lt;1o），近似為：PT/m0c。 （11）在實驗室坐標系中，由于電子-正電子湮沒對運動也會導(dǎo)致湮沒輻射的多普勒展寬，即湮沒輻射的光子能量為E=m0c2±E，由于頻移為/=L/c,可得多普勒能移=cPL/2。實際上由于正電子在湮沒之前已通過各種方式將能量降低至熱能（0.025eV），而電子的能量通常為幾電子伏，因此正電子的動量可以忽略不計，則多普勒展寬測量主要反映了電子的動量分布。多普勒展寬利用高能量分辨率的高純Ge半導(dǎo)體探測器進行測量，但所測得的譜通常有很高的本底。其峰計數(shù)與高能端本底之比高達150:1，在低能端的本底更高。因此多普勒展寬的細微變化通常被過高的本底所掩蓋，尤其是與高動量核芯電子有關(guān)的部分，本身相對計數(shù)就比較低。如果用常規(guī)的多普勒展寬測量則很難研究核芯電子的動量分布。而核芯電子通常帶有原子核的內(nèi)稟特征，測量其動量分布能鑒別原子種類，有助于研究缺陷的亞點陣，即缺陷周圍的化學(xué)環(huán)境。為了對研究對象的元素種類進行鑒別可進行雙探頭符合多普勒展寬測量，兩個探頭呈180o角反向排列。對于兩個高純Ge探測器，其探測到的2個湮沒光子能量分別為E1和E2，則有：E1=m0c2+cPL/2-Eb/2, (12)E2=m0c2-cPL/2-Eb/2, (13)上兩式中：m0電子的靜止