正電子技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用課件

1、正電子技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用正電子組姜小盼提綱正電子的基本知識正電子譜學(xué)的基本知識正電子組譜儀的基本情況正電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子1930年 趙忠堯發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)正電子1928年 Dirac預(yù)言正電子的存在1930年，中國物理學(xué)家趙忠堯在美國加州理工學(xué)院做研究生。他的博士論文的題目為“硬射線通過物質(zhì)時(shí)的吸收系數(shù)”。在研究過程中，趙忠堯發(fā)現(xiàn)了射線通過重元素時(shí)的“反常吸收”現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度各向同性、能量在0.5兆電子伏左右的射線輻射，他稱之為“特殊輻射”。但當(dāng)時(shí)趙忠堯不知道狄拉克預(yù)言正電子存在的理 論。 論文題目：硬射線的散射 19

2、30年5月美國國家科學(xué)院院報(bào) 1930年10月物理評論原高能物理研究所副所長趙忠堯院士正電子的發(fā)現(xiàn)(19021998)正電子的性質(zhì)（1）基本物理性質(zhì)壽命：在真空無電子環(huán)境，21021年正電子屬輕子族，不直接參與強(qiáng)相互作用是費(fèi)米子，遵守Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)正電子與電子的基本物理量對比e+e-靜止質(zhì)量9.11x10-28g9.11x10-28g自 旋1/21/2電 荷1.602 x10-19C-1.602 x10-19C磁 矩9.28510-24 AM2 -9.28510-24 AM2（2）湮沒特性正電子作為電子的反粒子，和電子相遇時(shí)發(fā)生湮沒，將其全部質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電磁輻射，這一現(xiàn)象被稱為正電子

3、湮沒（湮滅）現(xiàn)象。正電子的性質(zhì)正電子作為電子的反粒子，和電子結(jié)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 正電子湮沒譜學(xué)利用正電子與電子發(fā)生湮沒現(xiàn)象，以核譜學(xué)方法分析材料微觀結(jié)構(gòu)的近代物理實(shí)驗(yàn)方法，是研究材料微觀結(jié)構(gòu)，特別是材料微觀缺陷(如位錯(cuò)、空位、空位團(tuán)、微空洞等)的特色方法，在固體物理、材料科學(xué)、物理冶金和化學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。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(shí)0.6519少量68Ge 6

4、8Ga279天1.8980少量正電子譜學(xué)方法正電子源正電子與物質(zhì)的相互作用正電子的熱化：高能量的正電子進(jìn)入固體中，在極短的時(shí)間內(nèi)(約幾個(gè)ps)，正電子與晶格點(diǎn)陣發(fā)生一系列非彈性碰撞，能量迅速減至晶格熱振動(dòng)能量KBT，這個(gè)過程稱為熱化階段。正電子在樣品中的射程取決于這個(gè)階段 擴(kuò)散階段：熱化后的正電子在材料中擴(kuò)散與電子、聲子以及晶體缺陷等相互作用，最終與周圍介質(zhì)中的一個(gè)電子發(fā)生湮沒 自由湮沒和捕獲態(tài)湮沒：在正電子的擴(kuò)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(qū)域化的束縛態(tài)而停止擴(kuò)散，即捕獲態(tài)湮沒 正電子譜學(xué)常規(guī)正電子湮沒方法 基本測量技術(shù)（2湮沒角關(guān)聯(lián)、多普勒展寬、正電子湮沒壽命）Si

5、ze of open volume + intensity 多參數(shù)測量技術(shù)（CDB,AMOC）Size of open volume + intensity + chemical species慢正電子束流（正電子束流能量可控，可應(yīng)用于表面、界面） 湮沒特性測量 Size of open volume + intensity + chemical species+ depth profile 正電子譜學(xué)技術(shù) (TOF-Auger，Ps-TOF)慢正電子束流技術(shù) 利用正電子在一些特定材料表面的發(fā)射現(xiàn)象，得到能量約為 eV的低能正電子，并通過電磁場的聚焦和加速，獲得單色、能量可調(diào)的正電子束流 慢正

6、電子束（低能正電子束）如何獲得低能正電子正電子湮沒譜學(xué)基本實(shí)驗(yàn)方法正電子湮沒壽命正電子湮沒角關(guān)聯(lián)正電子湮沒多普勒能譜Doppler展寬譜線形參數(shù)正電子譜學(xué)參數(shù)與缺陷性質(zhì)的關(guān)系 正電子譜學(xué)新技術(shù)符合多普勒展寬測量技術(shù)AMOC測量技術(shù)Ps-TOF測量技術(shù)高性能符合多普勒測量系統(tǒng)HPGeHPGe定時(shí)慮波放大器恒比定時(shí)延時(shí)定時(shí)慮波放大器恒比定時(shí)時(shí)幅轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)多道ADCADCPURPURGate樣品和Ge68恒比定時(shí)BaF2快符合BaF2時(shí)幅轉(zhuǎn)換器ADC計(jì)算機(jī)多參數(shù)符合單元主放大器PMTHPGePMTADC線性門恒比定時(shí)恒比定時(shí)定時(shí)濾波放大

7、器源&樣品符合計(jì)數(shù)率：70 cps/10Ci,壽命譜分辨率200ps,Doppler分辨率1.2 keV高性能AMOC測量系統(tǒng)ABC國際先進(jìn)水平的測量系統(tǒng)正電子素飛行時(shí)間譜 正電子素飛行時(shí)間譜（Positronium Time of Flight Spectroscopy, 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(yōu)勢。目前世界上已建成Ps-TOF設(shè)備的單位有日本的KEK、東京大學(xué)、美國的Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)等機(jī)構(gòu)。 電子偶素的猝滅 正電子素與周圍介質(zhì)發(fā)

8、生作用的結(jié)果會(huì)使其壽命大大縮短（主要針對o-Ps） ，這個(gè)壽命驟然縮短的過程叫做猝滅。主要的猝滅過程有四種：拾取（Pick-off）猝滅、磁猝滅、化學(xué)猝滅和正-仲轉(zhuǎn)換猝滅。正電子素（ Positronium ）o-Ps在多孔薄膜中的發(fā)射能#1#2Initial energy a few eVPsSi#1#2PsPs-TOF譜與材料性質(zhì)的關(guān)系 - detectorZShieldSamplePulsed e+ beamtStopStarte+o-Pso-Pso-Ps建立基于脈沖束的正電子偶素飛行時(shí)間(Ps-TOF)測量系統(tǒng) o-PsPs-ToFPs-TOF譜儀的物理設(shè)計(jì)Positronium ti

9、me of flight spectroscopy (Ps-TOF) is an effective technique for porous material research 正電子素飛行時(shí)間譜裝置示意圖Ps-TOF裝置參數(shù)設(shè)計(jì) 多孔二氧化硅Eo-Ps (eV)T (s)T (s)12.38d2.38d31.37d1.37dPs-TOF裝置參數(shù)設(shè)計(jì) 編寫程序計(jì)算不同a(狹縫寬度)、b(狹縫高度)條件 下的時(shí)間展寬T，同時(shí)利用Geant4軟件建模， 計(jì)算不同條件下，o-Ps在狹縫中軸線與束流傳輸 線交點(diǎn)處發(fā)生湮沒產(chǎn)生的光子穿過狹縫的效 率。 R取30 mm，取a在1 mm-5 mm之間變化，

10、b在10 mm-100 mm之間變化 管道半徑 R=30 mm 狹縫寬度 a=3 mm 狹縫高度 b=70 mmT=7.63 ns效率=0.318%閃爍體探測器的技術(shù)改進(jìn)閃爍體探測器的技術(shù)改進(jìn)閃爍體探測器的技術(shù)改進(jìn)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2.44 ns縮減到 2.41 ns，十分之一高寬由5.98 ns縮減到了4.82 ns，提高了探測器的時(shí)間分 辨。3）節(jié)省了材料，降低了造價(jià)。Ps-TOF譜儀設(shè)計(jì)圖正電子技術(shù)研究平臺基于加速器慢正電子束流放射源慢正電

11、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(tǒng)符合多普勒系統(tǒng)正電子壽命譜儀多普勒、正電子壽命、CDB、AMOC、Ps-TOF常規(guī)正電子湮沒譜學(xué)性能先進(jìn)較完備的材料制備、樣品處理實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)測量基本測量測量方法和手段完善、齊全，性能指標(biāo)一流，國內(nèi)外為數(shù)不多Slow Positron Beam Based on 22Na基于正負(fù)電子對撞機(jī)的慢正電子強(qiáng)束流系統(tǒng)基于北京正負(fù)電子對撞機(jī)的慢正電子強(qiáng)束流 涉及的技術(shù)：微束團(tuán)化、射頻電路系統(tǒng)、探測系統(tǒng)國內(nèi)最早實(shí)現(xiàn)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(shí)常規(guī)正電子譜學(xué)：21課題組，260樣品，500有效小時(shí)正電子束流平臺對外開放合作研究工作全年連續(xù)24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足用戶需要，性能穩(wěn)定，指標(biāo)先進(jìn)2008年2009年主要用戶單位：北京大學(xué)、中科院金屬研究所、401所、中物院、清華大學(xué)、中科院蘭州近物所、中科院理化所、中科院半導(dǎo)體所、北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、浙江理工大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)、浙江大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、華東理工大學(xué)、四川大學(xué)、浙江文理學(xué)院、江蘇大學(xué)、中科院研究生院、山東大學(xué)，（約33個(gè)單位）等慢束：24課題組，92樣品，1000有效小時(shí)常規(guī)正電子譜學(xué)：9課題組， 167樣品, 400有效小時(shí)多參數(shù)測量：5課題組，40樣品，1200