核效應分析正電子湮沒技術

正電子湮沒技術

及其應用PredictionofpositronExistenceofpositronspredictedbyPAMDiracin1928fromrelativistictheoryofelectrons.英國物理學家P.Dirac(1902---1984)Dirac’sequationimplies:positronmass=electronmasspositroncharge=+ePredictionofantimatterDiscoveryofantimatterAnderson(1932)discoveredthepositronpredictedbyDiracDiscoveryofantimatterPositivelychargedelectronsdetectedincosmicrayspassingthroughacloudchamberimmersedinamagneticfieldAcloudchamber(Wilsonchamber)wasnormallyusedatthattimetodetecttracksofchargedparticles.Itcontainedasupersaturatedvapour.Whenachargedparticleentersthechamber,itcollideswithairoralcoholvapouratoms,producingfreeions(ionisationprocess).Vapourinthechambercondensesaroundthesefreeions,formingdroplets.Thedropletsarewhatformthetrail.ExpansiontypecloudchamberOriginalWilsonchambercloudchamberTracksofparticlesinthecloudchamberParticletrackcanbephotographed.Cloudchambercanbeplacedinamagneticfield,thusallowingthemeasurementoftheparticlemomentumwhichisinverselyproportionaltothecurvature(曲率)

ofthetrackinthemagneticfield.Particlemomentumcomponentperpendiculartothefieldis

p(MeV/c)=0.310-3B(gauss)r(cm)whereristheradiusofcurvature.Differenttypesofparticleswillleavedifferenttrails.Alphaparticles,whicharerelativelyheavy,willproducestraightdensetrails(left).Slowelectronsleavewispy,irregulartrails(centre).Tracksofcosmic-rayparticlesareshownontheright.正電子的基本物理特性正電子是電子的反粒子。又稱陽電子，，一般用符號e+表示。兩者除電荷符號相反外,其他性質（靜止質量、電荷的電量、自旋）都相同。正電子的來源（Sourceofpositron）放射性核素的正β+衰變energypositronb

decayEg=1277keV22Na宇宙射線中的正電子電子對效應(Paire+-e-

Production)ApassingphotoncanbeperturbedbytheEM-fieldofanatom,causingthephotontodecayintoandelectron(e-)andapositron(e+).Electromagneticenergyisconvertedintomatter(massenergy).Thisiscalledpaircreation.Chargeconserved:0

e-+e+Energyconserved:Minimumphotonenergy(hνmin)iswhenMomentumconserved:Nucleusrequiredtoconservelinearmomentum.(agammaray)能量≥1.02MeV的γ射線與原子核作用可能產(chǎn)生一對正-負電子。

能量轉化成質量M=E/C2M＋γ→M+e++e-1.02MeVmeme

基本條件：Eγ1.02MeV電子對效應(續(xù)上)正-負電子云霧室徑跡圖正電子湮沒(PositronAnnihilation)正電子進入物質在短時間內迅速慢化到熱能區(qū),同周圍媒質中的電子相遇而湮沒。正電子與電子相遇，兩者同時消失而產(chǎn)生γ射線的過程成為正電子湮滅過程。這是質量轉化成能量的過程。正電子湮滅與電子對產(chǎn)生是正反物質表現(xiàn)出的兩個相反過程。即質量轉化成能量的過程和能量轉化成質量的過程。這是質能等效原理（E=MC2

）的見證。PositronAnnihilation(MasstoEnergy)PairProduction(EnergytoMass)正電子與電子相互作用發(fā)生湮滅時，主要是發(fā)射雙γ射線；而發(fā)射單個γ射線，只有當存在能吸收反沖動量的第三者（粒子）時，才有可能，發(fā)射單個γ射線的幾率是很小的；據(jù)計算，發(fā)生三個γ射線湮滅按自旋平均的截面，只是發(fā)生兩個γ射線湮滅的截面的0.27%。

所以，正電子與電子湮滅時，主要是產(chǎn)生雙γ射線的發(fā)射。實驗證實，湮滅產(chǎn)生的兩個γ射線具有嚴格的同時性和其直線性；兩個γ射線的能量完全相等（為511KeV），發(fā)射方向完全相反。Anelectron(e-)andapositron(e+)cancollide,destroyingoneanotheranliberatingenergyintheformofaphoton.Matter(massenergy)isconvertedintoelectromagneticenergyThisiscalledpositronannihilation.Chargeconserved:e-+e+0Energyconserved:Minimumphotonenergy(hνmin)iswhenMomentumconserved:Nonucleusrequiredtoconservelinearmomentum.(agammaray)PositronAnnihilationProcess正電子湮滅率（λ）

：高能正電子與介質原子周圍的電子單位時間內產(chǎn)生湮滅的幾率。λ的倒數(shù)即正電子的平均壽命τ。對雙光子效應理論推導有：

λ=πr02cne=4.52×109ρZ/A（s-1）

r0=e3/(mec2)為電子經(jīng)典半徑；

ne

為正電子所在處介質的電子密度；

c為光速；

ρ、Z、A分別為吸收物質的密度，原子序數(shù)和原子量。由表達式可以看出，湮滅幾率λ與正電子的速度無關。通過測量λ就能直接求出正電子湮滅時它所在處物質的電子密度ne，因此，正電子能夠用作檢驗介質中電子密度的一種檢驗粒子。湮滅信息反映物質中電子的動量分布。發(fā)生湮滅時，正電子已被充分熱化，能量為0.01eV

量級，但物質中電子的能量為幾個eV

量級。因此，在實驗室坐標系統(tǒng)中，電子對的動量值(實際為電子的動量，正電子動量幾乎為零)不等于零，湮滅后產(chǎn)生的兩個γ光子的運動方向，將會偏離其共直線。由動量守恒定律有(θ角非常小(〈10))：

θ≈PT/m0C(1800–θ)角為實驗室坐標系統(tǒng)中兩個γ光子之間的夾角；PT為電子的動量P在垂直于光子發(fā)射方向上的分量。由此測得的角關聯(lián)曲線能夠描述物質中被湮滅的電子的動量分布。P湮滅對的動量光子的動量光子的動量2γ湮滅過程中動量守恒的矢量圖湮滅輻射光子能量的多普勒移動。湮滅時正負電子對的運動還會引起在實驗室系統(tǒng)中所測得的湮滅光子能量的多普勒移動。通常頻率漂移可以表示為：

△ν/ν=VL/C

VL為湮滅時，正負電子對對于其質心的縱向速度，它等于PL/2m0而光子的能量正比于它的頻率。因此，能量為m0C2的光子的多普勒能量移動應為：

△E=(VL/C)E=CPL/2

由此式可看出，測量湮滅輻射光子能量的變化量，也能夠反映物質中電子的動量分布。正電子湮沒的實驗技術正電子湮沒的實驗方法：1)正電子湮沒壽命譜；2)正電子湮沒輻射角關聯(lián)譜；3)多普勒展寬譜；4)慢正電子束技術。正電子湮沒的實驗設備1)正電子壽命測量正電子譜學實驗通常使用正電子源是22Na，其衰變綱圖如圖所示。伴隨著正電子發(fā)射有一個起始信號，這就是生成核22Ne退激時發(fā)出的1.28MeV的

光子。正電子在樣品中湮沒后發(fā)出的能量為0.511MeV的

光子是湮沒事件的終止信號。正電子源22Na的衰變綱圖

正電子的壽命即為起始信號和終止信號之間的時間間隔，可用核電子學中的時間譜儀來測量。正電子壽命譜儀有兩種，即快--慢符合譜儀和快--快符合譜儀。快--慢符合譜儀比較復雜，且譜儀計數(shù)率比較低。近年來人們都采用快--快符合譜儀，它具有調節(jié)方便，計數(shù)率高等優(yōu)點。常用的快--快符合譜儀如圖所示?？?-快符合正電子壽命譜儀框圖

正電子源夾在兩片相同的樣品之間，并置于兩探頭中間。探頭由BaF2晶體(或塑料閃爍體)、光電倍增管XP2020Q及分壓線路組成。恒比定時甄別器(CFDD)具有兩種功能，既可以對所探測的

光子進行能量選擇，又可在探測到

光子時產(chǎn)生定時信號。調節(jié)CFDD(ORTEC583)的能窗，使兩探頭分別記錄同一個正電子所發(fā)出的起始和終止信號--1.28MeV和0.511MeV的光子。時間幅度轉換器TAC(ORTEC566)將這兩個信號之間的時間間隔轉換為一個高度與之成正比的脈沖信號輸入多道分析器MCA(ORTEC919)。MCA所記錄的即為正電子壽命譜。譜儀時間分辨率一般為3×10-10

s左右，最好的已達1.7×10-10

s。

表1正電子湮沒壽命的數(shù)量級自由態(tài)e+2

0.1-0.2ns捕獲態(tài)e+2

0.2-0.4nsp-Ps自湮沒2

0.125nso-Ps自湮沒3

142nso-Ps碰撞湮沒2

1-10ns在凝聚態(tài)物體中，自由正電子湮沒的平均壽命在(1～5)×10-10

s范圍內正電子壽命譜儀雙γ角關聯(lián)方法可參見長狹縫角關聯(lián)測量系統(tǒng)示意圖，這是一維長狹縫角關聯(lián)測量系統(tǒng)示意圖。正電子源通常為64Cu、22Na、58Co，測量時相對于固定探頭以Z方向為軸轉動另一探頭,測出符合計數(shù)率隨角度的分布,就可以得到電子在某個方向上的動量分布。該方法要求高精度的機械設備和強源(幾十毫居里的點源)，典型的角分辨率為0.5mrad。有些工作采用多探測器系統(tǒng)可作兩維動量分布的測量。2)雙γ角關聯(lián)方法3)多普勒能移測量電子--正電子對的運動會引起湮沒輻射在能量上的多普勒移動。用高能量分辨本領的固體探測器可以探測正電子湮沒輻射的多普勒展寬。多普勒展寬譜儀的實驗裝置如圖所示。正電子湮沒輻射多普勒展寬測量裝置

源--樣品夾心結構與壽命測量中所用的相同。高純鍺探頭測到的湮沒信號經(jīng)逐步放大后輸入多道分析器MCA，得到湮沒輻射的能譜。多普勒展寬譜儀的計數(shù)率與角關聯(lián)系統(tǒng)相比差不多大一百倍，收譜時間短，一般用5

Ci的正電子源測量一小時就足以滿足統(tǒng)計精度。然而，缺點是此系統(tǒng)的分辨率不夠高。目前Ge探測器最好的能量分辨在511KeV處為1KeV，相當于4mrad的等效角分辨率，這比角關聯(lián)裝置的分辨率大約差一個數(shù)量級。另外，這種系統(tǒng)還會出現(xiàn)電子學穩(wěn)定性問題，因此穩(wěn)譜器是必不可少的。多道分析器(ORTEC919)所帶的數(shù)字穩(wěn)譜器可以大大抑制系統(tǒng)的電子學漂移。由于多普勒展寬譜的能量分辨率較差，我們常用線型參數(shù)法來分析多普勒展寬譜的變化。常用的有S和W參數(shù)。S參數(shù)定義為511KeV峰中央的面積A與峰總計數(shù)C之比，而W參數(shù)則定義為峰兩側計數(shù)B與總計數(shù)C之比，即表示為：

S=A/CW=B/CS參數(shù)及W參數(shù)的定義如圖所示。S參數(shù)反映了低動量電子即價電子或傳導電子的動量信息，而W參數(shù)反映了高動量電子即芯電子的動量信息。4)慢正電子束技術常規(guī)正電子實驗方法利用放射源發(fā)射正電子，其能量一般都較高，而且能量分布很寬。因此只能研究塊狀材料體內的平均信息。隨著半導體技術不斷發(fā)展，材料的尺寸已越來越小，由三維發(fā)展到兩維、一微甚至零維。如何研究材料微區(qū)的結構信息已變得極為重要。近年來發(fā)展的慢正電子束技術可以用于研究研究材料的表面和界面結構。高能正電子通過慢化體慢化后，再將其加速至所需要的能量，并利用電磁聚焦，這樣就可以得到單能慢正電子束，其能量在0～幾十keV特范圍內連續(xù)可調。如果對慢正電子進行二次慢化和再聚焦，即可得到正電子微束，可進行掃描得到材料三微結構信息。目前利用這一方法研究的材料領域已由金屬、半導體擴展到聚合物的領域，并取得了非常有意義的結果。南華大學核科學技術學院正電子湮沒儀器系統(tǒng)正電子湮滅技術的應用正電子湮滅技術現(xiàn)在已發(fā)展成為物理學家、冶金學家、生物學家和醫(yī)生們的得力研究工具之一。被研究的物質形態(tài)及其發(fā)展，包括金屬、離子化合物、共價絕緣體化合物，半導體的高分子化合物，也包括固體的單晶、多晶、非晶體、液晶和生物膜等等。正電子與物質相互作用，對于電子非常敏感，可用來研究物質結構方面的問題，如空位、空位團、位錯以及微空洞和多種色心等原子尺度范圍的缺陷。由于慢正電子的入射動能很低，這項技術可用來研究固體純真表面的電子態(tài)和結構缺陷，已成為表面物理學的一種重要研究手段。醫(yī)生們應用放射性正電子同位素，對藥物作用于人體的過程予以示蹤，一旦藥物到達某一器官，探測湮滅產(chǎn)生的兩條γ射線就能準確地被查出。正電子湮滅技術對于金屬材料經(jīng)受高能粒子輻照后的退火研究是很有成效的。如右圖所示，通量為1.5×1015cm-2的快中子和通量為2×1016cm-2的10Mev電子照射鉬，然后對鉬進行等時退火的研究。1、對金屬材料輻射損傷的研究利用正電子湮滅壽命測量法對上述兩種輻照后的鉬樣品的數(shù)據(jù)分析表明，缺陷捕獲正電子的壽命τ，在升溫的起始階段，中子輻照樣品的值要比電子輻照樣品的值高很多。中子輻照后的鉬樣品的壽命τ，約為300PS，而電子輻照后的鉬樣品，未退火的空洞分量的壽命τ約為200PS。當退火溫度從1000C上升到4000C時，τ值都增加到約450PS。此后直到6000C，壽命值基本保持常數(shù)，此后隨溫度繼續(xù)增加，壽命直增至～600PS。這些和用電子顯微鏡的研究結果是一致的。正電子參數(shù)對空洞大小的依賴關系可用表面捕獲概念來進行理論計算。這種計算不但對動量密度曲線能作出符合實際的描述，而且對10埃左右或更大一些空洞所預言的飽和正電子壽命值τ為～450PS，是相符合的，而且對含有空洞的鉬樣品（其空洞平均直徑為9—45埃）所精確測定的正電子壽命值τ在～465PS左右保持不變的結果是一致的。由此可見，正電子壽命實際上反映了空洞的直徑，因此正電子湮滅技術可以作為探測小空洞的生長情況和材料發(fā)生膨脹的一種敏感探針。正電子湮滅輻射的角分布測量對于金屬輻照損傷的研究也很靈敏。鉬樣品是放在中子通量達1022cm-2的反應堆中進行中子照射。通過正電子湮滅輻射角關聯(lián)曲線測量表明：輻照后的鉬樣品角關聯(lián)曲線變窄了很多。這種變化可以借助于理論（空洞形成）作定量的估算。正電子湮滅技術比較早地用于研究離子晶體，并且已發(fā)展成為與傳統(tǒng)方法不同的具有某些特點的方法。對于含有較低缺陷濃度的鹵化堿樣品所作的壽命譜測量表明：射入鹵化堿的正電子的壽命譜表現(xiàn)礎復雜的結構。例如：對于室溫下的未處理過的KCl樣品，測得的主要壽命有τ1≈190PS，τ2=464±30PS，τ3=774±45PS。這個結果表明：未經(jīng)任何工藝處理的鹵化物，并不能代表完整晶體中正電子行為。因為總是有雜質和缺陷存在，所觀察到的某些譜成分可能就是由這類雜質和缺陷引起的。如圖所表示的就是測得的LiCl晶體中正電子湮滅壽命譜，實驗曲線可以分解為兩個指數(shù)衰變曲線，確定出τ1=236×10-10S和τ2=435×10-10S。2、關于室溫下低缺陷濃度晶體的研究LiCl中分解成為兩個指數(shù)衰變項的

正電子湮滅壽命譜生物組織中主要含有碳、氮和氧分別存在發(fā)射正電子的核素11C、14N和15O。如果利用這些放射正電子的核素合成有生理關系的標記化合物，如11Co,11Co2,H215O等，引入生物組織中，通過正電子與組織器官的相互作用，然后對發(fā)射的γ射線進行測量或測量或照像，就可以研究生物組織器官的新陳代謝，組織化學成分，血液循環(huán)，病理過程等課題。由于所使用的這些放射性核素的半衰期都不長，在人體中的照射量很小，因此不會或者很少造成對人體的損傷。由于以上個方面的特點，正電子湮滅技術對醫(yī)學研究將成為很有發(fā)展前途的一項技術。近年來，正電子湮滅層析技術應喲內個于醫(yī)學研究發(fā)展已引起醫(yī)學界的十分重視。下面僅就正電子湮滅層析技術作一些簡要介紹。3、正電子湮滅技術在醫(yī)學上的應用實例醫(yī)學上應用的正電子湮滅層析技術簡稱正電子照相。它是利用含有發(fā)射正電子的核素的化合物（藥劑）引入人體，產(chǎn)生湮滅輻射，穿過周圍組織后被探測器記錄，再利用計算機通過數(shù)學方法將記錄的訊號重建成被測客體的圖象，然后使圖象在熒光屏幕上清晰地顯示出來。正電子照相機結構原理如圖4所示。（1）正電子照相的基本原理正電子照相機結構原理圖正電子照相機不僅能顯示解剖性的圖象，而且能對生理過程作體外顯示，所以它具有能在體外對生理病變作定量分析的特點。正電子照相機不同于一般的γ照相機，它是由生物體自顯影，能顯示三維平面圖象，而且能精確定位。由于湮滅技術發(fā)射的兩條γ射線之間共直線，正電子照相能高精度地自然對準各器官之間的部位。兩束γ射線穿過人體組織的總厚度（不管放射源置于人體何處）總是相等的，所以吸收衰減容易校正，空間分辨率和靈敏度不受放射源放置深度的影響。通用的正電子照相，①要求發(fā)射正電子核素的壽命要短；②系統(tǒng)的分辨率和靈敏度要高；③所選擇的放射性核素作為生物學的示蹤化學元素要求不會影響其生物活性，而且易于標記各種代謝產(chǎn)物。正電子照相用的核素通常有兩種產(chǎn)生方法：一種是由加速器生產(chǎn)，如11C，13N，15O，16F等；另一種是由放射性同位發(fā)生器（要求母體半衰期足夠長，子體半衰期短）產(chǎn)生，如32Rb和68Ga等。表一列出了這類放射性同位素及其用作試劑的化合物。放射性同位素半衰期（分）主要產(chǎn)生方式放射性同位素及其試劑15O2.0416O(n,2n)14N(d,n)12C(d,n)C15O,C15O2,15O12N9.9612C(