【高質量】慢正電子譜學中國科學技術大學PPT文檔

慢正電子譜學中國科學技術大學（優(yōu)選）慢正電子譜學中國科學技術大學一、正電子概況2023/9/27我國第一個慢正電子束裝置（3）可以大大消除的二次電子本底。因此正電子對最初的3-4層原子層特別靈敏。在液態(tài)Ar和Kr中在3ns處有一極大值。The‘longlaboratory’電荷：與電子電荷數(shù)量相等1932FoundincosmicRadiationsbyAnderson5ns)的特征峰來自于正電子或Ps在介孔和塊體上的湮滅;(1902—1998)pairproduction(g->e++e-)Classicalpicture所以三種湮滅之間的關系為：2023/9/27正電子發(fā)現(xiàn)PredictedbyDirac2023/9/272023/9/27PredictedbyDiracFoundbyZ.Y.Zhao正電子發(fā)現(xiàn)2023/9/27(1902—1998)中國科學技術大學近代物理系的創(chuàng)建者和首任系主任

1930年春天，趙忠堯先生在CIT實驗時發(fā)現(xiàn)，γ射線被鉛散射時，除康普頓散射外，伴隨著反常吸收還有一種特殊的光輻射出現(xiàn)。當時測定的這種特殊輻射的強度是大致各向同性的，并且每個光子的能量與一個電子質量的相當能量很接近。它揭示了一種新的反應機制。趙忠堯將這個實驗結果寫成第二篇論文，題目為《硬γ射線的散射》，并于1930年10月在美國《物理評論》雜志上發(fā)表。

趙忠堯2023/9/27PredictedbyDiracFoundbyZ.Y.ZhaoFoundincosmicRadiationsby

Anderson

正電子發(fā)現(xiàn)2023/9/27PositronCloudChamber

PhotographLargercurvature

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plateCarlAnderson

1905-19912023/9/27PredictedbyDiracFoundbyZ.Y.Zhao1932

FoundincosmicRadiationsby

Anderson

1940’sFirststudiesofElectronicstructures1950’sEstablishmentofPositronAnnihilationSpectroscopyFirstLINACbasedPositronGeneration1982Slowpositronbeams正電子發(fā)現(xiàn)2023/9/27正電子的性質質量：等于電子質量電荷：與電子電荷數(shù)量相等磁矩：與電子磁矩相等，ge/2m0c壽命：在真空無電子環(huán)境，>2

1021年正電子屬輕子族，所以它是費米子，遵守Fermi-Dirac統(tǒng)計；不直接參與強相互作用。2023/9/27正電子產(chǎn)生b+-decaypairproduction(g->e++e-)2023/9/27(22Na->22Ne+e++ue+g(1.28MeV))2023/9/27PositroniumQuantumpictureClassicalpicturee-densitye+densityjointdensity2023/9/27Theresultingapproximationfortheground-stateenergyofpositroniumis-6.811±5.05×10-4eV,whichagreesfavorablywiththeacceptedvalueof-6.805eV.2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27Thetheoreticalcalculationo-PslifetimebycompletionofthefullsecondorderinaQEDcorrections(~230ppm)is

l=7.039979(11)ms-1(1.6ppm)Experimentalresult(2001):l=7.0404(10)(8)ms-1,t=142.037+-0.026(ns)2023/9/27二、正電子湮滅探測技術2023/9/27正電子壽命測量技術多普勒展寬測量技術二維角關聯(lián)技術壽命-動量關聯(lián)測量技術3g測量技術壽命-幅度關聯(lián)測量技術慢束正電子衍射技術PAES微束2023/9/272023/9/27正電子技術的優(yōu)越性各種電鏡、盧瑟福背散射、中子衍射、深能級瞬發(fā)譜、二次離子譜等，雖然各自給出了許多有價值的結果，但這些方法基本上不能給出原子尺度局域缺陷及微觀物相變化的信息，并且多為破壞性測量或造成較大的輻照損傷。正電子技術是一種無損和高靈敏的探測技術，對復雜材料的分析具有明顯的優(yōu)越性。正電子探針已在基礎研究中發(fā)揮了巨大的作用，廣泛地應用于研究凝聚態(tài)材料、介孔材料、半導體和超導體、納米材料、高聚物化學、量子信息等學科，同時也在工業(yè)方面有著巨大的應用潛力，受到各國科學接和工業(yè)界的重視。2023/9/27正電子技術的優(yōu)越性

對缺陷及原子尺度的微結構變化極為靈敏；無損探測；可探測真實表面（幾個原子層）的物理化學信息；探測物體內部局域電子密度及動量分布；正電子是電子的反粒子，容易與電子分辨,又可形成電子偶素；慢正電子技術具有能量可調性，因而可獲得缺陷或結構不均勻性沿樣品深度的分布。2023/9/27OM:OpticalMicroscopy nS:neutronScatteringTEM:TransmissionElectronMicroscopyXRS:X-RayScatteringSTM:ScanningTunnelingMicroscopyAFM:AtomicForceMicroscopy正電子技術與其它技術2023/9/27主要湮滅途徑：單光子，雙光子和三光子正電子湮滅單光子湮滅只有存在著吸收反沖動量的第三個粒子時才有可能。2023/9/27在費曼圖中，每增加一個頂點，湮滅截面就要乘以一個因子a，a是精細結構常數(shù)對單光子湮滅，還要乘以減弱因子，因為湮滅只有存在著吸收反沖動量的原子附近發(fā)生，這個因子正比于a3。所以三種湮滅之間的關系為：2023/9/27正電子湮滅基本測量技術2023/9/27壽命測量2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27Positronlifetimesforsomesemiconductors.ThesolidandopencirclesgivetheGGAandLDAresultsasafunctionoftheexperimentalones,respectively.2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27實測的正電子壽命譜2023/9/272023/9/27鋁的熱平衡缺陷聚乙烯的熱弛豫過程2023/9/27Positroninteractionswithcondensedmatter

2023/9/27AtypicalPALSspectrumwiththreefilmPslifetimesfittedusingPOSFIT.2023/9/27T-E公式Tao1972,Eldrupetal.1981Chem.Phys.63,51

,如果半徑>2.3nm

whereinair=100nsbutinvacuum142ns2023/9/27

Thedependencyofo-PslifetimeversustheporeradiusaccordingtotheTao-Eldrupequation.2023/9/27

ComparisononPALStechniquewithothermethods

2023/9/27OpenPorosityPs在室溫下的速率為8

106cm/s,在壽命期內在直徑為5-10nm的介孔內可以有1-2

106次碰撞.Ps可以容易地擴散回到真空表面,大部分的Ps湮滅發(fā)生在表面真空(142ns).2023/9/27典型的開介孔壽命譜.一個較短壽命(<0.5ns)的特征峰來自于正電子或Ps在介孔和塊體上的湮滅;另一個長壽命分量占(35-40%).aporoussilicafilm長壽命分量的擬合值是140ns,即在真空中湮滅.表明介孔內部是高度連通,Ps可以容易擴散到真空表面.開介孔2023/9/27ACu-cappedporoussilicafilm:35nsand3.5ns;Oxide-cappedsilicafilm:94ns;ThisreductionofthePslifetimeisalmostcertainlyduetoCucoatingontheinnerporesurfaceswherePsannihilationwouldbeenhancedbythehighdensityoffreeelectronsinCu.

2023/9/27多普勒展寬2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/272023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27提高峰底比~1052023/9/272023/9/27元素的“指紋鑒別”2023/9/272023/9/27比例親和勢(eV)湮滅比例AlMgCr97.25/2.5/0.25-4.41/-6.18/-2.6269.6/29.8/0.62023/9/27二維角關聯(lián)Qx,y=px,y/mocResolution:0.2~5mrad(0.05~1.2keV)2023/9/27

e+-e-湮沒產(chǎn)生的2γ的夾角與180°有一微小的偏離。實驗同時測量e+-e-湮沒產(chǎn)生的2γ關聯(lián)信號，可以獲得電子動量分布信息，并且可進一步得到費米面形貌，研究能帶結構等。同CDB相似,二維角關聯(lián)（2D-ACAR）可以由e+-e-凐滅的動量分布來獲得電子結構的信息，特別對單晶材料。2023/9/272023/9/27

The‘longlaboratory’A2D-ACARsetupcoupledtotheintense(8*107e+/s)monochromaticslowe+beamPOSH(POSitronsfromtheHORreactor)isusedfordepth-selectiveresearch.2023/9/27壽命-動量關聯(lián)2023/9/27AMOC技術按測量壽命的起始觸發(fā)信號分，主要有兩種：采用觸發(fā)γ（1.28MeV）作起始信號，即所謂的AMOC-γγΔEγ技術；采用正電子作起始信號，即AMOC-β+γΔEγ技術。2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27AMOC應用O-Ps在凝聚態(tài)物質中的湮沒主要有以下幾種形式：

pick-off湮沒正-仲轉換磁猝滅化學猝滅正電子凝聚態(tài)物質中的湮沒2023/9/27“pickedoff”annihilation2023/9/27在液態(tài)Ar和Kr中在3ns處有一極大值。分析表明，液態(tài)Ar和Kr中有Ps氣泡從一個附加的delocalized亞穩(wěn)o-Ps態(tài)中形成2023/9/27p-Ps和o-Ps熱化湮滅的各種特性。2023/9/27

3gmeasurement2023/9/27PositroninteractionswithcondensedmatterPositroninteractionswithcondensedmatter分析表明，液態(tài)Ar和Kr中有Ps氣泡從一個附加的delocalized亞穩(wěn)o-Ps態(tài)中形成Positroninteractionswithcondensedmatter它揭示了一種新的反應機制。SiC單晶在不同條件退火后缺陷的變化28MeV）作起始信號，即所謂的AMOC-γγΔEγ技術；05×10-4eV,whichagreesfavorablywiththeacceptedvalueof-6.電荷：與電子電荷數(shù)量相等電荷：與電子電荷數(shù)量相等OpenPorosityThesolidandopencirclesgivetheGGAandLDAresultsasafunctionoftheexperimentalones,respectively.OpenPorosity5ns)的特征峰來自于正電子或Ps在介孔和塊體上的湮滅;Positroninteractionswithcondensedmatter長壽命分量的擬合值是140ns,即在真空中湮滅.（2）在非常低的能量損失下（大約比電子俄歇譜EAES的能量損失低5個量級）得到PAES譜；它揭示了一種新的反應機制。2023/9/272023/9/272023/9/27相變2023/9/272023/9/272023/9/272D-PALS2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27Positronlifetimespectra(upper)andthree-gammaratio(lower)asafunctionofannihilationtimeforcapped(

)andnoncapped(

)porousSiO2films.2023/9/27慢正電子束技術2023/9/27Tableshowstypicalvaluesfortheefficiency,emissionenergyandenergyspreadofselectedmaterialsanddifferentgeometries.2023/9/272023/9/272023/9/27我國第一個慢正電子束裝置2023/9/27A=4.0μgcm-2keV-1.6平均注入深度隨能量變化大約從1nm到幾個mm。2023/9/272023/9/27SiC單晶在不同條件退火后缺陷的變化2023/9/27脈沖慢正電子束2023/9/27Cross-sectionalviewofthechopperandbuncher.2023/9/272023/9/272023/9/272023/9/27正電子衍射（低能和高能）PAES技術正電子表面研究技術2023/9/27

幾十多年以來，科學家們致力于尋找最合適的研究固體表面的探針，電子、正電子、光子、原子和離子都可作為研究表面的探針，然而，一個理想的表面結構探針應該具有以下的2個基本特性：粒子與表面的相互作用應該較弱，以使測量結構可以被精確地模擬計算。

粒子必須要有小的平均自由程(<30A

)，即要對表面靈敏；

2023/9/27

正電子最合適作為表面探針的理想粒子：因為它在固體中的平均自由程很短，事實上，對能量低于200eV的正電子，其平均自由程比電子平均自由程要短；對能量大于200eV的正電子，平均自由程與電子類似。因此正電子對最初的3-4層原子層特別靈敏。正電子的散射因子與X-射線和電子基本類似。而電子的散射因子有尖銳的各向異性角分布，而正電子的角分布圓滑變化。2023/9/272023/9/272023/9/27低能正電子衍射LEPD2023/9/27美國Brandeis大學慢正電子譜儀和球形LEED-LEPD譜儀。B-正電子源，C-90園柱形鏡，D-慢化和加亮，E-樣品和衍射譜儀。

2023/9/27美國Brookhaven實驗室和

Bell實驗室及其它研究中心也已經(jīng)開始發(fā)展LEPD測量技術。

2023/9/27俄歇電子發(fā)射的基本原理