第8章正电子湮没技术概述.ppt

核分析基础及应用 主要内容 概述 第一节 正电子谱学原理 第二节 实验技术 第三节 应用 概 述 概 述 概 述 概 述 概 述 第一节 正电子谱学原理 一、基础知识 1.正电子性质 是电子的反粒子，两者除电荷符号相反外，其他性质（静止质量、电荷的电量、自旋）都相同。 正电子比较罕见，可以由β+衰变产生，也可由核反应和电子直线加速器产生，还可以通过γ射线与物质的相互作用产生。而普通电子较容易发现，在一切原子的原子核外都可发现。 第一节 正电子谱学原理 一、基础知识 1.正电子性质 按照能量高低可以分为： 高能正电子 (2MeV) 低能正电子 (2MeV，用于正电子湮没技术) 第一节 正电子谱学原理 一、基础知识 2.正电子与物质相互作用过程：热化—扩散—湮没 第一节 正电子谱学原理 一、基础知识 2.正电子与物质相互作用过程：热化—扩散—湮没 第一节 正电子谱学原理 一、基础知识 2.正电子与物质相互作用过程：热化—扩散—湮没 第一节 正电子谱学原理 一、基础知识 2.正电子与物质相互作用过程：热化—扩散—湮没 第一节 正电子谱学原理 3.正电子与电子湮没：2?湮没 第一节 正电子谱学原理 4.正电子素 在气体、液体和某些固体介质中，正电子能够束缚一个电子而形成一种短寿命的原子即正电子素(Positronium，简写为Ps)。 可以认为Ps是一种最轻的原子，因为其原子量只有氢原子的1/920。 Ps的结构类似于氢，其原子半径约为氢的两倍，而结合能只有氢原子的二分之一。 第一节 正电子谱学原理 5.正电子与电子湮没：3?湮没 根据正电子与电子的自旋是互相平行还是反平行，Ps形成两种态，即三重态正电子素(o-Ps)和单态正电子素(p-Ps)，这两种正电子素具有不同的宇称。 由于湮没过程属电磁相互作用应满足宇称守恒，p-Ps可以发生2?湮没，而o-Ps只能发生3?湮没，即放出3个?光子。 量子电动力学证明，p-Ps寿命较短，只有125ps，但o-Ps寿命较长，在真空中为142ns。 双光子淹没几率和三光子淹没几率之比为372:1 第一节 正电子谱学原理 二、正电子湮没谱参数 1.正电子的寿命 自由正电子在其运动速度v远小于光速c时，单位时间发生2?湮没的几率为： 式中r0是经典电子半径，c为光速，ne是正电子所在处的电子密度。 通常把?简称为湮没率，将其倒数定义为正电子的寿命?，即： 正电子寿命?反比于ne，就是说正电子所“看见”的电子密度越低，则其寿命越长。 湮灭几率与正电子的速度无关。通过测量?就能直接求出正电子湮灭时它所在处物质的电子密度ne，因此，正电子能够用作检验介质中电子密度的一种检验粒子。 第一节 正电子谱学原理 2.湮灭信息反映物质中电子的动量分布 发生湮灭时，正电子已被充分热化，能量为 0.01eV 量级，但物质中电子的能量为几个 eV 量级。因此，在实验室坐标系统中，电子对的动量值(实际为电子的动量，正电子动量几乎为零) 不等于零，湮灭后产生的两个γ光子的运动方向，将会偏离其共直线。 第一节 正电子谱学原理 3.湮灭辐射光子能量的多普勒移动 因湮没电子对有动量而相对探测器运动，使得探测到的湮没辐射会产生多普勒效应，相应的γ光子能量以511keV中心有一相对移动，该能量移动叫多普勒能移。 多普勒能移的大小与湮没电子对动量有关，同时反映出电子动量。电子动量有一分布，使得能移也有一分布。多普勒能移也反映电子动量信息。多普勒能移导致谱线加宽。 第一节 正电子谱学原理 三、基本原理 正负电子对相遇时会同时消失继而转变成2或3个γ光子，这一过程称为正负电子对湮没（简称正电子湮没）。 在不同的材料中，正电子的湮没机制及湮没寿命各不相同，它能反映出材料的微观结构和电子密度等信息。 正电子湮没技术就是利用正电子与物质的相互作用，以获得有关凝聚态物质内部及表面微观结构和缺陷信息的一种实验技术。 第二节 实验技术 一、工作方法 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研究物质微观结构的变化。 由正电子寿命可获取有关介质电子密度信息。 第二节 实验技术 一、工作方法 正电子湮没基本实验方法： 寿命测量、角关联测量、多普勒展宽测量、 慢正电子束技术。 第二节 实验技术 二、正电子放射源 基本要求： 需具有高的正电子辐射发射率。 发射正电子辐射要有足够的能量(以达到能从源物质出射并进入样品的要求) 放射源的半衰期应足够的长 正电子湮没技术使用的正电子源多由原子核衰变产生。 22Na，64Cu，58Co，55Co，57Ni，68Ge，90Nb。。。 第二节 实验技术 三、正电子寿命测量 最