正电子技术在材料研究中的应用课件

正电子技术在材料研究中的应用正电子组姜小盼正电子技术在材料研究中的应用正电子组1提纲正电子的基本知识正电子谱学的基本知识正电子组谱仪的基本情况提纲正电子的基本知识2正电子是人类发现的第一个反粒子1930年赵忠尧发现硬伽玛射线在重金属中的反常吸收和特殊辐射1932年安德逊在宇宙线中发现正电子1928年Dirac预言正电子的存在正电子是人类发现的第一个反粒子1930年赵忠尧发现硬伽玛射31930年，中国物理学家赵忠尧在美国加州理工学院做研究生。他的博士论文的题目为“硬γ射线通过物质时的吸收系数”。在研究过程中，赵忠尧发现了γ射线通过重元素时的“反常吸收”现象，并发现强度各向同性、能量在0.5兆电子伏左右的γ射线辐射，他称之为“特殊辐射”。但当时赵忠尧不知道狄拉克预言正电子存在的理论。论文题目：《硬γ射线的散射》1930年5月《美国国家科学院院报》1930年10月《物理评论》原高能物理研究所副所长赵忠尧院士正电子的发现(1902—1998)1930年，中国物理学家赵忠尧在美国加州理工学院做研究生。他4正电子的性质（1）基本物理性质寿命：在真空无电子环境，>21021年正电子属轻子族，不直接参与强相互作用是费米子，遵守Fermi-Dirac统计正电子与电子的基本物理量对比e+e-静止质量9.11x10-28g9.11x10-28g自旋1/21/2电荷1.602x10-19C-1.602x10-19C磁矩9.285×10-24A·M2

-9.285×10-24A·M2正电子的性质（1）基本物理性质e+e-静止质量9.11x105（2）湮没特性正电子作为电子的反粒子，和电子相遇时发生湮没，将其全部质量转换成电磁辐射，这一现象被称为正电子湮没（湮灭）现象。正电子的性质（2）湮没特性正电子的性质6正电子作为电子的反粒子，和电子结合变成光子遵从爱因斯坦公式：E=mc2辐射的光子携带湮没电子的信息正电子湮没e++e-

2

E=0.511MeV

正电子作为电子的反粒子，和电子结合变成光子辐射的光子携带湮没7正电子湮没谱学利用正电子与电子发生湮没现象，以核谱学方法分析材料微观结构的近代物理实验方法，是研究材料微观结构，特别是材料微观缺陷(如位错、空位、空位团、微空洞等)的特色方法，在固体物理、材料科学、物理冶金和化学等领域得到广泛应用。正电子湮没谱学利用正电子与电子发生湮没现象，以核谱学方法分析8常用正电子源核素半衰期

＋能量(MeV)

＋分支比(％)伴随（MeV）22Na2.6年0.54891.27658Co71天0.48150.8164Cu12.8小时0.6519少量68Ge68Ga279天1.8980少量正电子谱学方法—正电子源常用正电子源核素半衰期＋能量(MeV)＋分支比(％)9正电子与物质的相互作用正电子的热化：高能量的正电子进入固体中，在极短的时间内(约几个ps)，正电子与晶格点阵发生一系列非弹性碰撞，能量迅速减至晶格热振动能量KBT，这个过程称为热化阶段。正电子在样品中的射程取决于这个阶段

扩散阶段：热化后的正电子在材料中扩散与电子、声子以及晶体缺陷等相互作用，最终与周围介质中的一个电子发生湮没

自由湮没和捕获态湮没：在正电子的扩散阶段，正电子可能是自由的，即自由湮没；也可能形成某种区域化的束缚态而停止扩散，即捕获态湮没

正电子与物质的相互作用正电子的热化：高能量的正电子进入固体中10正电子谱学常规正电子湮没方法

基本测量技术（2湮没角关联、多普勒展宽、正电子湮没寿命）Sizeofopenvolume+intensity

多参数测量技术（CDB,AMOC）Sizeofopenvolume+intensity+chemicalspecies慢正电子束流（正电子束流能量可控，可应用于表面、界面）湮没特性测量Sizeofopenvolume+intensity+chemicalspecies+depthprofile正电子谱学技术(TOF-Auger，Ps-TOF)正电子谱学常规正电子湮没方法11慢正电子束流技术利用正电子在一些特定材料表面的发射现象，得到能量约为eV的低能正电子，并通过电磁场的聚焦和加速，获得单色、能量可调的正电子束流－－慢正电子束（低能正电子束）如何获得低能正电子慢正电子束流技术利用正电子在一些特定材料表面的发射12正电子湮没谱学基本实验方法正电子湮没寿命正电子湮没角关联正电子湮没多普勒能谱正电子湮没谱学基本实验方法正电子湮没寿命正电子湮没角关联正电13Doppler展宽谱线形参数Doppler展宽谱线形参数14正电子谱学参数与缺陷性质的关系

正电子谱学参数与缺陷性质的关系15正电子谱学新技术符合多普勒展宽测量技术AMOC测量技术Ps-TOF测量技术正电子谱学新技术符合多普勒展宽测量技术16高性能符合多普勒测量系统HPGeHPGe定时虑波放大器恒比定时延时定时虑波放大器恒比定时时幅转换器单道分析器符合主放大器放大器单道分析器放大器主放大器单道分析器计算机多道ADCADCPURPURGate样品和Ge68高性能符合多普勒测量系统HPGeHPGe定时虑波放大器恒比定17恒比定时BaF2快符合BaF2时幅转换器ADC计算机多参数符合单元主放大器PMTHPGePMTADC线性门恒比定时恒比定时定时滤波放大器源&样品符合计数率：70cps/10Ci,寿命谱分辨率～200ps,Doppler分辨率～1.2keV高性能AMOC测量系统ABC国际先进水平的测量系统恒比定时BaF2快符合BaF2时幅转换器ADC计算机多参数主18正电子素飞行时间谱正电子素飞行时间谱（PositroniumTimeofFlightSpectroscopy,Ps-TOF）是研究多孔材料的有效手段，相比于其它的材料测试方法，它在分析材料的开孔尺寸、方向以及连通性方面更有优势。目前世界上已建成Ps-TOF设备的单位有日本的KEK、东京大学、美国的LawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)等机构。正电子素飞行时间谱正电子素飞行时间谱（Positron19

电子偶素的猝灭

正电子素与周围介质发生作用的结果会使其寿命大大缩短（主要针对o-Ps），这个寿命骤然缩短的过程叫做猝灭。主要的猝灭过程有四种：拾取（Pick-off）猝灭、磁猝灭、化学猝灭和正-仲转换猝灭。正电子素（Positronium）电子偶素的猝灭正电子素（Positronium）20o-Ps在多孔薄膜中的发射能#1#2InitialenergyafeweVPsSi#1#2Pso-Ps在多孔薄膜中的发射能#1#2Initialener21Ps-TOF谱与材料性质的关系Ps-TOF谱与材料性质的关系22-detectorZShieldSamplePulsede+beamtStopStarte+o-Pso-Pso-Ps建立基于脉冲束的正电子偶素飞行时间(Ps-TOF)测量系统-detectorZShieldSamplePulse23

o-PsPs-ToFPs-TOF谱仪的物理设计Positroniumtimeofflightspectroscopy(Ps-TOF)isaneffectivetechniqueforporousmaterialresearch

o-PsPs-ToFPs-TOF谱仪的物理设计Positr24正电子素飞行时间谱装置示意图正电子素飞行时间谱装置示意图25Ps-TOF装置参数设计

多孔二氧化硅Eo-Ps(eV)T(μs)δT(μs)12.38d2.38δd31.37d1.37δdPs-TOF装置参数设计多孔二氧化硅Eo26Ps-TOF装置参数设计■编写程序计算不同a(狭缝宽度)、b(狭缝高度)条件下的时间展宽δT，同时利用Geant4软件建模，计算不同条件下，o-Ps在狭缝中轴线与束流传输线交点处发生湮没产生的γ光子穿过狭缝的效率。■R取30mm，取a在1mm-5mm之间变化，b在10mm-100mm之间变化管道半径R=30mm狭缝宽度a=3mm狭缝高度b=70mmδT=7.63ns效率=0.318%Ps-TOF装置参数设计■编写程序计算不同a(狭缝宽度27闪烁体探测器的技术改进闪烁体探测器的技术改进28闪烁体探测器的技术改进闪烁体探测器的技术改进29闪烁体探测器的技术改进1）减小了光线的平均光程，将其有效信号比例提高了14.3%，峰值提高了5.46%，提高了探测器的探测效率。2）减小了光线的光程差异，将其信号的半高全宽（FWHM）由2.44ns缩减到2.41ns，十分之一高宽由5.98ns缩减到了4.82ns，提高了探测器的时间分辨。3）节省了材料，降低了造价。闪烁体探测器的技术改进1）减小了光线的平均光程，将其有效信号30Ps-TOF谱仪设计图Ps-TOF谱仪设计图31正电子技术研究平台基于加速器慢正电子束流放射源慢正电子束流多普勒展宽、3能谱、正电子散射截面高分辨寿命谱仪AMOC测量系统符合多普勒系统正电子寿命谱仪多普勒、正电子寿命、CDB、AMOC、Ps-TOF常规正电子湮没谱学性能先进较完备的材料制备、样品处理实验室多参数测量基本测量测量方法和手段完善、齐全，性能指标一流，国内外为数不多正电子技术研究平台基于加速器慢正电子束流放射源慢正电子束32SlowPositronBeamBasedon22NaSlowPositronBeamBasedon2233基于正负电子对撞机的慢正电子强束流系统基于正负电子对撞机的慢正电子强束流系统34基于北京正负电子对撞机的慢正电子强束流基于北京正负电子对撞机的慢正电子强束流35

涉及的技术：微束团化、射频电路系统、探测系统国内最早实现慢正电子寿命测量的装置（德/日/美/中）国内最早实现慢正电子寿命测量的装置36慢束：16课题组，120样品，1200有效小时常规正电子谱学：21课题组，260样品，500有效小时正电子束流平台对外开放合作研究工作全年连续24小时运转，满足用户需要，性能稳定，指标先进2008年2009年主要用户单位：北京大学、中科院金属研究所、401所、中物院、清华大学、中科院兰州近物所、中科院理化所、中科院半导体所、北京航空航天大学、北京科技大学、浙江理工大学、天津大学、四川大学、浙江大学、浙江工业大学、哈尔滨工业大学、东北大学、华东理工大学、四川大学、浙江文理学院、江苏大学、中科院研究生院、山东大学，（约33个单位）等慢束：24课题组，92样品，1000有效小时常规正电子谱学：9课题组，167样品,400有效小时多参数测量：5课题组，40样品，1200有效小时慢束：正电子束流平台对外开放合作研究工作全年连续24小时运转37用户发表论文2008年1篇PRL，2篇JAP2009年用户发表论文：22篇2009年1篇APL，1篇Carbon，1篇JACS，1篇JAP1篇Langmuir，1篇ScriptaMaterialia

1篇PRL（新加坡国立大学，PRL补充实验，2010年已发表）其中：APL,Carbon,Langmuir大部分结果是正电子实验用户发表论文2008年1篇PRL，2篇JAP其中：A38

谢谢！

39正电子技术在材料研究中的应用正电子组姜小盼正电子技术在材料研究中的应用正电子组40提纲正电子的基本知识正电子谱学的基本知识正电子组谱仪的基本情况提纲正电子的基本知识41正电子是人类发现的第一个反粒子1930年赵忠尧发现硬伽玛射线在重金属中的反常吸收和特殊辐射1932年安德逊在宇宙线中发现正电子1928年Dirac预言正电子的存在正电子是人类发现的第一个反粒子1930年赵忠尧发现硬伽玛射421930年，中国物理学家赵忠尧在美国加州理工学院做研究生。他的博士论文的题目为“硬γ射线通过物质时的吸收系数”。在研究过程中，赵忠尧发现了γ射线通过重元素时的“反常吸收”现象，并发现强度各向同性、能量在0.5兆电子伏左右的γ射线辐射，他称之为“特殊辐射”。但当时赵忠尧不知道狄拉克预言正电子存在的理论。论文题目：《硬γ射线的散射》1930年5月《美国国家科学院院报》1930年10月《物理评论》原高能物理研究所副所长赵忠尧院士正电子的发现(1902—1998)1930年，中国物理学家赵忠尧在美国加州理工学院做研究生。他43正电子的性质（1）基本物理性质寿命：在真空无电子环境，>21021年正电子属轻子族，不直接参与强相互作用是费米子，遵守Fermi-Dirac统计正电子与电子的基本物理量对比e+e-静止质量9.11x10-28g9.11x10-28g自旋1/21/2电荷1.602x10-19C-1.602x10-19C磁矩9.285×10-24A·M2

-9.285×10-24A·M2正电子的性质（1）基本物理性质e+e-静止质量9.11x1044（2）湮没特性正电子作为电子的反粒子，和电子相遇时发生湮没，将其全部质量转换成电磁辐射，这一现象被称为正电子湮没（湮灭）现象。正电子的性质（2）湮没特性正电子的性质45正电子作为电子的反粒子，和电子结合变成光子遵从爱因斯坦公式：E=mc2辐射的光子携带湮没电子的信息正电子湮没e++e-

2

E=0.511MeV

正电子作为电子的反粒子，和电子结合变成光子辐射的光子携带湮没46正电子湮没谱学利用正电子与电子发生湮没现象，以核谱学方法分析材料微观结构的近代物理实验方法，是研究材料微观结构，特别是材料微观缺陷(如位错、空位、空位团、微空洞等)的特色方法，在固体物理、材料科学、物理冶金和化学等领域得到广泛应用。正电子湮没谱学利用正电子与电子发生湮没现象，以核谱学方法分析47常用正电子源核素半衰期

＋能量(MeV)

＋分支比(％)伴随（MeV）22Na2.6年0.54891.27658Co71天0.48150.8164Cu12.8小时0.6519少量68Ge68Ga279天1.8980少量正电子谱学方法—正电子源常用正电子源核素半衰期＋能量(MeV)＋分支比(％)48正电子与物质的相互作用正电子的热化：高能量的正电子进入固体中，在极短的时间内(约几个ps)，正电子与晶格点阵发生一系列非弹性碰撞，能量迅速减至晶格热振动能量KBT，这个过程称为热化阶段。正电子在样品中的射程取决于这个阶段

扩散阶段：热化后的正电子在材料中扩散与电子、声子以及晶体缺陷等相互作用，最终与周围介质中的一个电子发生湮没

自由湮没和捕获态湮没：在正电子的扩散阶段，正电子可能是自由的，即自由湮没；也可能形成某种区域化的束缚态而停止扩散，即捕获态湮没

正电子与物质的相互作用正电子的热化：高能量的正电子进入固体中49正电子谱学常规正电子湮没方法

基本测量技术（2湮没角关联、多普勒展宽、正电子湮没寿命）Sizeofopenvolume+intensity

多参数测量技术（CDB,AMOC）Sizeofopenvolume+intensity+chemicalspecies慢正电子束流（正电子束流能量可控，可应用于表面、界面）湮没特性测量Sizeofopenvolume+intensity+chemicalspecies+depthprofile正电子谱学技术(TOF-Auger，Ps-TOF)正电子谱学常规正电子湮没方法50慢正电子束流技术利用正电子在一些特定材料表面的发射现象，得到能量约为eV的低能正电子，并通过电磁场的聚焦和加速，获得单色、能量可调的正电子束流－－慢正电子束（低能正电子束）如何获得低能正电子慢正电子束流技术利用正电子在一些特定材料表面的发射51正电子湮没谱学基本实验方法正电子湮没寿命正电子湮没角关联正电子湮没多普勒能谱正电子湮没谱学基本实验方法正电子湮没寿命正电子湮没角关联正电52Doppler展宽谱线形参数Doppler展宽谱线形参数53正电子谱学参数与缺陷性质的关系

正电子谱学参数与缺陷性质的关系54正电子谱学新技术符合多普勒展宽测量技术AMOC测量技术Ps-TOF测量技术正电子谱学新技术符合多普勒展宽测量技术55高性能符合多普勒测量系统HPGeHPGe定时虑波放大器恒比定时延时定时虑波放大器恒比定时时幅转换器单道分析器符合主放大器放大器单道分析器放大器主放大器单道分析器计算机多道ADCADCPURPURGate样品和Ge68高性能符合多普勒测量系统HPGeHPGe定时虑波放大器恒比定56恒比定时BaF2快符合BaF2时幅转换器ADC计算机多参数符合单元主放大器PMTHPGePMTADC线性门恒比定时恒比定时定时滤波放大器源&样品符合计数率：70cps/10Ci,寿命谱分辨率～200ps,Doppler分辨率～1.2keV高性能AMOC测量系统ABC国际先进水平的测量系统恒比定时BaF2快符合BaF2时幅转换器ADC计算机多参数主57正电子素飞行时间谱正电子素飞行时间谱（PositroniumTimeofFlightSpectroscopy,Ps-TOF）是研究多孔材料的有效手段，相比于其它的材料测试方法，它在分析材料的开孔尺寸、方向以及连通性方面更有优势。目前世界上已建成Ps-TOF设备的单位有日本的KEK、东京大学、美国的LawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)等机构。正电子素飞行时间谱正电子素飞行时间谱（Positron58

电子偶素的猝灭

正电子素与周围介质发生作用的结果会使其寿命大大缩短（主要针对o-Ps），这个寿命骤然缩短的过程叫做猝灭。主要的猝灭过程有四种：拾取（Pick-off）猝灭、磁猝灭、化学猝灭和正-仲转换猝灭。正电子素（Positronium）电子偶素的猝灭正电子素（Positronium）59o-Ps在多孔薄膜中的发射能#1#2InitialenergyafeweVPsSi#1#2Pso-Ps在多孔薄膜中的发射能#1#2Initialener60Ps-TOF谱与材料性质的关系Ps-TOF谱与材料性质的关系61-detectorZShieldSamplePulsede+beamtStopStarte+o-Pso-Pso-Ps建立基于脉冲束的正电子偶素飞行时间(Ps-TOF)测量系统-detectorZShieldSamplePulse62

o-PsPs-ToFPs-TOF谱仪的物理设计Positroniumtimeofflightspectroscopy(Ps-TOF)isaneffectivetechniqueforporousmaterialresearch

o-PsPs-ToFPs-TOF谱仪的物理设计Positr63正电子素飞行时间谱装置示意图正电子素飞行时间谱装置示意图64Ps-TOF装置参数设计

多孔二氧化硅Eo-Ps(eV)T(μs)δT(μs)12.38d2.38δd31.37d1.37δdPs-TOF装置参数设计多孔二氧化硅Eo65Ps-TOF装置参数设计■编写程序计算不同a(狭缝宽度)、b(狭缝高度)条件下的时间展宽δT，同时利用Geant4软件建模，计算不同条件下，o-Ps在狭缝中轴线与束流传输线交点处发生湮没产生的γ光子穿过狭缝的效率。■R取30mm，取a在1mm-5mm之间变化，b在10mm-100mm之间变化管道半径R=30mm狭缝宽度a=3mm狭缝高度b=70mmδT=7.63ns效率=0.318%Ps-TOF装置参数设计■编写程序计算不同a(狭缝宽度66闪烁体探测器的技术改进闪烁体探测器的技术改进67闪烁体探测器的技术改进闪烁体探测器的技术改进68闪烁体探测器的技术改进1）减小了光线的平均光程，将其有效信号比例提高了14.3%，峰值提高了5.46%，提高了探测器的探测效率。2）减小了光线的光程差异，将其信号的半高全宽（FWHM）由2.44ns缩减到2.41ns，十分之一高宽由5.98ns缩减到了4.82ns，提高了探测器的时间分辨。3）节省了材料，降低了造价。闪烁体探测器的技术改进1）减小了光线的平均光程，将其有效信号69Ps-TOF谱仪设计图Ps-TOF谱仪设计图70正电子技术研究平台基于加速器慢正电子束流放射源慢正电