核效应正电子湮没技术

正电子湮没技术

及其应用PredictionofpositronExistenceofpositronspredictedbyPAMDiracin1928fromrelativistictheoryofelectrons.英国物理学家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.正电子的基本物理特性正电子是电子的反粒子。又称阳电子，，一般用符号e+表示。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。正电子的来源（Sourceofpositron）放射性核素的正β+衰变energypositronb

decayEg=1277keV22Na宇宙射线中的正电子电子对效应(Paire+-e-

Production)ApassingphotoncanbeperturbedbytheEM-fieldofanatom,causingthephotontodecayintoandelectron(e-)andapositron(e+).Electromagneticenergyisconvertedintomatter(massenergy).Thisiscalledpaircreation.Chargeconserved:0e-+e+Energyconserved:Minimumphotonenergy(hνmin)iswhenMomentumconserved:Nucleusrequiredtoconservelinearmomentum.(agammaray)能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。

能量转化成质量M=E/C2M＋γ→M+e++e-1.02MeVmeme

基本条件：Eγ1.02MeV电子对效应(续上)正-负电子云雾室径迹图正电子湮没(PositronAnnihilation)正电子进入物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电子相遇而湮没。正电子与电子相遇，两者同时消失而产生γ射线的过程成为正电子湮灭过程。这是质量转化成能量的过程。正电子湮灭与电子对产生是正反物质表现出的两个相反过程。即质量转化成能量的过程和能量转化成质量的过程。这是质能等效原理（E=MC2）的见证。PositronAnnihilation(MasstoEnergy)PairProduction(EnergytoMass)正电子与电子相互作用发生湮灭时，主要是发射双γ射线；而发射单个γ射线，只有当存在能吸收反冲动量的第三者（粒子）时，才有可能，发射单个γ射线的几率是很小的；据计算，发生三个γ射线湮灭按自旋平均的截面，只是发生两个γ射线湮灭的截面的0.27%。所以，正电子与电子湮灭时，主要是产生双γ射线的发射。实验证实，湮灭产生的两个γ射线具有严格的同时性和其直线性；两个γ射线的能量完全相等（为511KeV），发射方向完全相反。Anelectron(e-)andapositron(e+)cancollide,destroyingoneanotheranliberatingenergyintheformofaphoton.Matter(massenergy)isconvertedintoelectromagneticenergyThisiscalledpositronannihilation.Chargeconserved:e-+e+0Energyconserved:Minimumphotonenergy(hνmin)iswhenMomentumconserved:Nonucleusrequiredtoconservelinearmomentum.(agammaray)PositronAnnihilationProcess正电子子湮灭灭率（（λ）：高能正正电子子与介介质原原子周周围的的电子子单位位时间间内产产生湮湮灭的的几率率。λ的倒数数即正正电子子的平平均寿寿命τ。对双双光子子效应应理论论推导导有：：λ=πr02cne=4.52××109ρZ/A（s-1）r0=e3/(mec2)为电子子经典典半径径；ne为正电电子所所在处处介质质的电电子密密度；；c为光速速；ρ、Z、A分别为为吸收收物质质的密密度，，原子子序数数和原原子量量。由表达达式可可以看看出，，湮灭几几率λ与正电电子的的速度度无关关。通过测测量λ就能直直接求求出正正电子子湮灭灭时它它所在在处物物质的的电子子密度度ne，因此此，正电子子能够够用作作检验验介质质中电电子密密度的的一种种检验验粒子子。湮灭信信息反反映物物质中中电子子的动动量分分布。。发生湮湮灭时时，正正电子子已被被充分分热化化，能能量为为0.01eV量级，，但物物质中中电子子的能能量为为几个个eV量级。。因此此，在在实验验室坐坐标系系统中中，电电子对对的动动量值值(实实际为为电子子的动动量，，正电电子动动量几几乎为为零)不不等于于零，，湮灭灭后产产生的的两个个γ光子的的运动动方向向，将将会偏偏离其其共直直线。。由动量量守恒恒定律律有(θ角非常常小(〈10))：θ≈PT/m0C(1800–θ)角为实实验室室坐标标系统统中两两个γ光子之之间的的夹角角；PT为电子子的动动量P在垂直直于光光子发发射方方向上上的分分量。由此测测得的的角关关联曲曲线能能够描描述物物质中中被湮湮灭的的电子子的动动量分分布。P湮灭对的动量光子的动量光子的动量2γ湮灭过程中动量守恒的矢量图湮灭辐辐射光光子能能量的的多普普勒移移动。。湮灭时时正负负电子子对的的运动动还会会引起起在实实验室室系统统中所所测得得的湮湮灭光光子能能量的的多普普勒移移动。。通常常频率率漂移移可以以表示示为：：△ν/νν=VL/CVL为湮灭灭时，，正负负电子子对对对于其其质心心的纵纵向速速度，，它等等于PL/2m0而光子子的能能量正正比于于它的的频率率。因因此，，能量量为m0C2的光子子的多多普勒勒能量量移动动应为为：△E=(VL/C)E=CPL/2由此式式可看看出，，测量湮湮灭辐辐射光光子能能量的的变化化量，，也能能够反反映物物质中中电子子的动动量分分布。。正电子子湮没没的实实验技技术正电子子湮没没的实实验方方法：：1)正电子子湮没没寿命命谱；；2)正电子子湮没没辐射射角关关联谱谱；3)多普勒勒展宽宽谱；；4)慢正电电子束束技术术。正电子子湮没没的实实验设设备1)正电子子寿命命测量量正电子子谱学学实验验通常常使用用正电电子源源是22Na，，其衰变变纲图图如图图所示示。伴伴随着着正电电子发发射有有一个个起始信信号，这就就是生生成核核22Ne退激时时发出出的1.28MeV的光子。。正电电子在在样品品中湮湮没后后发出出的能能量为为0.511MeV的光子是是湮没没事件件的终止信信号。正电子源22Na的衰变纲图

正电子的寿命即为起始信号和终止信号之间的时间间隔，可用核电子学中的时间谱仪来测量。正电子子寿命命谱仪仪有两两种，，即快快--慢符符合谱谱仪和和快--快快符合合谱仪仪。快快--慢符符合谱谱仪比比较复复杂，，且谱谱仪计计数率率比较较低。。近年年来人人们都都采用用快--快符符合谱谱仪，它具具有调调节方方便，，计数数率高高等优优点。。常用用的快快--快符符合谱谱仪如如图所所示。。快--快符合正电子寿命谱仪框图

正电子子源夹夹在两两片相相同的的样品品之间间，并并置于于两探探头中中间。。探头头由BaF2晶体(或塑塑料闪闪烁体体)、、光电电倍增增管XP2020Q及分压压线路路组成成。恒恒比定定时甄甄别器器(CFDD)具有两两种功功能，，既可可以对对所探探测的的光子进进行能能量选选择，，又可可在探探测到到光子时时产生生定时时信号号。调调节CFDD(ORTEC583)的能窗窗，使使两探探头分分别记记录同同一个个正电电子所所发出出的起起始和和终止止信号号--1.28MeV和0.511MeV的光子子。时时间幅幅度转转换器器TAC(ORTEC566)将这两两个信信号之之间的的时间间间隔隔转换换为一一个高高度与与之成成正比比的脉脉冲信信号输输入多多道分分析器器MCA(ORTEC919)。。MCA所记录录的即即为正正电子子寿命命谱。。谱仪时时间分分辨率率一般般为3×10-10s左右，，最好好的已已达1.7×10-10s。表1正正电电子湮湮没寿寿命的的数量量级自由态e+20.1-0.2ns捕获态e+20.2-0.4nsp-Ps自湮没20.125nso-Ps自湮没3142nso-Ps碰撞湮没21-10ns在凝聚聚态物物体中中，自自由正正电子子湮没没的平平均寿寿命在在(1～5)××10-10s范围内内正电子子寿命命谱仪仪双γ角关联联方法法可参参见长狭缝缝角关关联测测量系系统示示意图图，这是一一维长长狭缝缝角关关联测测量系系统示示意图图。正正电子子源通通常为为64Cu、、22Na、、58Co，，测量时时相对对于固固定探探头以以Z方向为为轴转转动另另一探探头,测出符符合计计数率率随角角度的的分布布,就就可以以得到到电子子在某某个方方向上上的动动量分分布。。该方法法要求求高精精度的的机械械设备备和强强源(几十十毫居居里的的点源源)，，典型型的角角分辨辨率为为0.5mrad。。有些工工作采采用多多探测测器系系统可可作两两维动动量分分布的的测量量。2)双双γ角关联联方法法3)多普勒勒能移移测量量电子--正正电子子对的的运动动会引引起湮湮没辐辐射在在能量量上的的多普普勒移移动。。用高高能量量分辨辨本领领的固固体探探测器器可以以探测测正电电子湮湮没辐辐射的的多普普勒展展宽。。多普普勒展展宽谱谱仪的的实验验装置置如图图所示示。正电子湮没辐射多普勒展宽测量装置

源--样品品夹心心结构构与寿寿命测测量中中所用用的相相同。。高纯纯锗探探头测测到的的湮没没信号号经逐逐步放放大后后输入入多道道分析析器MCA，，得到湮没没辐射的的能谱。。多普勒勒展宽谱谱仪的计计数率与与角关联联系统相相比差不不多大一一百倍，，收谱时时间短，，一般用用5Ci的正电子子源测量量一小时时就足以以满足统统计精度度。然而而，缺点点是此系系统的分分辨率不不够高。。目前Ge探测器最最好的能能量分辨辨在511KeV处为1KeV，，相当于4mrad的等效角角分辨率率，这比比角关联联装置的的分辨率率大约差差一个数数量级。。另外，，这种系系统还会会出现电电子学稳稳定性问问题，因因此稳谱谱器是必必不可少少的。多多道分析析器(ORTEC919)所带的数数字稳谱谱器可以以大大抑抑制系统统的电子子学漂移移。由于多普普勒展宽宽谱的能能量分辨辨率较差差，我们们常用线线型参数数法来分分析多普普勒展宽宽谱的变变化。常常用的有有S和W参数。S参数定义义为511KeV峰中央的的面积A与峰总计计数C之比，而而W参数则定定义为峰峰两侧计计数B与总计数数C之比，即即表示为为：S=A/CW=B/CS参数及W参数的定定义如图图所示。。S参数反映映了低动动量电子子即价电电子或传传导电子子的动量量信息，，而W参数反映映了高动动量电子子即芯电电子的动动量信息息。4)慢正电子子束技术术常规正电电子实验验方法利利用放射射源发射射正电子子，其能能量一般般都较高高，而且且能量分分布很宽宽。因此此只能研研究块状状材料体体内的平平均信息息。随着着半导体体技术不不断发展展，材料料的尺寸寸已越来来越小，，由三维维发展到到两维、、一微甚甚至零维维。如何何研究材材料微区区的结构构信息已已变得极极为重要要。近年来发发展的慢慢正电子子束技术术可以用用于研究究研究材材料的表表面和界界面结构构。高能能正电子子通过慢慢化体慢慢化后，，再将其其加速至至所需要要的能量量，并利利用电磁磁聚焦，，这样就就可以得得到单能能慢正电电子束，，其能量量在0～～几十keV特范围内内连续可可调。如如果对慢慢正电子子进行二二次慢化化和再聚聚焦，即即可得到到正电子子微束，，可进行行扫描得得到材料料三微结结构信息息。目前前利用这这一方法法研究的的材料领领域已由由金属、、半导体体扩展到到聚合物物的领域域，并取取得了非非常有意意义的结结果。南华大学核科学技术学院正电子湮没仪器系统正电子湮湮灭技术术的应用用正电子湮湮灭技术术现在已已发展成成为物理理学家、、冶金学学家、生生物学家家和医生生们的得得力研究究工具之之一。被研究的的物质形形态及其其发展，，包括金金属、离离子化合合物、共共价绝缘缘体化合合物，半半导体的的高分子子化合物物，也包包括固体体的单晶晶、多晶晶、非晶晶体、液液晶和生生物膜等等等。正电子与与物质相相互作用用，对于于电子非非常敏感感，可用用来研究究物质结结构方面面的问题题，如空空位、空空位团、、位错以以及微空空洞和多多种色心心等原子子尺度范范围的缺缺陷。由于慢正正电子的的入射动动能很低低，这项项技术可可用来研研究固体体纯真表表面的电电子态和和结构缺缺陷，已已成为表表面物理理学的一一种重要要研究手手段。医生们应应用放射射性正电电子同位位素，对对药物作作用于人人体的过过程予以以示踪，，一旦药药物到达达某一器器官，探探测湮灭灭产生的的两条γ射线就能能准确地地被查出出。正电子湮湮灭技术术对于金金属材料料经受高高能粒子子辐照后后的退火火研究是是很有成成效的。。如右图所所示，通通量为1.5××1015cm-2的快中子子和通量量为2×1016cm-2的10Mev电子照射射钼，然然后对钼钼进行等等时退火火的研究究。1、对金属属材料辐辐射损伤伤的研究究利用正电电子湮灭灭寿命测测量法对对上述两两种辐照照后的钼钼样品的的数据分分析表明明，缺陷陷捕获正正电子的的寿命τ，在升温温的起始始阶段，，中子辐辐照样品品的值要要比电子子辐照样样品的值值高很多多。中子辐照照后的钼钼样品的的寿命τ，约为300PS，而电子子辐照后后的钼样样品，未未退火的的空洞分分量的寿寿命τ约为200PS。当退火火温度从从1000C上升到4000C时，τ值都增加加到约450PS。此后直直到6000C，寿命值值基本保保持常数数，此后后随温度度继续增增加，寿寿命直增增至～600PS。这些和和用电子子显微镜镜的研究究结果是是一致的的。正电子参参数对空空洞大小小的依赖赖关系可可用表面面捕获概概念来进进行理论论计算。。这种计计算不但但对动量量密度曲曲线能作作出符合合实际的的描述，，而且对对10埃左右或或更大一一些空洞洞所预言言的饱和和正电子子寿命值值τ为～450PS，是相符符合的，，而且对对含有空空洞的钼钼样品（（其空洞洞平均直直径为9—45埃）所精精确测定定的正电电子寿命命值τ在～465PS左右保持持不变的的结果是是一致的的。由此此可见，，正电子子寿命实实际上反反映了空空洞的直直径，因因此正电电子湮灭灭技术可可以作为为探测小小空洞的的生长情情况和材材料发生生膨胀的的一种敏敏感探针针。正电子湮湮灭辐射射的角分分布测量量对于金金属辐照照损伤的的研究也也很灵敏敏。钼样样品是放放在中子子通量达达1022cm-2的反应堆堆中进行行中子照照射。通通过正电电子湮灭灭辐射角角关联曲曲线测量量表明：：辐照后后的钼样样品角关关联曲线线变窄了了很多。。这种变变化可以以借助于于理论（（空洞形形成）作作定量的的估算。。正电子湮湮灭技术术比较早早地用于于研究离离子晶体体，并且且已发展展成为与与传统方方法不同同的具有有某些特特点的方方法。对对于含有有较低缺缺陷浓度度的卤化化碱样品品所作的的寿命谱谱测量表表明：射射入卤化化碱的正正电子的的寿命谱谱表现础础复杂的的结构。。例如：：对于室室温下的的未处理理过的KCl样品，测测得的主主要寿命命有τ1≈190PS，τ2=464±30PS，τ3=774±45PS。这个结结果表明明：未经经任何工工艺处理理的卤化化物，并并不能代代表完整整晶体中中正电子子行为。。因为总总是有杂杂质和缺缺陷存在在，所观观察到的的某些谱谱成分可可能就是是由这类类杂质和和缺陷引引起的。。如图所所表示的的就是测测得的LiCl晶体中正电子子湮灭寿命谱谱，实验曲线线可以分解为为两个指数衰衰变曲线，确确定出τ1=236×10-10S和τ2=435×10-10S。2、关于室温下下低缺陷浓度度晶体的研究究LiCl中分解成为两两个指数衰变变项的

正电电子湮灭寿命命谱生物组织中主主要含有碳、、氮和氧分别别存在发射正正电子的核素素11C、14N和15O。如果利用这这些放射正电电子的核素合合成有生理关关系的标记化化合物，如11Co,11Co2,H215O等，引入生物物组织中，通通过正电子与与组织器官的的相互作用，，然后对发射射的γ射线进行测量量或测量或照照像，就可以以研究生物组组织器官的新新陈代谢，组组织化学成分分，血液循环环，病理过程程等课题。由由于所使用的的这些放射性性核素的半衰衰期都不长，，在人体中的的照射量很小小，因此不会会或者很少造造成对人体的的损伤。由于于以上个方面面的特点，正正电子湮灭技技术对医学研研究将成为很很有发展前途途的一项技术术。近年来，，正电子湮灭灭层析技术应应哟内个于医医学研究发展展已引起医学学界的十分重重视。下面仅仅就正电子湮湮灭层析技术术作一些简要要介绍。3、正电子湮灭灭技术在医学学上的应用实实例医学上应用的的正电子湮灭灭层析技术简简称正电子照照相。它是利利用含有发射射正电子的核核素的化合物物（药剂）引引入人体，产产生湮灭辐射射，穿过周围围组织后被探探测器记录，，再利用计算算机通过数学学方法将记录录的讯号重建建成被测客体体的图象，然然后使图象在在荧光屏幕上上清晰地显示示出来。正电电子照相机结结构原理如图图4所示。（1）正电子照相相的基本原理理正电子照相机机结构原理图图正电子照相机机不仅能显示示解剖性的图图象，而且能能对生理过程程作体外显示示，所以它具具有能在体外外对生理病变变作定量分析析的特点。正正电子照相机机不同于一般般的γ照相机，它是是由生物体自自显影，能显显示三维平面面图象，而且且能精确定位位。由于湮灭灭技术发射的的两条γ射线之间共直直线，正电子子照相能高精精度地自然对对准各器官之之间的部位。。两束γ射线穿过人体体组织的总厚厚度（不管放放射源置于人人体何处）总总是相等的，，所以吸收衰衰减容易校正正，空间分辨辨率和灵敏度度不受放射源源放置深度的的影响。通用用的正电子照照相，①要求发射正电电子核素的寿寿命要短；②系统的分辨率率和灵敏度要要高；③所选择的放射射性核素作为为生物学的示示踪化学元素素要求不会影影响其生物活活性，而且易易于标记各种种代谢产物。。正电子照相相用的核素通通常有两种产产生方法：一一种是由加速速器生产，如如11C，13N，15O，16F等；另一种是是由放射性同同位发生器（（要求母体半半衰期足够长长，子体半衰衰期短）产生生，如32Rb和68Ga等。表一列出出了这类放射