正电子技术在材料研究中的应用.ppt

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1、正电子技术在材料研究中的应用,正电子组姜小盼,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,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,1930年，中国物理学家赵忠尧在美国加州理工学院做研究生。他的博士论文的题目为“硬射线通过物质时的吸收系数”。在研究过程中，赵忠尧发现了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

2、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,正电子的发现,(19021998),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,（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,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,正电子湮没谱学,利用正电子与

3、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。,正电子谱学方法正电子源,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

4、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）Size of open volume+intensity 多参数测量技术（CDB,AMOC）Size of open volume+intensity+chemical species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 Size of open volume+intensity+chemical species+depth profile 正电子谱学技术(TOF-Auger，Ps-T

5、OF),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,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,Doppler展宽谱线形参数,正电子谱学参数与缺陷性质的关系,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,高性能符合多普勒测量系统,符合计数率：70 cps/10Ci,寿命谱分辨率200ps,Doppler分辨率1.2 keV,高性能AMOC测量系统,国际先进水平的测量系统,正

6、电子素飞行时间谱,正电子素飞行时间谱（Positronium Time of Flight Spectroscopy,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Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)等机构。,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

7、转换猝灭。,正电子素（Positronium）,o-Ps在多孔薄膜中的发射能,Ps-TOF谱与材料性质的关系,-detector,Z,Shield,Sample,Pulsed e+beam,t,Stop,Start,o-Ps,建立基于脉冲束的正电子偶素飞行时间(Ps-TOF)测量系统,o-Ps,Ps-ToF,Ps-TOF谱仪的物理设计,Positronium time of flight spectroscopy(Ps-TOF)is an effective technique for porous material research,正电子素飞行时间谱装置示意图,Ps-TOF装置参数设计,多

8、孔二氧化硅,Ps-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T，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光子穿过狭缝的效 率。R取30 mm，取a在1 mm-5 mm之间变化，b在10 mm-100 mm之间变化 管道半径 R=30 mm 狭缝宽度 a=3 mm 狭缝高度 b=70 mm,T=7.63 ns效率=0.318%,闪烁体探测器的技术改进,闪烁体探测器的技术改进,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

9、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2.44 ns缩减到 2.41 ns，十分之一高宽由5.98 ns缩减到了4.82 ns，提高了探测器的时间分 辨。3）节省了材料，降低了造价。,Ps-TOF谱仪设计图,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,

10、Slow Positron Beam Based on 22Na,基于正负电子对撞机的慢正电子强束流系统,基于北京正负电子对撞机的慢正电子强束流,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）,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、

11、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,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 JAP 1篇 Langmuir，1篇 Scripta Materialia 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,谢谢！,