正電子湮滅技術(shù)

《正電子湮滅技術(shù)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、正電子湮滅技術(shù)正電子湮沒技術(shù)(PositronAnnihilationTechnique-PAT)是一門把核物理和核技術(shù)應(yīng)用于固體物理與材料科學(xué)研究的新技術(shù)，近20多年來該技術(shù)得到了迅速發(fā)展。正電子湮沒技術(shù)包括多種實(shí)驗(yàn)方法，其中最常用的主要有3種，即正電子湮沒壽命譜測(cè)量、2丫湮沒角關(guān)聯(lián)和湮沒能量的Doppler展寬。簡言之，正電子湮沒技術(shù)是通過入射正電子與材料中電子結(jié)合湮沒來反映材料中微結(jié)構(gòu)狀態(tài)與缺陷信息的。與其他現(xiàn)代研究方法相比，正電子湮沒技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，它對(duì)樣品的種類幾乎沒有什么限制，可以是金屬、半導(dǎo)體，或是絕緣體、化合物、高分子材料；可以是單晶、多晶、納米晶、非晶態(tài)或液晶

2、，只要是與材料的電子密度、電子動(dòng)量密度有關(guān)的問題,原則上都可以用正電子湮沒的方法進(jìn)行研究。第二，它所研究的樣品一般不需要特殊制備，其制樣方法簡便易行。另外，正電子湮沒技術(shù)對(duì)材料中原子尺度的缺陷和各種相變非常靈敏。如今正電子湮沒技術(shù)作為一種新型的應(yīng)用核分析技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域，本文僅就正電子湮沒技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域研究中的一些基本應(yīng)用(原理)作一介紹。正電子湮沒無損測(cè)試技術(shù)是一種研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的方法，一種先進(jìn)的材料微觀結(jié)構(gòu)一自由體積的探測(cè)和表征技術(shù)，可用于固體物理晶體缺陷與材料相結(jié)構(gòu)與相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究，目前已成為一種研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、缺陷、疲勞等的新技術(shù)與

3、手段。檢測(cè)實(shí)施過程中，放射源作用材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生帶有正電荷的、尺寸與電子相當(dāng)?shù)馁|(zhì)點(diǎn)，這種正電子可以被納米大小的缺陷吸引而與電子和撞擊。在正負(fù)電子撞擊過程中，兩種質(zhì)點(diǎn)湮沒，從而放出一種伽瑪射線。伽瑪射線能譜顯示出一種清晰可辨的有關(guān)材料中的缺陷大小、數(shù)量以及型別的特征。顯然，這些特征可以標(biāo)識(shí)最早階段的損傷，即裂紋尚未出現(xiàn)的損傷；同時(shí)可以在不分解產(chǎn)品的情況下定量地評(píng)估其剩余壽命，筆者對(duì)該技術(shù)的原理及其應(yīng)用進(jìn)行了介紹。正電子湮沒無損測(cè)試所采用的正電子源最初來自丁放射源的B+源，通過放射源的作用在材料中產(chǎn)生正電子。在含損傷材料中，位錯(cuò)、空位等缺陷表現(xiàn)為負(fù)電荷，由于庫侖引力，在材料屮擴(kuò)散的正電子會(huì)因吸引而被

4、捕獲，停止擴(kuò)散，正電子在缺陷中停留一段時(shí)間之后就會(huì)湮滅。正負(fù)電了在湮沒吋會(huì)放出兩個(gè)180°背向的5likeVy光子。實(shí)際上，正負(fù)電子在湮沒時(shí)一般都非靜止?fàn)顟B(tài)，因此由正負(fù)電子組成的質(zhì)心系本身在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)下仍具有一個(gè)隨機(jī)的速度，這個(gè)速度的大小和方向都是不確定的，根據(jù)被分析物體狀況的不同而具有某種確定的分布。由于該速度的存在，在實(shí)驗(yàn)室觀察到的湮沒Y光了的能量將不再是511keV,而是略大或略小，表現(xiàn)為多普勒展寬。與內(nèi)層電子和價(jià)電子相比，處在缺陷內(nèi)的電子密度和動(dòng)量都較小，因此止電子在湮沒之后放出511keVy光子的多普勒展寬也較小。和反，如果材料中不存在缺陷，則正電子更容易被內(nèi)層電子所捕獲，而內(nèi)層電

5、子的速度較大，因此多普勒展寬較大?？梢?，用適當(dāng)?shù)膮?shù)描述譜線形狀的變化，可獲取有關(guān)缺陷效應(yīng)的信息，實(shí)現(xiàn)無損評(píng)佔(zhàn)。由于正電子在物質(zhì)中的射程很短，僅為毫米量級(jí)，所以采用放射源的方法只能對(duì)材料的表面進(jìn)行分析，無法對(duì)材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。這使得止電子湮沒分析對(duì)大體積物體的檢測(cè)受到了限制。為克服采用放射源時(shí)正電子湮沒測(cè)試不適合于大體積物體檢測(cè)的缺點(diǎn)，光致正電子湮沒技術(shù)得以發(fā)展。這種技術(shù)利用高能X射線產(chǎn)生正電子，由于高能X射線具有很強(qiáng)的穿透性，因此即使是大體積的物體，X射線也可在其深處產(chǎn)生正電子，適合于對(duì)大體積的材料進(jìn)行無損測(cè)試與評(píng)價(jià)。測(cè)試方法主要有正電子壽命測(cè)量、湮沒Y角關(guān)聯(lián)測(cè)量和湮沒譜線多普勒增寬

6、三類。正電了壽命測(cè)量法通常用22Na作正電了源，源強(qiáng)為兒微居里到幾十微居里。測(cè)試設(shè)備類似核能譜學(xué)中常用的系統(tǒng)，稱之為正電子壽命譜儀，譜儀時(shí)間分辨率一般為3X10-10s左右，最好的已達(dá)1.7X10-10So22Na放射的正電子入射到測(cè)試樣品中，同其中的電子發(fā)生湮沒，放出y射線。用1?27MeV的Y光子標(biāo)志正電了的產(chǎn)生，并作為起始信號(hào)，511keV的湮沒輻射x光了標(biāo)志正電子的“死亡”，并作為終止信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間就是止電子的壽命。在凝聚態(tài)物體中，口由止電子湮沒的平均壽命在1?5X10—10s范圍內(nèi)。雙Y角關(guān)聯(lián)方法利用長狹縫角關(guān)聯(lián)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的正電子源通常為64Cu,22Na,58Co

7、，測(cè)量吋相對(duì)于固定探頭以Z方向?yàn)檩S轉(zhuǎn)動(dòng)另一探頭，測(cè)出符合計(jì)數(shù)率隨角度的分布，就可以得到電子在某個(gè)方向上的動(dòng)量分布。該方法要求高精度的機(jī)械設(shè)備和強(qiáng)源（幾十毫居里的點(diǎn)源），典型的角分辨力為0?5mradO有些工作采用多探測(cè)器系統(tǒng)可作兩維動(dòng)量分布的測(cè)量。測(cè)量多普勒增寬譜使用高能量分辨力Ge（Li）或高純錯(cuò)半導(dǎo)體探測(cè)器，測(cè)量湮沒輻射的能譜。能量分辨力可達(dá)1keV（對(duì)85Sr,514keV的y射線）左右。這種方法的優(yōu)點(diǎn)