正电子技术在材料研究中的应用课件.ppt

1、1930年年 赵忠尧发现硬赵忠尧发现硬伽玛射线在重金属中的伽玛射线在重金属中的反常吸收反常吸收和和特殊辐射特殊辐射1932年年 安德逊在宇安德逊在宇宙线中发现正电子宙线中发现正电子1928年年 Dirac预言正电子的存在预言正电子的存在1930年，中国物理学家赵忠尧年，中国物理学家赵忠尧在美国加州理工学院做研究生。在美国加州理工学院做研究生。他的博士论文的题目为他的博士论文的题目为“硬硬射射线通过物质时的吸收系数线通过物质时的吸收系数”。在研究过程中，赵忠尧发现了在研究过程中，赵忠尧发现了射线通过重元素时的射线通过重元素时的现象，并发现强度各向同现象，并发现强度各向同性、能量在性、能量在0.5

2、兆电子伏左右的兆电子伏左右的射线辐射，他称之为射线辐射，他称之为。但当时赵忠尧不知道狄。但当时赵忠尧不知道狄拉克预言正电子存在的理拉克预言正电子存在的理 论。论。论文题目：论文题目：硬硬射线的散射射线的散射 1930年年5月月美国国家科学院院报美国国家科学院院报 1930年年10月月物理评论物理评论原高能物理研究所高能物理研究所副所长赵忠尧院士正电子作为电子的反粒子，和电子结合变成光子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：遵从爱因斯坦公式：E=mc2辐射的光子携带辐射的光子携带湮没电子的信息湮没电子的信息e+e-2 E=0.511MeV 正电子湮没谱学正电子湮没谱学利用正

3、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。正电子谱学常规正电子湮没方法常规正电子湮没方法 基本测量技术基本测量技术（2 2 湮没湮没角关联、多普勒展宽、正电子湮没寿命）角关联、多普勒展宽、正电子湮没寿命）多参数测量技术（多参数测量技术（CDB,AMOCCDB,AMOC）chemical species慢正电子束流慢正电子束流（正电子束流能量可控，可应用于表面、界面）可应用于表面、界面）depth profile 正电子谱学技术

4、正电子谱学技术 (T TOF-AugerOF-Auger，Ps-TOF)Ps-TOF)利用正电子在一些特利用正电子在一些特定材料表面的发射现定材料表面的发射现象，得到能量约为象，得到能量约为 eV的低能正电子，并通的低能正电子，并通过电磁场的聚焦和加过电磁场的聚焦和加速，获得单色、能量速，获得单色、能量可调的正电子束流可调的正电子束流 慢正电子束慢正电子束（低低能正电子束能正电子束）正电子湮没寿命正电子湮没寿命正电子湮没角关联正电子湮没角关联正电子湮没多普勒能谱正电子湮没多普勒能谱eCnr20eCnr202/cPZ高性能高性能符合多普勒测量系统符合多普勒测量系统HPGeHPGeHPGeHPGe

5、定时虑波放大定时虑波放大器器恒比定时恒比定时延时延时定时虑波放大定时虑波放大器器恒比定时恒比定时时幅转换器时幅转换器单道分析器单道分析器符合符合主放大器主放大器放大器放大器单道分析单道分析器器放大器放大器主放大器主放大器单道分析单道分析器器计算机多道计算机多道ADCADCADCADCPURPURPURPURGateGate样品和样品和GeGe6868恒比定时恒比定时BaF2快符合快符合BaF2时幅转换器时幅转换器ADC计算机多参数计算机多参数符合单元符合单元主放大器主放大器PMTHPGePMTADC线性门线性门恒比定时恒比定时恒比定时恒比定时定时滤波放大器定时滤波放大器源源&样品样品符合计数率

6、：70 cps/10Ci,寿命谱分辨率200ps,Doppler分辨率1.2 keV高性能高性能AMOC测量系统测量系统ABC国际先进水平的测量系统n 电子偶素的猝灭电子偶素的猝灭 正电子素与周围介正电子素与周围介质发生作用的结果会质发生作用的结果会使其寿命大大缩短使其寿命大大缩短（主要针对（主要针对o-Ps），这个寿命骤然缩短的这个寿命骤然缩短的过程叫做过程叫做猝灭猝灭。主要。主要的猝灭过程有四种：的猝灭过程有四种：拾取（拾取（Pick-off）猝）猝灭、磁猝灭、化学猝灭、磁猝灭、化学猝灭和正灭和正-仲转换猝灭。仲转换猝灭。Positron energy(keV)0.0 0.5 1.0 1.

7、5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5o-Ps energy(eV)0.00.51.01.52.0#1#2Initial energy a few eVPsSi#1#2Ps2PsPs)()21(tzmEoo-detectorZShieldSamplePulsed e+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 o-PsPs-ToFPs-TOF谱仪的物理设计谱仪的物理设计Positronium time of flight spectroscopy(Ps-TOF)is an effective technique

8、 for porous material research 2oPsoPsedddTvEEMm 多孔二氧化硅多孔二氧化硅Eo-Ps (eV)T (s)TT (s)12.38d2.38dd31.37d1.37dd1）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2.44 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。基于加速器慢基于加速器慢正电子束流正电子束流放射源慢正电放射源慢正电 子束流子束

9、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常规正电子湮常规正电子湮没谱学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，国内外为数不多测量方法和手段完善、齐全，性能指标一流，国内外为数不多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 涉及的技术：涉及的技术：微束团化、微束团化、射频电路系统、射频电路系统、探测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：慢束：1616课题组，课题组，

10、120120样品，样品，12001200有效小时有效小时常规正电子谱学：常规正电子谱学：2121课题组，课题组，260260样品，样品，500500有效小时有效小时正电子束流平台对外开放合作研究工作正电子束流平台对外开放合作研究工作全年连续全年连续2424小时运转，满足用户需要，性能稳定，指标先进小时运转，满足用户需要，性能稳定，指标先进2008年年2009年年主要用户单位：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

11、、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：慢束：2424课题组，课题组，9292样品，样品，10001000有效小时有效小时常规正电子谱学：常规正电子谱学：9 9课题组，课题组，167167样品样品,400,400有效小时有效小时多参数测量：多参数测量：5 5课题组，课题组，4040样品，样品，12001200有效小时有效小时用户发表论文用户发表论文2008年年 1篇篇 PRL，2篇篇 JAP2009年用户发表论文：年用户发表论文：22 篇篇2009年年 1篇篇 APL，1篇篇 Carbon，1篇篇 JACS，1篇篇 JAP 1篇篇 Langmuir，1篇篇 Scripta Materialia 1篇篇 PRL（新加坡国立大学，（新加坡国立大学，PRL补充实验，补充实验，2010年已发表）年已发表）其中：其中：APL,Carbon,Langmuir大部分结果是正电子实验大部分结果是正电子实验