正电子湮没谱学-0017(7页).doc

-正电子湮没谱学-0017-第 7 页正电子湮没谱学试题2016，2，181. 简述闪烁体探测器的基本组成和工作原理。答：闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的电离、激发而产生的荧光来探测电离辐射的探测器。闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使闪烁体原子、分子电离或激发。受激原子退激而发出荧光光子。然后利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多的收集到光电倍增管的光阴极，通过光电效应打出光电子。光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号，此信号由电子仪器记录和分析。2. 简述正电子谱学的基本原理（正电子的产生，正电子注入、热化、湮没过程，典型寿命值等）。答： 正电子是电子的反粒子，它不天然存在，因为遇电子会发生湮没，往往用人工办法产生。主要的产生正电子的方法有两种，一种方法是通过加速器或反应堆，利用核反应生成缺中子放射源，如22Na，64Cu，58Co等等。另外一种方法是通过高能光子的电子对效应产生正电子。而实验中常常使用第一种方法，从放射源发出的高能正电子入射至固体表面时，它可能被表面散射，也可能穿透表面进入材料体内。当正电子进入材料体内后，由于正电子带正电，故在固体中正电子受到同样带正电的原子实强烈排斥。正电子通过与原子实以及电子的非弹性碰撞而很快损失动能，在约13ps内慢化到热能。这一过程称为正电子的热化。热化后正电子能量为,室温下为0.025eV。热化后的正电子在固体中扩散，在扩散过程中会与电子发生自由湮没，也可能被一个空位型缺陷捕获后湮没。正电子湮没后发射2个或3个光子，而由于正电子与电子的湮没过程是电子-正电子对质量转换成电磁能量的相对论质能转换过程，由量子电动力学的不变性导出的选择定则表明，2衰变与3衰变的事件比为371:1，因此主要的过程是2湮没。当正电子速度远低于光速c时，其湮没率（，为正电子寿命）为：,（1）其中ne正电子周围的电子密度。而正电子寿命与湮没率是互为倒数的关系，所以我们通过测量正电子寿命，可以得到正电子所在处的电子密度。实际上，式（1）给出的湮没率是用独立粒子模型近似的结果。因此根据此式计算得到的金属正电子寿命约为600ps，这明显大于我们实际测量的金属中的正电子寿命。产生这一差别的原因在于正电子与电子的电荷符号相反，它们之间存在着强烈的库仑吸引作用，正电子周围的电子密度会增强（称为屏蔽效应），从而明显地缩短正电子的寿命。因此，在计算正电子在材料中湮没率时，应考虑电子-正电子的关联。正电子-电子湮没对的动能一般为几电子伏，在质心坐标系中，光子的能量为m0c2=511keV，2个光子严格朝相反方向运动，然而在实验室坐标系中，由于湮没对的动量不为零，2个光子的运动方向将不在一条直线上，其偏角为：。 （2）通常非常小（<1o）。由于热化后的正电子动量几乎为零，因此与正电子湮没的电子能量与动量就是湮没对的能量和动量，所以测量得到的角关联曲线可反映物质的电子的动量分布。此外，在实验室坐标系中，由于电子-正电子湮没对具有动量，它还会引起湮没辐射能量的多普勒移动。由于频移为其中为湮没对质心的纵向速度。因此可得湮没辐射的多普勒能移为：。 （3）所以湮没辐射的多普勒展宽谱也反映了材料中电子的动量密度分布。当正电子被空位型缺陷（如位错、空位、微孔洞等）捕获时，由于缺陷处电子密度减小，正电子寿命将变长。在凝聚态物质中，自由正电子的寿命一般在100200ps之间，而捕获态正电子的寿命在200400ps之间。另外，在缺陷处由于缺少了原子，正电子与高动量的核芯电子湮没发生的概率降低，因此导致湮没辐射角关联或多普勒展宽谱形变窄。因此通过测量以上的正电子湮没参数，即可了解缺陷的信息。3. 简述正电子的两态捕获模型，以及正电子湮没测量缺陷浓度的原理。答：在用正电子湮没寿命谱（PALS）研究固体中的缺陷时，所测得的寿命谱经过源修正和去本底后，可以用几个指数衰变成分之和进行拟合。一般情况下，所测样品中只存在一种缺陷，即正电子寿命只有两个分量。因此，在分析正电子寿命谱时，所用的模型函数为正电子的数目对时间的微分： ， （4）式中：N0-寿命谱经过源成分修正和去本底后的总计数，也即是（4）式对时间的积分；，两个分量的表观寿命；I1，I2两个寿命分量的相应强度。上式还要考虑寿命谱仪分辨函数的影响，即模型函数为式（4）与分变函数的卷积。上述的正电子湮没寿命谱的解析过程可以用正电子的捕获模型来解释。在捕获模型中，正电子被缺陷捕获可以通过一组微分方程来描述，即自由正电子在非局域态湮没的速率方程和被捕获的正电子在局域态湮没的速率方程。两态捕获模型即材料中只存在一种类型的缺陷时，上述动力学方程为：, (5),式中：nb（t），nd（t）分别为t时刻正电子在体态和缺陷态的数目；,正电子在体态和缺陷态的湮没率；缺陷的捕获率。式（5）的初始条件为nb（0）=N0，N0为t=0时正电子的总数目，即正电子在完全热化之前没有发生捕获现象。上式的解即为正电子的衰变谱：, (6)其中： , ,（7） I1+I2=1, 。在式（7）中，I1和I2均与捕获率有关，因此也与缺陷的浓度有关。，I1，I2可以通过对寿命谱进行非线性拟合得到。正电子的捕获率可以通过下式计算得出： , (8)式中：正电子捕获系数。此外，如果在样品中正电子的体寿命和缺陷态寿命已知的话，正电子的捕获率则只需要平均寿命的值就可以得到： 。 （9） 因此，在正电子的捕获系数已知的情况下，正电子寿命实验可以测量缺陷的浓度。除了从正电子寿命测量直接得到捕获率之外，通过湮没辐射的多普勒展宽测量，我们也可以得到缺陷的很多信息。多普勒展宽反映的是所测固体中的电子动量分布的信息。通常用S参数和W参数来表征多普勒展宽谱形的变化，分别定义为中心部分和两侧的计数与511keV湮没峰的总计数之比。有缺陷捕获正电子时，S参数增大，而W参数减小。当只存在一种类型的缺陷时，测量所得的S参数与完整晶格中的S参数（Sb）和缺陷处的S参数（Sd）有以下关系： S=(1-f)Sb+fSd, (10)式中：f正电子被缺陷捕获的比例，。因此，在已知Sb和Sd以及后，通过测量得到的S参数，同样可以求出捕获率以及缺陷的浓度。4. 简述电子偶素的概念、形成、湮没过程及检验方法。答：正电子除了与电子发生湮没外，还会结合一个电子形成一种亚稳态原子，称为电子偶素（positronium），其符号为Ps。为了形成电子偶素，材料中的电子密度必须足够低。对于电子偶素的形成机制，目前已经提出了许多模型。如俄勒模型、气泡模型等，而广为接受的是Mogensen提出的径迹模型以及Stepanov提出的液滴模型。正电子在入射至体内后会产生一条径迹，沿着这条径迹，将会产生大量的二次电子。在正电子径迹的终端，产生的二次电子数目最多。正电子将与这些径迹终端的电子相互作用，形成电子偶素。电子偶素有两种态，即p-Ps和o-Ps，前者称为仲电子偶素，后者称为正态电子偶素。对于入射的非极化正电子，自旋呈对称分布，因此在没有正仲转换的情况下，有75%的可能形成o-Ps，25%的可能形成p-Ps。对于o-Ps，其中的电子和正电子具有相同的自旋，因此称为三重态，而对于p-Ps，电子和正电子具有反向的自旋，称为单一态。P-Ps通常发生自湮没，即正电子与其中的电子湮没，发射2个511keV的光子。对于o-Ps，在真空中才发生自湮没。由于自旋守恒，o-Ps的自湮没将发射3个光子。理论计算p-Ps自湮没寿命约为125ps，而o-Ps的自湮没寿命则长达约142ns。o-Ps在材料中形成后，会拾取周围的一个电子，使得正电子与之发生湮没，从而使o-Ps的寿命大大缩短至110ns。这称为o-Ps的拾取湮没，拾取湮没只发生2个光子。与自由正电子的湮没不同，o-Ps能进行具有自身特性的3衰变，有一个相当长的自湮没寿命，而且湮没光子的能谱是连续的。因此，通常是通过探测o-Ps的湮没信号来探测电子偶素形成，常用技术有如下几种。第一，测量3与2产额之比。当正电子自由湮没时，3与2产额之比为1/378。然而若有一部分正电子形成了电子偶素，则由于o-Ps与p-Ps的状态数之比为3:1，而o-Ps衰变为3，因此在有电子偶素形成时测得的3与2产额必大于1/378。第二，测量正电子湮没寿命。在凝聚态物质中，正电子寿命通常为几百ps。若有电子偶素形成，o-Ps的自湮没寿命长达142ns，且电子偶素的拾取湮没寿命仅几ns，与前者相比差很多，故可用测量寿命谱的方法来探测电子偶素形成。第三，测量湮没辐射的角关联。与前两种方法不同，湮没辐射的角关联主要探测p-Ps的湮没信号。因为p-Ps寿命极短，基本是自湮没并发射是热化后的p-Ps质心动能与湮没光子能量相比极小，因而出去局域态的p-Ps将在角关联谱中产生一个极窄的峰。而正电子的湮没以及o-Ps的拾取湮没都是与能量约几电子伏甚至更高的电子湮没，故它们在角关联谱上的相应动量比p-Ps大得多。此外，还有一些实验技术是通过测量o-Ps与物质相互作用而使其寿命缩短的证据来说明湮没电子偶素的形成。如电子偶素和某些分子的化学反应，会使其寿命大大缩短，叫化学淬灭。外加磁场也能使一部分o-Ps的寿命大大缩短，叫磁淬灭。因此，如果能探测到化学淬灭和磁淬灭，也可以间接判断有电子偶素形成。5. 简述双探头符合多普勒展宽谱仪的基本原理及优点。答：由于电子-正电子对具有一定的动量，导致湮没对的动量不为零。在质心坐标系中，光子的能量为m0c2=511keV,2个光子严格朝相反方向运动，然而在实验室坐标系中，由于湮没对的动量不为零，2个光子的运动方向将不在一条直线上，二是偏离一定的角度。通常非常小（<1o），近似为：。 （11）在实验室坐标系中，由于电子-正电子湮没对运动也会导致湮没辐射的多普勒展宽，即湮没辐射的光子能量为，由于频移为,可得多普勒能移。实际上由于正电子在湮没之前已通过各种方式将能量降低至热能（eV），而电子的能量通常为几电子伏，因此正电子的动量可以忽略不计，则多普勒展宽测量主要反映了电子的动量分布。多普勒展宽利用高能量分辨率的高纯Ge半导体探测器进行测量，但所测得的谱通常有很高的本底。其峰计数与高能端本底之比高达150:1，在低能端的本底更高。因此多普勒展宽的细微变化通常被过高的本底所掩盖，尤其是与高动量核芯电子有关的部分，本身相对计数就比较低。如果用常规的多普勒展宽测量则很难研究核芯电子的动量分布。而核芯电子通常带有原子核的內禀特征，测量其动量分布能鉴别原子种类，有助于研究缺陷的亚点阵，即缺陷周围的化学环境。为了对研究对象的元素种类进行鉴别可进行双探头符合多普勒展宽测量，两个探头呈180o角反向排列。对于两个高纯Ge探测器，其探测到的2个湮没光子能量分别为E1和E2，则有：E1=m0c2+cPL/2-Eb/2, (12)E2=m0c2-cPL/2-Eb/2, (13)上两式中：m0电子的静止质量；Eb电子的结合能；PL电子-正电子对在探头方向上动量值。这样就可以定义另外两个能量：能量之和Es=E1+E2以及能量之差Ed=E1-E2。由于Eb相对较小，可忽略不计。则有： Ed=E1-E2=cPL， （14）即两个探测器所测得2个光子能量之差为2倍的多普勒增宽。因此可以通过E1-E2来重建多普勒展宽谱，即电子的动量分布。双探头符合多普勒展宽谱仪的优点：一是峰对本底之比达到了105以上，与常规测量的单探头多普勒展宽谱相比，本底降低了3个数量级以上；二是能量分辨率提高了 倍。