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1、正电子湮没技术及其应用,Prediction of positron,Existence of positrons predicted by P A M Dirac in 1928 from relativistic theory of electrons.,英国物理学家 P.Dirac(1902-1984),Diracs equation implies:positron mass=electron mass positron charge=+e,Prediction of antimatter,Discovery of antimatter,Anderson(1932)discovered
2、 the positron predicted by Dirac,Discovery of antimatter,Positively charged electrons detected in cosmic rays passing through a cloud chamber immersed in a magnetic field,A cloud chamber(Wilson chamber)was normally used at that time to detect tracks of charged particles.It contained a supersaturated
3、 vapour.When a charged particle enters the chamber,it collides with air or alcohol vapour atoms,producing free ions(ionisation process).Vapour in the chamber condenses around these free ions,forming droplets.The droplets are what form the trail.,Expansion type cloud chamber,Original Wilsonchamber,cl
4、oud chamber,Tracks of particles in the cloud chamber,Particle track can be photographed.Cloud chamber can be placed in a magnetic field,thus allowing the measurement of the particle momentum which is inversely proportional to the curvature(曲率)of the track in the magnetic field.Particle momentum comp
5、onent perpendicular to the field is p(MeV/c)=0.310-3 B(gauss)r(cm)where r is the radius of curvature.,Different types of particles will leave different trails.,Alpha particles,which are relatively heavy,will produce straight dense trails(left).Slow electrons leave wispy,irregular trails(centre).Trac
6、ks of cosmic-ray particles are shown on the right.,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（Source of positron）,放射性核素的正+衰变,宇宙射线中的正电子,电子对效应(Pair e+-e-Production),A passing photon can be perturbed by the EM-field of an atom,causing the photon to decay into and el
7、ectron(e-)and a positron(e+).Electromagnetic energy is converted into matter(mass energy).This is called pair creation.,Charge conserved:0e-+e+,Energy conserved:,Minimum photon energy(hmin)is when,Momentum conserved:,Nucleus required to conserve linear momentum.,(a gamma ray),能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产
8、生一对正-负电子。,能量转化成质量M=E/C2,M M+e+e-1.02 MeV me me 基本条件：E 1.02 MeV,电子对效应(续上),正-负电子云雾室径迹图,正电子湮没(Positron Annihilation),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=M C2）的见证。,Positron Annihilation(Mass to En
9、ergy),Pair Production(Energy to Mass),正电子与电子相互作用发生湮灭时，主要是发射双射线；而发射单个射线，只有当存在能吸收反冲动量的第三者（粒子）时，才有可能，发射单个射线的几率是很小的；据计算，发生三个射线湮灭按自旋平均的截面，只是发生两个射线湮灭的截面的0.27%。所以，正电子与电子湮灭时，主要是产生双射线的发射。实验证实，湮灭产生的两个射线具有严格的同时性和其直线性；两个射线的能量完全相等（为511KeV），发射方向完全相反。,An electron(e-)and a positron(e+)can collide,destroying one ano
10、ther an liberating energy in the form of a photon.Matter(mass energy)is converted into electromagnetic energy This is called positron annihilation.,Charge conserved:e-+e+0,Energy conserved:,Minimum photon energy(hmin)is when,Momentum conserved:,No nucleus required to conserve linear momentum.,(a gam
11、ma ray),Positron Annihilation Process,正电子湮灭率（）：高能正电子与介质原子周围的电子单位时间内产生湮灭的几率。的倒数即正电子的平均寿命。对双光子效应理论推导有：=r02cne=4.52109Z/A（s-1）r0=e3/(mec2)为电子经典半径；ne 为正电子所在处介质的电子密度；c 为光速；、Z、A 分别为吸收物质的密度，原子序数和原子量。由表达式可以看出，湮灭几率与正电子的速度无关。通过测量就能直接求出正电子湮灭时它所在处物质的电子密度ne，因此，正电子能够用作检验介质中电子密度的一种检验粒子。,湮灭信息反映物质中电子的动量分布。发生湮灭时，正电子已
12、被充分热化，能量为 0.01eV 量级，但物质中电子的能量为几个 eV 量级。因此，在实验室坐标系统中，电子对的动量值(实际为电子的动量，正电子动量几乎为零)不等于零，湮灭后产生的两个光子的运动方向，将会偏离其共直线。,由动量守恒定律有(角非常小(10)：PT/m0C,(1800)角为实验室坐标系统中两个光子之间的夹角；PT 为电子的动量P 在垂直于光子发射方向上的分量。由此测得的角关联曲线能够描述物质中被湮灭的电子的动量分布。,湮灭辐射光子能量的多普勒移动。湮灭时正负电子对的运动还会引起在实验室系统中所测得的湮灭光子能量的多普勒移动。通常频率漂移可以表示为：/=VL/C VL为湮灭时，正负电
13、子对对于其质心的纵向速度，它等于PL/2m0 而光子的能量正比于它的频率。因此，能量为m0C2 的光子的多普勒能量移动应为：E=(VL/C)E=CPL/2 由此式可看出，测量湮灭辐射光子能量的变化量，也能够反映物质中电子的动量分布。,正电子湮没的实验技术,正电子湮没的实验方法：1)正电子湮没寿命谱；2)正电子湮没辐射角关联谱；3)多普勒展宽谱；4)慢正电子束技术。正电子湮没的实验设备,1)正电子寿命测量,正电子谱学实验通常使用正电子源是22Na，其衰变纲图如图所示。伴随着正电子发射有一个起始信号，这就是生成核22Ne退激时发出的1.28MeV的光子。正电子在样品中湮没后发出的能量为0.511M
14、eV 的光子是湮没事件的终止信号。,正电子寿命谱仪有两种，即快-慢符合谱仪和快-快符合谱仪。快-慢符合谱仪比较复杂，且谱仪计数率比较低。近年来人们都采用快-快符合谱仪，它具有调节方便，计数率高等优点。常用的快-快符合谱仪如图所示。,快-快符合正电子寿命谱仪框图,正电子源夹在两片相同的样品之间，并置于两探头中间。探头由BaF2晶体(或塑料闪烁体)、光电倍增管XP2020Q及分压线路组成。恒比定时甄别器(CFDD)具有两种功能，既可以对所探测的光子进行能量选择，又可在探测到光子时产生定时信号。调节CFDD(ORTEC 583)的能窗，使两探头分别记录同一个正电子所发出的起始和终止信号-1.28Me
15、V和0.511MeV的光子。时间幅度转换器TAC(ORTEC 566)将这两个信号之间的时间间隔转换为一个高度与之成正比的脉冲信号输入多道分析器MCA(ORTEC 919)。MCA所记录的即为正电子寿命谱。,谱仪时间分辨率一般为310-10 s左右，最好的已达1.710-10 s。,表1 正电子湮没寿命的数量级,在凝聚态物体中，自由正电子湮没的平均寿命在(15)10-10 s范围内,正电子寿命谱仪,双角关联方法可参见 长狭缝角关联测量系统示意图，这是一维长狭缝角关联测量系统示意图。正电子源通常为64Cu、22Na、58Co，测量时相对于固定探头以Z方向为轴转动另一探头,测出符合计数率随角度的分
16、布,就可以得到电子在某个方向上的动量分布。该方法要求高精度的机械设备和强源(几十毫居里的点源)，典型的角分辨率为0.5mrad。有些工作采用多探测器系统可作两维动量分布的测量。,2)双角关联方法,3)多普勒能移测量,电子-正电子对的运动会引起湮没辐射在能量上的多普勒移动。用高能量分辨本领的固体探测器可以探测正电子湮没辐射的多普勒展宽。多普勒展宽谱仪的实验装置如图所示。,正电子湮没辐射多普勒展宽测量装置,源-样品夹心结构与寿命测量中所用的相同。高纯锗探头测到的湮没信号经逐步放大后输入多道分析器MCA，得到湮没辐射的能谱。多普勒展宽谱仪的计数率与角关联系统相比差不多大一百倍，收谱时间短，一般用5C
17、i的正电子源测量一小时就足以满足统计精度。然而，缺点是此系统的分辨率不够高。目前Ge探测器最好的能量分辨在511KeV处为1KeV，相当于4mrad的等效角分辨率，这比角关联装置的分辨率大约差一个数量级。另外，这种系统还会出现电子学稳定性问题，因此稳谱器是必不可少的。多道分析器(ORTEC 919)所带的数字稳谱器可以大大抑制系统的电子学漂移。,由于多普勒展宽谱的能量分辨率较差，我们常用线型参数法来分析多普勒展宽谱的变化。常用的有S和W参数。S参数定义为511KeV峰中央的面积A与峰总计数C之比，而W参数则定义为峰两侧计数B与总计数C之比，即表示为：S=A/C W=B/C,S参数及W参数的定义
18、如图所示。S参数反映了低动量电子即价电子或传导电子的动量信息，而W 参数反映了高动量电子即芯电子的动量信息。,4)慢正电子束技术,常规正电子实验方法利用放射源发射正电子，其能量一般都较高，而且能量分布很宽。因此只能研究块状材料体内的平均信息。随着半导体技术不断发展，材料的尺寸已越来越小，由三维发展到两维、一微甚至零维。如何研究材料微区的结构信息已变得极为重要。近年来发展的慢正电子束技术可以用于研究研究材料的表面和界面结构。高能正电子通过慢化体慢化后，再将其加速至所需要的能量，并利用电磁聚焦，这样就可以得到单能慢正电子束，其能量在0几十keV特范围内连续可调。如果对慢正电子进行二次慢化和再聚焦，
19、即可得到正电子微束，可进行扫描得到材料三微结构信息。目前利用这一方法研究的材料领域已由金属、半导体扩展到聚合物的领域，并取得了非常有意义的结果。,南华大学核科学技术学院正电子湮没仪器系统,正电子湮灭技术的应用,正电子湮灭技术现在已发展成为物理学家、冶金学家、生物学家和医生们的得力研究工具之一。被研究的物质形态及其发展，包括金属、离子化合物、共价绝缘体化合物，半导体的高分子化合物，也包括固体的单晶、多晶、非晶体、液晶和生物膜等等。正电子与物质相互作用，对于电子非常敏感，可用来研究物质结构方面的问题，如空位、空位团、位错以及微空洞和多种色心等原子尺度范围的缺陷。由于慢正电子的入射动能很低，这项技术
20、可用来研究固体纯真表面的电子态和结构缺陷，已成为表面物理学的一种重要研究手段。医生们应用放射性正电子同位素，对药物作用于人体的过程予以示踪，一旦药物到达某一器官，探测湮灭产生的两条射线就能准确地被查出。,正电子湮灭技术对于金属材料经受高能粒子辐照后的退火研究是很有成效的。如右图所示，通量为1.51015cm-2的快中子和通量为21016cm-2 的10Mev电子照射钼，然后对钼进行等时退火的研究。,1、对金属材料辐射损伤的研究,利用正电子湮灭寿命测量法对上述两种辐照后的钼样品的数据分析表明，缺陷捕获正电子的寿命，在升温的起始阶段，中子辐照样品的值要比电子辐照样品的值高很多。,中子辐照后的钼样品
21、的寿命，约为300PS，而电子辐照后的钼样品，未退火的空洞分量的寿命约为200PS。当退火温度从1000C上升到4000C时，值都增加到约450PS。此后直到6000C，寿命值基本保持常数，此后随温度继续增加，寿命直增至600PS。这些和用电子显微镜的研究结果是一致的。正电子参数对空洞大小的依赖关系可用表面捕获概念来进行理论计算。这种计算不但对动量密度曲线能作出符合实际的描述，而且对10埃左右或更大一些空洞所预言的饱和正电子寿命值为450PS，是相符合的，而且对含有空洞的钼样品（其空洞平均直径为945埃）所精确测定的正电子寿命值在465PS左右保持不变的结果是一致的。由此可见，正电子寿命实际上
22、反映了空洞的直径，因此正电子湮灭技术可以作为探测小空洞的生长情况和材料发生膨胀的一种敏感探针。,正电子湮灭辐射的角分布测量对于金属辐照损伤的研究也很灵敏。钼样品是放在中子通量达1022cm-2的反应堆中进行中子照射。通过正电子湮灭辐射角关联曲线测量表明：辐照后的钼样品角关联曲线变窄了很多。这种变化可以借助于理论（空洞形成）作定量的估算。,正电子湮灭技术比较早地用于研究离子晶体，并且已发展成为与传统方法不同的具有某些特点的方法。对于含有较低缺陷浓度的卤化碱样品所作的寿命谱测量表明：射入卤化碱的正电子的寿命谱表现础复杂的结构。例如：对于室温下的未处理过的KCl样品，测得的主要寿命有1190PS，2
23、=46430PS，3=77445PS。这个结果表明：未经任何工艺处理的卤化物，并不能代表完整晶体中正电子行为。因为总是有杂质和缺陷存在，所观察到的某些谱成分可能就是由这类杂质和缺陷引起的。如图所表示的就是测得的LiCl晶体中正电子湮灭寿命谱，实验曲线可以分解为两个指数衰变曲线，确定出1=23610-10S和2=43510-10S。,2、关于室温下低缺陷浓度晶体的研究,LiCl 中分解成为两个指数衰变项的正电子湮灭寿命谱,生物组织中主要含有碳、氮和氧分别存在发射正电子的核素11C、14N和15O。如果利用这些放射正电子的核素合成有生理关系的标记化合物，如11Co,11Co2,H215O 等，引入
24、生物组织中，通过正电子与组织器官的相互作用，然后对发射的射线进行测量或测量或照像，就可以研究生物组织器官的新陈代谢，组织化学成分，血液循环，病理过程等课题。由于所使用的这些放射性核素的半衰期都不长，在人体中的照射量很小，因此不会或者很少造成对人体的损伤。由于以上个方面的特点，正电子湮灭技术对医学研究将成为很有发展前途的一项技术。近年来，正电子湮灭层析技术应哟内个于医学研究发展已引起医学界的十分重视。下面仅就正电子湮灭层析技术作一些简要介绍。,3、正电子湮灭技术在医学上的应用实例,医学上应用的正电子湮灭层析技术简称正电子照相。它是利用含有发射正电子的核素的化合物（药剂）引入人体，产生湮灭辐射，穿
25、过周围组织后被探测器记录，再利用计算机通过数学方法将记录的讯号重建成被测客体的图象，然后使图象在荧光屏幕上清晰地显示出来。正电子照相机结构原理如图4所示。,（1）正电子照相的基本原理,正电子照相机结构原理图,正电子照相机不仅能显示解剖性的图象，而且能对生理过程作体外显示，所以它具有能在体外对生理病变作定量分析的特点。正电子照相机不同于一般的照相机，它是由生物体自显影，能显示三维平面图象，而且能精确定位。由于湮灭技术发射的两条射线之间共直线，正电子照相能高精度地自然对准各器官之间的部位。两束射线穿过人体组织的总厚度（不管放射源置于人体何处）总是相等的，所以吸收衰减容易校正，空间分辨率和灵敏度不受
26、放射源放置深度的影响。通用的正电子照相，要求发射正电子核素的寿命要短；系统的分辨率和灵敏度要高；所选择的放射性核素作为生物学的示踪化学元素要求不会影响其生物活性，而且易于标记各种代谢产物。正电子照相用的核素通常有两种产生方法：一种是由加速器生产，如11C，13N，15O，16F等；另一种是由放射性同位发生器（要求母体半衰期足够长，子体半衰期短）产生，如32Rb和68Ga等。表一列出了这类放射性同位素及其用作试剂的化合物。,放射性同位素及其试剂表,将放射性元素作为示踪剂引入到有用的化合物要求掌握快速化学方法。在进行测试人体代谢的正电子照相时，要求被跟踪的物质中含有示踪物和不含示踪物的物质以同样的
27、方法，同样的速度进行运输和代谢；测试期间被代谢的示踪药剂能停留在感兴趣的器官中，而且示踪药剂中未被代谢的量应该是很少的，或者在测量时可以估算出来，为此应该正确选择放射性同位素试剂。,正电子照相技术不仅可用于形态学研究，如研究人体的生化生物病理状况，而且可用于临床诊断学。下面略举几例。确定人脑横剖面中性血容量。让被检查者吸入含有微量11C，它与血红蛋白结合成11C羰基血红蛋白。将照相得到的脑图象中的11C羰基血红蛋白量，与同时由静脉血样中测定的全部血液中的11C羰基血红蛋白量做比较，即可迅速确定脑中的区域血容量。对血小板示踪，研究动脉粥样硬化过程。确定血管中被示踪的化合物（例如麻醉剂等药物）的浓度。研究人体组织器官的功能，生化病理过程以及人体组织器官对各种药物的反映、分布以及代谢过程等。研究病理过程、诊断和治疗，观察恶性肿瘤的代谢和治疗效果。测定人体组织器官的新陈代谢，组织化学成分以及血液流动等，其中对人体大脑新陈代谢和心肌的代谢研究极为重要。,(2)正电子照相的应用实例,The End!,
