图1:正电子湮灭原理示意图

正电子湮没寿命谱（PALS）

正电子的寿命是正电子从产生到湮没消失的时间，亦即正电子从放射源中产生到进入材料后与电子湮没的总时间。正电子产生的起始信号可以用²² Na放出的1.28MeV 的 γ 光子来代替，而湮没消失的信号可以用正负电子湮没产生的 0.511MeV 的 γ 光子来代替。

通过测量 1.28MeV γ 光子信号与 0.511MeV 的 γ 光子信号的时间差来测量正电子的寿命。正电子寿命能够反映出许多材料的微观结构信息。 

图2：正电子湮没寿命谱测量原理图

正电子寿命谱仪有两种：快-慢符合谱仪、快-快符合谱仪。

快-慢符合正电子湮没寿命谱仪的主要结构包括闪烁体探测器、能量选择的慢电子学电路、快信号定时电路、时间幅度转换器、多道分析器，计数率比较低。

图3：快-慢符合正电子湮没寿命谱仪

 快-快符合谱仪的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、光电倍增管XP2020Q及分压线路组成。恒比定时甄别器（CFDD）既可以对所探测的γ光子进行能量选择，又可以在探测到γ光子时产生定时信号。

图4：快-快符合正电子湮没寿命谱仪结构示意图

❆ 应用示例

图5：Fe-1.0%Cu 合金淬火后的正电子湮没寿命谱图

多普勒展宽能谱（DBES）

能量变化的大小与湮没前电子的动量有关，因此可以通过测量多普勒展宽谱来获取电子动量的分部信息。实验过程中常采用高能量分辨率的探测器对湮没后的 γ 光子进行探测。通过探测大量湮没事件产生的 γ 光子可以获得一条以 0.511MeV 为中心对称分布的湮没光子能量分布曲线，及多普勒展宽谱，谱的形状有电子的湮没前电子的动量决定，通过对能谱中峰的形状进行分析，可以获得样品中湮没电子的动量分布。

测量时，放射源和样品形成“三明治”结构并放置在 HPGe 探测器前。正电子湮没后的 γ 光子经 HPGe 探测器、放大器和多道分析器处理后可得到多普勒展宽能谱。

图6：正电子湮没辐射多普勒展宽测量装置

在进行多普勒展宽能谱分析时，常用参数分析法。S 参数定义为在 510.24-511.76 keV 能量范围内的面积与在 501.00-521.00 keV 能量范围内的总面积之比；W 参数定义为在 513.6-516.9 keV 和 505.10-508.40 keV 能量范围内的面积之和与在 501.00-521.00 keV 能量范围内的总面积之比。S 参数反映的是材料中正电子与低动量电子（传导电子）的湮没信息，当材料内部存在缺陷（空位、空位团等）时，由于空位型缺陷呈负电性，正电子容易被此类缺陷吸引和捕获，最终在缺陷处湮没，而空位缺陷处低动量电子出现的几率远大于芯电子，使得正电子与低动量电子湮没概率增加，进而导致 S 参数增大，在多普勒展宽谱上表现为峰更高、更窄。

W 参数反映的是正电子与高动量电子（芯电子）的湮没信息，当材料内部存在析出相时，正电子容易被析出相捕获并与析出相中原子的内壳层电子发生湮没，导致W 参数变大，在多普勒展宽谱上表现为峰更低、更宽。材料中的缺陷增加时，正电子被缺陷捕获的概率会增加，导致 S 参数增加，进而反映出材料中缺陷的信息。

图7：多普勒展宽能谱参数定义示意图

 ❆应用示例 

图8：腐蚀不同时间镁合金的S参数随正电子束注入能量的变化

湮没γ角关联测量（ACAR）

实验上能够测量出两个光子发射方向的夹角和光子能量的变化，这种测量叫角关联测量。通过角关联测量可以获得固体中电子的动量和能量信息。这对研究金属中电子的能级及固体能带结构都是很重要的，此信息也用来研究材料缺陷。

样品中正电子湮没时同时发出的两个夹角为180^◦，θ的γ光子经过直准器后分别为两个探测器测出。

图9：典型2γ湮没角关联测量系统

❆应用示例

图10：正电子在有机玻璃中的湮没角关联曲线 

技术应用

研究物质微观结构：用线性加速器的光束穿透材料，研究物质微观结构及变化。高分子聚合物方面：高分子薄膜研究中，可准确探测高分子薄膜微观缺陷（自由体积）尺寸、分数、浓度、深度分布，在高分子薄膜微结构与性能关系、表面效应、界面效应等方面发挥积极作用。纳米材料中研究晶粒界面结构和界面缺陷分布。

疲劳损伤检测：检测机械、结构第二层材料的疲劳失效，是非破坏性检验中确定原子层结构完整性、疲劳和脆裂问题的重要技术。 

参考文献

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[2] 开翠红. 氮化物半导体中缺陷及其影响研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2020.DOI:10.27522/d.cnki.gkcgs.2020.000136.

[3] 聂佳相. 正电子湮灭技术在玻璃性能与结构表征方面的应用[D].华东理工大学,2010.

[4] 章征柏. 正电子湮灭对聚变堆用中国低活化马氏体钢的研究[D].中国科学技术大学,2009.

[5] 许占显.正电子湮没无损测试技术与应用[J].无损检测,2013,35(11):72-75+86.

[6] 杨薇. AM60B镁合金腐蚀及防护的正电子湮没研究[D].武汉大学,2017.

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