介绍

一种研究物质微观结构的方法。正电子是电子的反粒子,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,全部质量(对应的能量为2meс2)转变成电磁辐射──湮没γ光子（见电子对湮没）。50年代以来对低能正电子同物质相互作用的研究，表明正电子湮没特性同媒质中正电子-电子系统的状态、媒质的电子密度和电子动量有密切关系。随着亚纳秒核电子学技术、高分辨率角关联测量技术以及高能量分辨率半导体探测器的发展，可以对正电子的湮没特性进行精细的测量，从而使正电子湮没方法的研究和应用得到迅速发展。现在，正电子湮没谱学已成为一种研究物质微观结构的新手段。

测量方法

实验测量方法主要有正电子寿命测量、湮没γ角关联测量和湮没谱线多普勒增宽测量三类。

正电子寿命谱

通常用22Na作正电子源,源强为几微居里到几十微居里。测量设备类似核能谱学中常用的符合系统，称之为正电子寿命谱仪（见彩图），图1是快-快符合系统方框图。谱仪时间分辨率一般为3×10-10s左右，最好的已达1.7×10-10s。22Na放射的正电子入射到测试样品中,同其中的电子发生湮没,放出γ射线。用1.27MeV的γ光子标志正电子的产生,并作为起始信号,511keV的湮没辐射γ光子标志正电子的“死亡”，并作为终止信号。两个信号之间的时间就是正电子的寿命。在凝聚态物体中，自由正电子湮没的平均寿命在(1～5)×10-10s范围内。正电子湮没寿命谱(PALS)常被用来研究固体中的缺陷，尤其是半导体中的空位型缺陷。邻位正电子的寿命取决于184个邻位正电子的寿命，而邻位正电子的寿命受邻位正电子周围空位缺陷的影响。因此，PALS可以看作是一种时域特征描述技术。

双γ角关联

图2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、Co,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。

测量多普勒增宽谱

使用高能量分辨率Ge(Li)或高纯锗半导体探测器，测量湮没辐射的能谱。能量分辨率可达1keV（对85Sr,514keV的γ射线）左右。这种方法的优点是只需用几微居里的弱源，获取数据快，适用于动态研究。缺点是获取的数据粗糙，对湮没电子动量的分辨不如角关联实验好，典型情况下差四倍。正电子湮没技术可用来研究物质微观结构及其变化。在固体物理中应用最广泛。可用来研究晶体缺陷（空位、位错和辐照损伤等），固体中的相变，金属有序－无序相变等。在无损检验中可用来探测机械部件(如轮机叶片、飞机起落装置)的疲劳损伤,可在小裂缝出现之前作出预报。在化学中可用于研究有机化合物的化学反应，鉴定有机物结构中的碳正离子，研究聚合物的微观结构等。在生物学中，研究生物大分子在溶液中的结构。医学上，用正电子发射断层扫描仪，可得到人的心脏、脑和其他器官的断面图像，研究它们的新陈代谢过程，作出疾病的早期诊断及肿瘤的早期发现。（见彩图）　电子偶素作为惟一的轻子体系，是验证量子电动力学的一个理想的体系。

基本原理

自从1930年由英国物理学家P. Dirac从理论上预言了正电子的存在，以及1932年美国物理学家C.D.Anderson在宇宙射线中发现了正电子的存在以后[1]，正电子湮没谱学(Positron Annihilation Spectroscopy，PAS)首先在固体物理中得到了应用，并在六十年代后期得到了飞速发展。它已在材料科学，特别是缺陷研究和相变研究中发挥了重大的作用。

正电子是电子的反粒子，除所带电荷与电子相等，符号相反之外，其它特性均与电子相同。正电子进入物质后遇到电子会发生湮没，同时放射两个或三个湮没g光子。用核谱学方法探测这些湮没辐射光子，可以得到有关物质微观结构的信息[2]。利用正电子湮没谱学研究材料具有许多优点。它提供了一种非破坏性的探测手段，因为信息是由穿透材料湮没辐射所带出的。它不需要特殊的样品制备。另外，在某些应用中，它还可以做原位研究，如在升温过程中的化学反应动力学过程等等。实验证明，正电子湮没谱学是研究金属、半导体、高温超导体、高聚物等材料中的微观结构、电荷密度分布、电子动量密度分布极为灵敏的工具[3-4]。

实验方法

正电子湮没实验方法有如下几种：