慢正電子譜學中國科學技術大學演示文稿現在是1頁\一共有115頁\編輯于星期六（優選）慢正電子譜學中國科學技術大學現在是2頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23一、正電子概況現在是3頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是4頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子發現PredictedbyDirac2023/4/23現在是5頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是6頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23PredictedbyDiracFoundbyZ.Y.Zhao正電子發現現在是7頁\一共有115頁\編輯于星期六(1902—1998)中國科學技術大學近代物理系的創建者和首任系主任

1930年春天，趙忠堯先生在CIT實驗時發現，γ射線被鉛散射時，除康普頓散射外，伴隨著反常吸收還有一種特殊的光輻射出現。當時測定的這種特殊輻射的強度是大致各向同性的，并且每個光子的能量與一個電子質量的相當能量很接近。它揭示了一種新的反應機制。趙忠堯將這個實驗結果寫成第二篇論文，題目為《硬γ射線的散射》，并于1930年10月在美國《物理評論》雜志上發表。

趙忠堯2023/4/23現在是8頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23PredictedbyDiracFoundbyZ.Y.ZhaoFoundincosmicRadiationsby

Anderson

正電子發現現在是9頁\一共有115頁\編輯于星期六PositronCloudChamber

PhotographLargercurvature

ofparticle

aboveplate

meansit’s

movingslower

(lostenergyasit

passedthrough)Lead

plateCarlAnderson

1905-19912023/4/23現在是10頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23PredictedbyDiracFoundbyZ.Y.Zhao1932

FoundincosmicRadiationsby

Anderson

1940’sFirststudiesofElectronicstructures1950’sEstablishmentofPositronAnnihilationSpectroscopyFirstLINACbasedPositronGeneration1982Slowpositronbeams正電子發現現在是11頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子的性質質量：等于電子質量電荷：與電子電荷數量相等磁矩：與電子磁矩相等，ge/2m0c壽命：在真空無電子環境，>21021年正電子屬輕子族，所以它是費米子，遵守Fermi-Dirac統計；不直接參與強相互作用。2023/4/23現在是12頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子產生b+-decaypairproduction(g->e++e-)2023/4/23現在是13頁\一共有115頁\編輯于星期六(22Na->22Ne+e++ue+g(1.28MeV))2023/4/23現在是14頁\一共有115頁\編輯于星期六PositroniumQuantumpictureClassicalpicturee-densitye+densityjointdensity2023/4/23現在是15頁\一共有115頁\編輯于星期六Theresultingapproximationfortheground-stateenergyofpositroniumis-6.811±5.05×10-4eV,whichagreesfavorablywiththeacceptedvalueof-6.805eV.2023/4/23現在是16頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是17頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是18頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是19頁\一共有115頁\編輯于星期六Thetheoreticalcalculationo-PslifetimebycompletionofthefullsecondorderinaQEDcorrections(~230ppm)is

l=7.039979(11)ms-1(1.6ppm)Experimentalresult(2001):l=7.0404(10)(8)ms-1,t=142.037+-0.026(ns)2023/4/23現在是20頁\一共有115頁\編輯于星期六二、正電子湮滅探測技術2023/4/23現在是21頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子壽命測量技術多普勒展寬測量技術二維角關聯技術壽命-動量關聯測量技術3g測量技術壽命-幅度關聯測量技術慢束正電子衍射技術PAES微束2023/4/23現在是22頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是23頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子技術的優越性各種電鏡、盧瑟福背散射、中子衍射、深能級瞬發譜、二次離子譜等，雖然各自給出了許多有價值的結果，但這些方法基本上不能給出原子尺度局域缺陷及微觀物相變化的信息，并且多為破壞性測量或造成較大的輻照損傷。正電子技術是一種無損和高靈敏的探測技術，對復雜材料的分析具有明顯的優越性。正電子探針已在基礎研究中發揮了巨大的作用，廣泛地應用于研究凝聚態材料、介孔材料、半導體和超導體、納米材料、高聚物化學、量子信息等學科，同時也在工業方面有著巨大的應用潛力，受到各國科學接和工業界的重視。2023/4/23現在是24頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子技術的優越性

對缺陷及原子尺度的微結構變化極為靈敏；無損探測；可探測真實表面（幾個原子層）的物理化學信息；探測物體內部局域電子密度及動量分布；正電子是電子的反粒子，容易與電子分辨,又可形成電子偶素；慢正電子技術具有能量可調性，因而可獲得缺陷或結構不均勻性沿樣品深度的分布。2023/4/23現在是25頁\一共有115頁\編輯于星期六OM:OpticalMicroscopy nS:neutronScatteringTEM:TransmissionElectronMicroscopyXRS:X-RayScatteringSTM:ScanningTunnelingMicroscopyAFM:AtomicForceMicroscopy正電子技術與其它技術2023/4/23現在是26頁\一共有115頁\編輯于星期六主要湮滅途徑：單光子，雙光子和三光子正電子湮滅單光子湮滅只有存在著吸收反沖動量的第三個粒子時才有可能。2023/4/23現在是27頁\一共有115頁\編輯于星期六在費曼圖中，每增加一個頂點，湮滅截面就要乘以一個因子a，a是精細結構常數對單光子湮滅，還要乘以減弱因子，因為湮滅只有存在著吸收反沖動量的原子附近發生，這個因子正比于a3。所以三種湮滅之間的關系為：2023/4/23現在是28頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子湮滅基本測量技術2023/4/23現在是29頁\一共有115頁\編輯于星期六壽命測量2023/4/23現在是30頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是31頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是32頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是33頁\一共有115頁\編輯于星期六Positronlifetimesforsomesemiconductors.ThesolidandopencirclesgivetheGGAandLDAresultsasafunctionoftheexperimentalones,respectively.2023/4/23現在是34頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是35頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是36頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是37頁\一共有115頁\編輯于星期六實測的正電子壽命譜2023/4/23現在是38頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是39頁\一共有115頁\編輯于星期六鋁的熱平衡缺陷聚乙烯的熱弛豫過程2023/4/23現在是40頁\一共有115頁\編輯于星期六Positroninteractionswithcondensedmatter

2023/4/23現在是41頁\一共有115頁\編輯于星期六AtypicalPALSspectrumwiththreefilmPslifetimesfittedusingPOSFIT.2023/4/23現在是42頁\一共有115頁\編輯于星期六T-E公式Tao1972,J.Chem.Phys.56,5499Eldrupetal.1981Chem.Phys.63,51

,如果半徑>2.3nm

whereinair=100nsbutinvacuum142ns

2023/4/23現在是43頁\一共有115頁\編輯于星期六

Thedependencyofo-Pslifetimeversustheporeradiusaccordingtothe

Tao-Eldrupequation.2023/4/23現在是44頁\一共有115頁\編輯于星期六

ComparisononPALStechniquewithothermethods

2023/4/23現在是45頁\一共有115頁\編輯于星期六OpenPorosity

Ps在室溫下的速率為8106cm/s,在壽命期內在直徑為5-10nm的介孔內可以有1-2106次碰撞.Ps可以容易地擴散回到真空表面,大部分的Ps湮滅發生在表面真空(142ns).2023/4/23現在是46頁\一共有115頁\編輯于星期六典型的開介孔壽命譜.一個較短壽命(<0.5ns)的特征峰來自于正電子或Ps在介孔和塊體上的湮滅;另一個長壽命分量占(35-40%).aporoussilicafilm長壽命分量的擬合值是140ns,即在真空中湮滅.表明介孔內部是高度連通,Ps可以容易擴散到真空表面.開介孔2023/4/23現在是47頁\一共有115頁\編輯于星期六ACu-cappedporoussilicafilm:35nsand3.5ns;Oxide-cappedsilicafilm:94ns;ThisreductionofthePslifetimeisalmostcertainlyduetoCucoatingontheinnerporesurfaceswherePsannihilationwouldbeenhancedbythehighdensityoffreeelectronsinCu.

2023/4/23現在是48頁\一共有115頁\編輯于星期六多普勒展寬2023/4/23現在是49頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是50頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是51頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是52頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是53頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是54頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是55頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是56頁\一共有115頁\編輯于星期六提高峰底比~1052023/4/23現在是57頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是58頁\一共有115頁\編輯于星期六元素的“指紋鑒別”2023/4/23現在是59頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是60頁\一共有115頁\編輯于星期六比例親和勢(eV)湮滅比例AlMgCr97.25/2.5/0.25-4.41/-6.18/-2.6269.6/29.8/0.62023/4/23現在是61頁\一共有115頁\編輯于星期六二維角關聯Qx,y=px,y/mocResolution:0.2~5mrad(0.05~1.2keV)2023/4/23現在是62頁\一共有115頁\編輯于星期六

e+-e-湮沒產生的2γ的夾角與180°有一微小的偏離。實驗同時測量e+-e-湮沒產生的2γ關聯信號，可以獲得電子動量分布信息，并且可進一步得到費米面形貌，研究能帶結構等。同CDB相似,二維角關聯（2D-ACAR）可以由e+-e-凐滅的動量分布來獲得電子結構的信息，特別對單晶材料。2023/4/23現在是63頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是64頁\一共有115頁\編輯于星期六

The‘longlaboratory’A2D-ACARsetupcoupledtotheintense(8*107e+/s)monochromaticslowe+beamPOSH(POSitronsfromtheHORreactor)isusedfordepth-selectiveresearch.2023/4/23現在是65頁\一共有115頁\編輯于星期六壽命-動量關聯2023/4/23現在是66頁\一共有115頁\編輯于星期六AMOC技術按測量壽命的起始觸發信號分，主要有兩種：采用觸發γ（1.28MeV）作起始信號，即所謂的AMOC-γγΔEγ技術；采用正電子作起始信號，即AMOC-β+γΔEγ技術。2023/4/23現在是67頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是68頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是69頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是70頁\一共有115頁\編輯于星期六AMOC應用O-Ps在凝聚態物質中的湮沒主要有以下幾種形式：

pick-off湮沒正-仲轉換磁猝滅化學猝滅正電子凝聚態物質中的湮沒2023/4/23現在是71頁\一共有115頁\編輯于星期六“pickedoff”annihilation

2023/4/23現在是72頁\一共有115頁\編輯于星期六在液態Ar和Kr中在3ns處有一極大值。分析表明，液態Ar和Kr中有Ps氣泡從一個附加的delocalized亞穩o-Ps態中形成2023/4/23現在是73頁\一共有115頁\編輯于星期六p-Ps和o-Ps熱化湮滅的各種特性。2023/4/23現在是74頁\一共有115頁\編輯于星期六

3gmeasurement2023/4/23現在是75頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是76頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是77頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是78頁\一共有115頁\編輯于星期六相變2023/4/23現在是79頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是80頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是81頁\一共有115頁\編輯于星期六2D-PALS2023/4/23現在是82頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是83頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是84頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是85頁\一共有115頁\編輯于星期六Positronlifetimespectra(upper)andthree-gammaratio(lower)asafunctionofannihilationtimeforcapped()andnoncapped()porousSiO2films.2023/4/23現在是86頁\一共有115頁\編輯于星期六慢正電子束技術2023/4/23現在是87頁\一共有115頁\編輯于星期六Tableshowstypicalvaluesfortheefficiency,emissionenergyandenergyspreadofselectedmaterialsanddifferentgeometries.2023/4/23現在是88頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是89頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是90頁\一共有115頁\編輯于星期六我國第一個慢正電子束裝置2023/4/23現在是91頁\一共有115頁\編輯于星期六A=4.0μgcm-2keV-1.6平均注入深度隨能量變化大約從1nm到幾個mm。2023/4/23現在是92頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是93頁\一共有115頁\編輯于星期六SiC單晶在不同條件退火后缺陷的變化2023/4/23現在是94頁\一共有115頁\編輯于星期六脈沖慢正電子束2023/4/23現在是95頁\一共有115頁\編輯于星期六Cross-sectionalviewofthechopperandbuncher.2023/4/23現在是96頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是97頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是98頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是99頁\一共有115頁\編輯于星期六正電子衍射（低能和高能）PAES技術正電子表面研究技術2023/4/23現在是100頁\一共有115頁\編輯于星期六

幾十多年以來，科學家們致力于尋找最合適的研究固體表面的探針，電子、正電子、光子、原子和離子都可作為研究表面的探針，然而，一個理想的表面結構探針應該具有以下的2個基本特性：粒子與表面的相互作用應該較弱，以使測量結構可以被精確地模擬計算。

粒子必須要有小的平均自由程(<30A)，即要對表面靈敏；

2023/4/23現在是101頁\一共有115頁\編輯于星期六

正電子最合適作為表面探針的理想粒子：因為它在固體中的平均自由程很短，事實上，對能量低于200eV的正電子，其平均自由程比電子平均自由程要短；對能量大于200eV的正電子，平均自由程與電子類似。因此正電子對最初的3-4層原子層特別靈敏。正電子的散射因子與X-射線和電子基本類似。而電子的散射因子有尖銳的各向異性角分布，而正電子的角分布圓滑變化。2023/4/23現在是102頁\一共有115頁\編輯于星期六2023/4/23現在是103頁\一共有115頁\編輯于星期六20