慢正电子谱学中国科学技术大学文档.ppt

*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,慢正电子谱学中国科学技术大学,（优选）慢正电子谱学中国科学技术大学,一、正电子概况,2025/12/13 周六,我国第一个慢正电子束装置,（3）可以大大消除的二次电子本底。,因此正电子对最初的3-4层原子层特别灵敏。,在液态Ar和Kr中在3ns处有一极大值。,The long laboratory,电荷：与电子电荷数量相等,1932 Found in cosmic Radiations by Anderson,5 ns)的特征峰来自于正电子或 Ps 在介孔和块体上的湮灭;,(19021998),pair production(g-e+e-),Classical picture,所以三种湮灭之间的关系为：,2025/12/13 周六,正电子发现,Predicted by Dirac,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,Predicted by Dirac,Found by,Z.Y.,Zhao,正电子发现,2025/12/13 周六,(1902,1998),中国科学技术大学近代物理系的创建者和首任系主任,1930年春天，赵忠尧先生在,CIT,实验时发现，,射线被铅散射时，除康普顿散射外，伴随着反常吸收还有一种特殊的光辐射出现。当时测定的这种特殊辐射的强度是大致各向同性的，并且每个光子的能量与一个电子质量的相当能量很接近。它揭示了一种新的反应机制。赵忠尧将这个实验结果写成第二篇论文，题目为硬,射线的散射，并于1930年10月在美国物理评论杂志上发表。,赵忠尧,2025/12/13 周六,Predicted by Dirac,Found by,Z.Y.,Zhao,Found in cosmic Radiations by,Anderson,正电子发现,2025/12/13 周六,Positron,Cloud Chamber Photograph,Larger curvatureof particleabove platemeans its moving slower(lost energy as itpassed through),Lead plate,Carl Anderson1905-1991,2025/12/13 周六,Predicted by Dirac,Found by,Z.Y.,Zhao,1932,Found in cosmic Radiations by,Anderson,1940,s First studies of Electronic structures,1950,s Establishment of Positron,Annihilation Spectroscopy,First LINAC based Positron,Generation,1982 Slow positron beams,正电子发现,2025/12/13 周六,正电子的性质,质量：等于电子质量,电荷：与电子电荷数量相等,磁矩：与电子磁矩相等，,ge/2m,0,c,寿命：在真空无电子环境，2,10,21,年,正电子属轻子族，,所以它是费米子，遵守,Fermi-Dirac,统计；,不直接参与强相互作用。,2025/12/13 周六,正电子产生,b,+,-decay,pair production(,g,-e,+,+e,-,),2025/12/13 周六,(,22,Na-,22,Ne+e,+,+,u,e,+,g,(1.28 MeV),2025/12/13 周六,Positronium,Quantum picture,Classical picture,e-density e+density joint density,2025/12/13 周六,The resulting approximation for the ground-state energy of positronium is-6.811 5.0510,-4,eV,which agrees favorably with the accepted value of-6.805 eV.,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,The theoretical calculation o-Ps lifetime by completion of the full second order in a QED corrections(230ppm)is,l,=7.039979(11),m,s,-1,(1.6ppm),Experimental result(2001):,l,=7.0404(10)(8),m,s,-1,t,=142.037+-0.026(ns),2025/12/13 周六,二、正电子湮灭探测技术,2025/12/13 周六,正电子寿命测量技术,多普勒展宽测量技术,二维角关联技术,寿命-动量关联测量技术,3,g,测量技术,寿命,-,幅度关联测量技术,慢 束,正电子衍射技术,PAES,微 束,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,正电子技术的优越性,各种电镜、卢瑟福背散射、中子衍射、深能级瞬发谱、二次离子谱等，虽然各自给出了许多有价值的结果，但这些方法基本上不能给出原子尺度局域缺陷及微观物相变化的信息，并且多为破坏性测量或造成较大的辐照损伤。,正电子技术是一种无损和高灵敏的探测技术，对复杂材料的分析具有明显的优越性。正电子探针已在基础研究中发挥了巨大的作用，广泛地应用于研究凝聚态材料、介孔材料、半导体和超导体、纳米材料、高聚物化学、量子信息等学科，同时也在工业方面有着巨大的应用潜力，受到各国科学接和工业界的重视。,2025/12/13 周六,正电子技术的优越性,对缺陷及原子尺度的微结构变化极为灵敏；,无损探测；,可探测真实表面（几个原子层）的物理化学信息；,探测物体内部局域电子密度及动量分布；,正电子是电子的反粒子，容易与电子分辨,又可形成电子偶素,；,慢正电子技术具有能量可调性，因而可获得缺陷或结构不均匀性沿样品深度的分布。,2025/12/13 周六,OM:Optical Microscopy nS:neutron Scattering,TEM:Transmission Electron Microscopy XRS:X-Ray Scattering,STM:Scanning Tunneling Microscopy AFM:Atomic Force Microscopy,正电子技术与其它技术,2025/12/13 周六,主要湮灭途径：单光子，双光子和三光子,正电子湮灭,单光子湮灭只有存在着吸收反冲动量的第三个粒子时才有可能。,2025/12/13 周六,在费曼图中，每增加一个顶点，湮灭截面就要乘以一个因子,a,，,a,是精细结构常数,对单光子湮灭，还要乘以减弱因子，因为湮灭只有存在着吸收反冲动量的原子附近发生，这个因子正比于,a,3,。,所以三种湮灭之间的关系为：,2025/12/13 周六,正电子湮灭基本测量技术,2025/12/13 周六,寿命测量,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,Positron lifetimes for some semiconductors.The solid and open circles give the GGA and LDA results as a function of the experimental ones,respectively.,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,实测的正电子寿命谱,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,铝的热平衡缺陷,聚乙烯的热弛豫过程,2025/12/13 周六,Positron interactions with condensed matter,2025/12/13 周六,A typical PALS spectrum with three film Ps lifetimes fitted using POSFIT.,2025/12/13 周六,T-E,公式,Tao 1972,Eldrup et al.1981,Chem.Phys.63,51,如果半径,2.3 nm,where in air=100 ns but in vacuum 142 ns,2025/12/13 周六,The dependency of o-Ps lifetime versus the pore radius according to the Tao-Eldrup equation.,2025/12/13 周六,Comparison on PALS technique with other methods,2025/12/13 周六,Open Porosity,Ps,在室温下的速率为,8,10,6,cm/s,在寿命期内在直径为,5-10nm,的介孔内可以有,1-2,10,6,次碰撞,.,Ps,可以容易地扩散回到真空表面,大部分的,Ps,湮灭发生在表面真空,(142 ns).,2025/12/13 周六,典型的开介孔寿命谱,.,一个较短寿命,(0.5 ns),的特征峰来自于正电子或,Ps,在介孔和块体上的湮灭,;,另一个长寿命分量占,(35-40%).,a porous silica film,长寿命分量的拟合值是,140 ns,即在真空中湮灭,.,表明介孔内部是高度连通,Ps,可以容易扩散到真空表面,.,开介孔,2025/12/13 周六,A Cu-capped porous silica film:35ns and 3.5 ns;,Oxide-capped silica film:94 ns;,This reduction of the Ps lifetime is almost certainly due to Cu coating on the inner pore surfaces where Ps annihilation would be enhanced by the high density of free electrons in Cu.,2025/12/13 周六,多普勒展宽,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,提高峰底比,10,5,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,元素的“指纹鉴别”,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,比例,亲和势,(eV),湮灭比例,AlMgCr,97.25/2.5/0.25,-4.41/-6.18/-2.62,69.6/29.8/0.6,2025/12/13 周六,二维角关联,Q,x,y,=p,x,y,/m,o,c,Resolution:0.25mrad(0.051.2keV),2025/12/13 周六,e,+,-e,-,湮没产生的,2,的夹角与,180,有一微小的偏离。实验同时测量,e,+,-e,-,湮没产生的,2,关联信号，可以获得电子动量分布信息，并且可进一步得到费米面形貌，研究能带结构等。,同,CDB,相似,二维角关联（,2D-ACAR,）可以由,e,+,-e,-,凐灭的动量分布来获得电子结构的信息，特别对单晶材料。,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,The long laboratory,A 2D-ACAR setup coupled to the intense(8*10,7,e,+/s)monochromatic slow,e,+beam POSH(POSitrons from the HOR reactor)is used for depth-selective research.,2025/12/13 周六,寿命-动量关联,2025/12/13 周六,AMOC,技术按测量寿命的起始触发信号分，主要有两种：,采用触发,（1.28MeV）,作起始信号，即所谓的,AMOC-E,技术；,采用正电子作起始信号，即,AMOC-,+,E,技术。,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,AMOC,应用,O-Ps,在凝聚态物质中的湮没主要有以下几种形式,：,pick-off,湮没,正-仲转换,磁猝灭,化学猝灭,正电子凝聚态物质中的湮没,2025/12/13 周六,“,picked off,”,annihilation,2025/12/13 周六,在液态,Ar,和,Kr,中在3,ns,处有一极大值。分析表明，液态,Ar,和,Kr,中有,Ps,气泡从一个附加的,delocalized,亚稳,o-Ps,态中形成,2025/12/13 周六,p-Ps,和,o-Ps,热化湮灭的各种特性。,2025/12/13 周六,3,g,measurement,2025/12/13 周六,Positron interactions with condensed matter,Positron interactions with condensed matter,分析表明，液态Ar和Kr中有Ps气泡从一个附加的delocalized亚稳o-Ps态中形成,Positron interactions with condensed matter,它揭示了一种新的反应机制。,SiC 单晶在不同条件退火后缺陷的变化,28MeV）作起始信号，即所谓的AMOC-E技术；,0510-4 eV,which agrees favorably with the accepted value of-6.,电荷：与电子电荷数量相等,电荷：与电子电荷数量相等,Open Porosity,The solid and open circles give the GGA and LDA results as a function of the experimental ones,respectively.,Open Porosity,5 ns)的特征峰来自于正电子或 Ps 在介孔和块体上的湮灭;,Positron interactions with condensed matter,长寿命分量的拟合值是140 ns,即在真空中湮灭.,（2）在非常低的能量损失下（大约比电子俄歇谱EAES的能量损失低5个量级）得到PAES谱；,它揭示了一种新的反应机制。,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,相 变,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2D-PALS,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,Positron lifetime spectra(upper)and three-gamma ratio(lower)as a function of annihilation time for capped(,)and noncapped,(,)porous SiO,2,films.,2025/12/13 周六,慢正电子束技术,2025/12/13 周六,Table shows typical values for the efficiency,emission energy and energy spread of selected materials and different geometries.,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,我国第一个慢正电子束装置,2025/12/13 周六,A,=4.0 gcm,-2,keV,-1.6,平均注入深度随能量变化大约从,1nm,到几个,m,m,。,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,SiC,单晶在不同条件退火后缺陷的变化,2025/12/13 周六,脉冲慢正电子束,2025/12/13 周六,Cross-sectional view of the chopper and buncher.,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,正电子衍射（低能和高能）,PAES,技术,正电子表面研究技术,2025/12/13 周六,几十多年以来，科学家们致力于寻找最合适的研究固体表面的探针，电子、正电子、光子、原子和离子都可作为研究表面的探针，然而，一个理想的表面结构探针应该具有以下的,2,个基本特性：,粒子与表面的相互作用应该较弱，以使测量结构可以被精确地模拟计算。,粒子必须要有小的平均自由程,(21021年,AIST,Japan,TOF-PAES,2025/12/13 周六,2025/12/13 周六,Brookhaven National Lab.,PAES,这个装置可产生比通常的,PAES,要大100倍的正电子束流强度，这样可以使测量时间从原来的几小时减少到几分钟，因此可用来对薄膜生长动力学和不稳定的多成份表层系统进行高分辨测量研究。,2025/12/13 周六,微 束,2025/12/13 周六,感谢观看,