中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 正电子科学与技术 内容提要 ○正电子概况 ○正电子拨术 ○正电子线术的应用 Bangjiao YE 中园缚蓉传术大草物理学院 The School of Physical Sciences,USTC a14 Positron Science 一、正电子概况 Positron story:Who is who? ir2c902.881984.10.20 etical prediction for pos on1928 Famous students Post-D Zhao Zhongy3o.1902.6.27-1998.5.28 1905.931991.111 Positron and electron annihilation was found Positron was found in 1932 by using cosmic rays the first time in 1930.This result leads directly to the discovery of positrons. n the Nobel Prize for Physics in 1936 Zhao's 110th birthdaycommemorationis just hold Cloud Chamber Photograph Second Series November 15,1930 Vol.36,No.ro Lead THE plate PHYSICAL REVIEW SCATTERING OF HARD Y-RAYS of nomicle中ove plat BvC,上，CgAo neans 's mo布g XnmrOa PRYRICIL STVIEN KCL.IME (Reeeived October 13,1930) HeFevtic Ehsta 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 1
2014/11/30 1 正电子科学与技术 Bangjiao YE 2014/11/30 内容提要 2014/11/30 一、正电子概况 Positron story：Who is who? I、Positron Science P.Dirac(1902.8.8-1984.10.20) Carl D. Anderson(1905.9.3-1991.1.11) Theoretical prediction for positron,1928 Positron was found in 1932 by using cosmic rays He won the Nobel Prize for Physics in 1936 Zhao Zhongyao,(1902.6.27.-1998.5.28) Positron and electron annihilation was found the first time in 1930. This result leads directly to the discovery of positrons. R. A. Millikan (1868 .3.22–1953.12.19) Doctoral advisor Post-D PhD 李 政 道 杨 振 宁 Zhao's 110th birthday commemoration is just hold. Famous students 王淦昌 赵九章 彭桓武 钱三强 王大珩 陈芳允 朱光亚 邓稼先 (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 赵忠尧 Cloud Chamber Photograph Lead plate Carl Anderson 1905-1991 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 Positron Science Positron Science aickly developed for Test Quantum Electrodynamics Fundamental ●Fundamental science ●Material science Industrial application Science Ps Bose-Einstein Condensation low-imne Gravitationof Ps Anti-matter Energy Particle Physics Industrial CT Microstructure A successful application is Anti-matter knowledge explanation Medical PET 正电子产生 Cyclotron-Produced Radionuclides Tbe72● produced Radionuclides Used in ●Bt-decay uclear Medicine Natural Abundance Common Production of Targ Product Decay Mode Reaction Some Cyelotron-produced Radionuclides wB(d.n)C 19.7 B(p.n)UC 80.3 Natural Abundanc PC(d.n)PN 9%9 Common Production Produet Decay Mode of Target Isotope Nid.n)O Reaction B*.EC Ne(d.a)F B'.EC IC B B(d.n)C 197 BY B(p.n)C 80.3 (ECY) B EC(d.n)DN 9州9 (EC.Y) 14N(d.n)5O 99,6 wN@(d.a)F 909 (EC.y) B*.EC Na(p.2n)Na 100 .312 4.6 (ECy) 13.2 pair production (y->et+e) 2602a Na (904 EC段5 B*(01% M y1.274Me Ne (22Na->22Ne +e+v+y(1.28 MeV)) ●Nuclear reaction 1 →e++ 2014四 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 2
2014/11/30 2 Fundamental science Material science Industrial application Microstructure explanation Industrial CT Positron Science Anti-matter knowledge A successful application is Medical PET The positron as the antiparticle of the electron can visualize the properties of electrons in matter. Positron science is quickly developed for fundamental science and application in materials and industrial. Fundamental Science Test Quantum Electrodynamics Ps Bose-Einstein Condensation Gravitation of Ps Anti-matter Energy Particle Physics Positron Science 正电子产生 b+-decay 2014/11/30 Cyclotron-Produced Radionuclides pair production (g -> e+ + e- ) Nuclear reaction (22Na -> 22Ne + e+ + ue + g (1.28 MeV)) 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 Positronium Why using Positronium as a precise measurement tool for bound stateQED Classical picture Positonimis boand state ofand purely leptonic system-QED precision Total spin ·Quantu .S=I (triplet)0-PS (Ortbo-Poistronium) Chrge conjugation Invariance (for Le) e-density e+density joint density ·p-Ps一even number of Y(2,46,·） .o-Ps-odd number of y(3.5.7....) Decay time .p-一2Y-125pseg 意6 .0-Ps一3y-142nsec Positron Science 正电子技术应用 SolidState Physics Material Science Materials Design 口半导体 口纳米材料 Surface Science and Catalysis 口超导体 口巨磁阻 Industrial Materials 口薄膜 口金属 Nano Science d界i 面 口多聚物 口多孔材料 口量子点 Positron Science 二、 正电子湮灭探测技术 Positron Annihilation Spectroscopy Positron Coincidence Doppler Broadening source hermaltan experimental arts 2D-Angular Correlation of ©010000 Annihilation Radiation 0000O0 装 Age-Momentum Correlation lusion OOOOOOa Electron Spectroscopy 00000 ow Energy Positron Diffraction 00⊙。0O Slow positron beam trapping Micro positron beam High energy positron beam 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播
2014/11/30 3 Positronium • Quantum picture Classical picture e- density e+ density joint density 2014/11/30 Material Science Solid State Physics Materials Design Surface Science and Catalysis Industrial Materials Nano Science Positron Science 正电子技术应用 半导体 超导体 薄 膜 界 面 多孔材料 纳米材料 巨磁阻 金 属 多聚物 量子点 2014/11/30 Positron Science Positron Annihilation Spectroscopy Coincidence Doppler Broadening 2D-Angular Correlation of Annihilation Radiation Age-Momentum Correlation Positron annihilation induced Auger Electron Spectroscopy Slow positron beam Micro positron beam High energy positron beam Low Energy Positron Diffraction Positron experimental arts 二、正电子湮灭探测技术 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 正电子技术的优越性 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、 二次高子谱等，虽然各自给出了许多有 ●对缺陷及原子尺度的徽结构变化极为灵敏： 价值的结果，但这些方法基本上不能给出原子尺 。无损探测，主动式寻找缺陷： 集程鑫级奖鑫职腹，并宜多为酸 ·可探测真实表面（几个原子层)的物理化学 信息： 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 ●探测物体内部局域电子密度及动量分布： 探针已在基础研究中发挥了巨大的作用，广泛地 ·正电子是电子的反粒子，容易与电子分辨又 应用于研究凝聚态材料、介孔材料、 半导体和超 可形成电子偶素； 导体、 纳米材料、高豪物化学、量子信息等学科 。慢正电子技术具有能量可调性，因而可获得 同时也在工业方面有着巨大的应用潜力，受到 缺陷或结构不均匀性沿样品深度的分布。 正电子技术与其它技术 STM/AFM OM E RS E 1 101o01100 Depth Depth OM: nS:neutron Scattering TEM:Transmisslon Electron Microscopy XRS:X-Ray Scattering STM:Scanning Tunneling Microscopy AFM:Atomic Force Microscopy 正电子湮灭基本测量技术 ●寿命测量 SCA 1.Positron lifetime 1.27 MeV 扩散长度 PM 1.27 MeV Star MCA 1-100m Nae E-somey-ir2 8.. Sample TAC +o+v 恐化时间 2-37p 0.51IMey PM p件0446EC954i 511 keV 511 keV 1274keN■ +064 Doppler SCA 511 keV 1W四 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播
2014/11/30 4 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。 2014/11/30 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，主动式寻找缺陷； 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。 2014/11/30 2014/11/30 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 2014/11/30 正电子湮灭基本测量技术 2014/11/30 寿命测量 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 kapto Defects in Materials 3m PMT Defect Type Size Materials 22-% Atomic .1nm Metals Vacancies Dislocations 1nm-10μm Metals Voids 0。 .1nm-1μm Composites Holes 1nm-10μm Polymers Energy 化合物半导体--Zn0 Mesoporous materials and lew-K dielectrics Zeolites Sillca gels Poly Porous gle恤rses 0 Lifetime(ns) 罕役平西正电 Za0单晶中Zm单空位正电于放函数 142n 各种材料的正电子寿命 Zn空位 京空位 0双空代 化合物半导体-GaN 高温超导体--SmFeAs(0 (001】Sm干国 GaN单晶001)原子 GaN单量Ga单空位0001) 平面正电于温漫率分布 原于平调正电于波香兼分布 Ga双空位 (001)A平■ 001】0T N效空位 aN复合空位 0I)(Fc,As,Sm,O)原子平面上的正电子被雷兼分市 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播
2014/11/30 5 2014/11/30 PMT sample kapton sample 22Na 2014/11/30 2014/11/30 ZnO (0001)原子平面正电 子波函数分布 ZnO单晶中Zn单空位正电子波函数 O双空位 Zn-O双空位 Zn双空位 化合物半导体---ZnO 化合物半导体---GaN GaN单晶Ga单空位(0001) 原子平面正电子波函数分布 Ga双空位 N双空位 GaN复合空位 GaN单晶(001)原子 平面正电子湮没率分布 高温超导体------SmFeAsO (001)（Fe，As，Sm，O）原子平面上的正电子波函数分布 （001）Fe平面 （001）Sm平面 （001）As平面 （001）O平面 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 Positron Lifetime 高温超导体-SmFeAs(0 ●GCd OLDA (01)F平 (0e1)s平国 10200 20 Positron lifetimes for some semiconductors.The solid and open circles give the GGA and LDA results as a function of the (001)A平■ (001)0平■ experimental ones,respectively. (001)(Fc,A,Sm,0)原于平面上的正电于道没率分市 数字化征电子寿命谱仪示意图 PMT 图H后 PMT SCURCE AND SAMPLE Master Slaver Digitizer Digitizer PCI PC PCI =189,0p9 实测的正电子寿命语 positron lifetime spectra consist of exponential decay components ggweeeee MELT拟合结果 t000 025 M) 5=52005 《2acy 00 0.5 =218 clustars) 45p 30 Time (nsl 20341/20 Lfetime.ps 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 6
2014/11/30 6 高温超导体------SmFeAsO (001)（Fe，As，Sm，O）原子平面上的正电子湮没率分布 （001）Fe平面 （001）Sm平面 （001）As平面 （001）O平面 Positron lifetimes for some semiconductors. The solid and open circles give the GGA and LDA results as a function of the experimental ones, respectively. 2014/11/30 2014/11/30 2014/11/30 数字化正电子寿命谱仪示意图 实测的正电子寿命谱 2014/11/30 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 Positron interactions with condensed matter 支aam e" (←-140 聚乙烯的热弛豫过程 400 铝的热平衡缺陷 o-Ps defect 0 2084/1/ 介孔结构和尺寸 a 理想化的结构 300 40 (a)cylindrical pores;(b)voids between packed spheres and schematic boundary structureshowing. (c)closed (latent)pores;(d)ink bottle;(e)funn and (f)oper A typical PALS spectrum with three film Ps lifetimes fitted using pores. POSFIT. T-E公式 Ta01972, -R+1sin) J.Chem.Phys.56,5499 Eldrup et al.1981 f.=aVd Chem.Phys.63,51 Excmded volmme R:free volume radius Ro=R+1.66A 如果半径>2.3nm 03 1一+ pore radius (nm) 1 The dependency of o-Ps lifetime versus the pore radius Tpick-olf according to the Tao-Eldrup equation. 3041/23 where in air =100 ns but in vacuum 142 ns 14 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 7
2014/11/30 7 铝的热平衡缺陷 聚乙烯的热弛豫过程 2014/11/30 Positron interactions with condensed matter 2014/11/30 介孔结构和尺寸 (a) cylindrical pores; (b) voids between packed spheres and schematic boundary structure showing. (c) closed (latent) pores; (d) ink bottle; (e) funnel; and (f) open pores. 理想化的结构 2014/11/30 • A typical PALS spectrum with three film Ps lifetimes fitted using POSFIT. 2014/11/30 T-E公式 Tao 1972, J.Chem.Phys. 56, 5499 Eldrup et al. 1981 Chem. Phys. 63, 51 , selfoffpick 111 如果半径>2.3 nm 2014/11/30 where in air =100 ns but in vacuum 142 ns The dependency of o-Ps lifetime versus the pore radius according to the Tao-Eldrup equation . 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索？014/11/30 Pore diameter (nm] Open Porosity e 100 ●Ps在室温下的速率为8 ×106cm/5,在寿命期内 a 在直径为5-10nm的介孔 内可以有1-2×105次碰 46810121416 ●Ps可以容易地扩散回到 Other Methods 真空表面，大部分的Ps 厘灭发生在表面真空 Comparison on PALS technique with other methods (142ns. 开介孔 Closed Porosity ●典型的开介孔寿命谱 ●一个较短寿命(s0.5ns)的 特征峰来自 正电子或 Ps在介孔和块体上的湿 灭： ●另一个长寿命分量占(35 a porous silica film ,40%) Capped Porosity o ns. 鑫明精 ●多普勒展宽 aE■12k,c 0 0 0000 1200 Time(ns) 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 E=12k,c coating on the inner pore surfaces where Ps annihilation would be enhanced by the high density of free electrons in Cu. 1W四 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 8
2014/11/30 8 Comparison on PALS technique with other methods 2014/11/30 Open Porosity Ps 在室温下的速率为8 106 cm/s, 在寿命期内 在直径为5-10nm的介孔 内可以有1-2 106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). 2014/11/30 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 2014/11/30 Closed Porosity Capped Porosity 2014/11/30 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. 2014/11/30 多普勒展宽 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 Doppler effect electron momentum in propagation direction of 511 keV yray leads to Doppler broadening of annihilation line 7 in GaAs Technique Sample 510512 Ge ray energy [ev] ADC Memcry 511 kev 511 kev E.E,-energy ofy quanta GaAs Doppler coincidence spectroscopy 513514515 Data Treatment Line Parameters Shape parameter A 04506 50 510512514518 y-ray energy [kev] 2041/ 1W四 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 9
2014/11/30 9 2014/11/30 2014/11/30 2014/11/30 2014/11/30 2014/11/30 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机
中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索2014/11/30 Doppler coincidence spectroscopy 0 m Es Eo(cpd 500 505610515 523 提高峰底比~105 i4作1/0 chemical gensitivity of energy specira 入 计邦 0 10 20 30 10 20 Electron momentum p,(10m.c) Electron momentum p(10'mc) 元素的“指纹鉴别” ●02 Mg" ne axis [001 14 12 2 nm ---Au nano 一McO1国e Zone axis [001]2 nm 820 104120 2014四 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 10
2014/11/30 10 2014/11/30 提高峰底比~105 2014/11/30 2014/11/30 2014/11/30 元素的“指纹鉴别” 2014/11/30 2014/11/30 中国科大大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科大物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，禁止传播 叶邦角主机