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