新型正电子束技术的应用及研究进展张明任海振梅雪松
（中原工学院理学院河南郑州450007）
【摘要】介绍了正电子束相关技术及应用的发展历程，实验方法以及应用。结合近年来的实验和理论成果，对基于捕获的新型正电子束的研究进展做了相关介绍，并展望了其应用前景.
【关键词】正电子；新型正电子束；高分子材料；反物质；Ps-BEC
0.引言
正电子是电子的反粒子，于1928年被P.A.Dirac预言，1932年被C.D.Anderson发现。正电子的质量与电荷量与电子相同，但带正电。正电子与电子相互结合可以发生湮没，从而放出特征γ射线，也可以形成正电子素而后湮没，放出特征γ射线。这就为正电子束的应用打下了基础。常规正电子束技术，以正电子湮没谱学为代表，主要用于材料的体特性研究[1]。正电子束通过慢化，可以大大降低能量，这样就可以用来探测材料的表面、界面微结构.
由于常规正电子束的束流强度和分辨率的限制，正电子束技术主要应用在材料平均特性的研究中。然而正电子作为反物质粒子，具有其显著的特性，是研究反物质相互作用的理想工具。通过对正电子束的能量分辨率、束流的控制，即对正电子束的热化、约束、储存做出相应的改进，使其达到足够高的密度，形成新型的正电子束。这种正电子束在原子分子物理、等离子体物理、反物质相互作用、正电子能量转换等方面都具有很大的应用潜力[2].
1.常规正电子束技术
常规的正电子束技术以正电子湮没谱学为代表。其理论依据是，正电子与电子的湮没可以放出两个γ光子，它们具有0.511MeV的能量，以180°的夹角射出.
正电子在材料当中可以形成正电子素，是一种电子和正电子形成的亚稳态原子.Ps有两种自旋态，仲态（自旋单态p-Ps）和正态（自旋三重态o-Ps）.当电子与正电子的自旋反平行，Ps的总自旋为0，成为p-Ps；当电子与正电子自旋平行，Ps总自旋为1，此时成为o-Ps.由于电子偶素能在气体、液体、绝缘固体中乃至固体表面形成与湮没，是研究物质结构的灵敏探针[3].
2．新型正电子束
在反物质相互作用、原子物理等科学技术领域，常规的正电子束的能量分辨率以及束流强度无法达到要求。这就对正电子束技术提出了更高的要求。要求我们找到或制备一种可控的、能量分辨率更高的、束流强度很强的正电子束。从上世纪80年代末到90年代初，美国的Surko小组在约束、存储和积累正电子方面做出了重要的贡献，发展了基于捕获的正电子束技术[4]。从而为获得高质量的正电子束，进行更为前沿的工作提供了有力的工具。新型正电子技术主要分为慢正电子束流的产生即正电子的注入，正电子的捕获，正电子的冷却和压缩几个研究方向。最后将正电子从捕获阱中提取出来，根据需要，改变正电子的条件，最终形成新型的正电子束.
2.1慢正电子束的产生
正电子束的产生主要有两种方式，放射性同位素和加速器。其中最常用的是放射性同位素的方法。放射性同位素方法设备简单，投入成本低，适合在小型的实验室中建造。目前国内，中国科技大学、香港大学、中科院高能物理研究所、武汉大学都有慢正电子束装置。其中武汉大学核固体物理实验室的慢正电子束装置具有更高的慢化效率，其采用固态氖做慢化体，比传统的钨慢化体高一个数量级。可以得到迄今为止国内采用放射同位素源最高的低能正电子束流强度（几个eV的正电子，5×106/s），并且具有寿命测量功能。[2][5]开辟了国内新型正电子束以及反物质与物质相互作用的研究方向.
除此之外，反应堆方法也可以制备正电子，主要有两种实现途径，热中子活化法得到短寿命的放射性同位素，如64Cu；另一种是利用113Cd的热中子俘获产生γ光子，再由γ光子产生正负电子对[6].
2.2正电子的捕获
最常用的捕获反物质粒子的方法是潘宁阱。若正电子在连续束源被捕获，要求正电子运动沿着平行磁场方向提取能量。目前最常用的正电子捕获技术是缓冲气体技术，其具有最高的捕获效率和适中的磁场要求[3].
2.3正电子的冷却
正电子束经过慢化体慢化后，进入捕获阱，在捕获阱中进一步降低能量后被捕获积累。这一环节冷却工作是新型正电子束的重要技术.
目前最常用的冷却方法是缓冲气体冷却，缓冲气体冷却应当选取合适的气体原子或者分子进行碰撞。要求气体分子与正电子之间大的正电子能量损失截面，但形成正电子素原子的截面较小，分子氮已经证明是最有效的冷却气体.
2.4新型正电子束的形成
基于捕获、冷却、压缩的一系列技术，可以形成品质更好的新型正电子束，如冷束、脉冲束、亮度增强束以及巨大脉冲束.
2．4．1冷束的形成，基于正电子等离子体在捕获阱中的高度冷却.
正电子等离子体在捕获阱中形成后，利用在电极上施加逐渐增加的阶梯型电压来形成正电子脉冲，电压的每一次增加，都伴随着极小部分被存储的正电子的喷射行为[8].
2．4．2脉冲束及巨大脉冲束，正电子被捕获在捕获阱中，可以方便的进行聚束。通过一系列的产生脉冲的技术，可以得到比单纯从捕获阱中释放的方式更短更窄的脉冲束，在固体中正电子寿命测量中有很大的作用.
2．4．3亮度增强束，因为传统正电子束强度低，不易聚焦，故在一些需要小直径束的实验中有较大的应用困难。而基于捕获的正电子束的径向压缩技术可以提供产生小直径正电子束的有效方法。传统的正电子束很难聚焦到小于几百mm，而且束流强度也会大大减小。基于捕获的正电子束压缩技术克服了这些困难，可以将正电子束压缩至百μm数量级。使得应用前景大大拓宽.
除此之外，基于捕获的正电子束技术还可以将LINAC产生的正电子束流直流化，改善其能量分散度，缩短脉冲时间，使得其能应用在更多的领域当中，如材料表面特性的研究.
3．新型正电子束技术发展展望
近期的基于捕获的新型正电子束的实验成果展现出了新型正电子束的广泛应用前景，更广泛的应用前景也对新型正电子束技术提出了更高的要求.
3.1正电子的大量存储与积累
大量积累与存储正电子能为许多科学与技术研究提供有力的工具，例如正电子素原子的玻色-爱因斯坦凝聚（Ps-BEC）[10]，Ps的强脉冲束制备，制造反氢，甚至可能用来替换实验室中放射性同位素正电子源（手提式正电子捕获阱）等等.
现如今已经有一些方法可以用来积累大量的正电子，如使用电子-正电子等离子体，在改进潘宁阱中囚禁正电子等，但每一种方法都有缺陷.
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3.2超冷正电子束
基于捕获的新型正电子束为实现超冷正电子束成为可能。这种正电子等离子体，在超低温、强磁场、温度仅有10K的情况下生成。将等离子体提取，增加亮度，可以达到1meV的能量分辨率。这对于精细物理过程的研究大为有益，如用于正电子碰撞引起的分子旋转激发的研究.
3.3自旋极化的正电子束
自旋极化的正电子束对于实现Ps-BEC是必不可少的条件。来自放射源的正电子是部分极化的[12]。研究发现，非中性等离子体在低温、强磁场的情况下，等离子体的密度将大致和磁感线的密度变化保持一致（实验中采用磁镜），即出现了分界的现象，而在等离子体内部，静电势也随着磁感线的变化而变化。两自旋态的比例也沿着磁场的梯度方向变化，因此将可能分离出自旋极化的等离子体，并获取自旋极化的正电子束.
4．新型正电子束的应用
基于捕获的新型正电子束在很大程度上弥补了传统正电子束的不足，在原有的应用领域大大拓宽了其作用。而且也开拓了更前沿的理论和应用道路.
4．1新型正电子束可以应用在原子、分子物理学当中，利用基于捕获形成的冷正电子束，甚至超冷正电子束来研究分子、原子的碰撞过程，以及正电子和原子分子的两体孤立相互作用，也可以研究分子振动的绝对散射截面等.
4．2由于新型正电子束具有更高的能量分辨率，形成更冷、更亮或者更窄的束，在材料科学中的应用潜力大大提升。基于捕获的技术产生的正电子束可以形成脉冲束、冷束等可以控制的束流，这种束流使得人们可以控制正电子入射的深度，得到更多的关于缺陷等结构信息。由于束径可以大大减小，人们可以利用新型正电子束对材料进行扫描，研究材料内部的三维缺陷分布。这比传统的正电子束只能得到平均结构信息前进了一大步.
4．3正电子素原子的玻色-爱因斯坦凝聚，Ps原子是玻色子，根据BEC的形成机理，在临界温度下，大量的正电子素将有可能形成Ps-BEC[10]。这将给人们研究物质与反物质相互作用揭开新篇章。除此之外，Ps-BEC也可能被用于形成巨大受激γ发射束.
4．4正电子的捕获技术为正电子的能量转换提供了实现途径。因为正电子是反物质，其与电子进行湮没可以产生能量，放出光子，是迄今为止已知的最大能量密度。而且湮没的产物仅有0.511MeV的γ射线，不会产生核废料。所以正电子能量转换一直是人们努力实现的对象。这些能量可用于宇宙飞船的新能源、清洁光子弹、γ激光器等新型战略性武器[14]。这对人类以后探索宇宙，解决能源问题都具有指导性的意义.
5．结语
正电子束以及相关理论技术的研究已经走过了大半个世纪的历程，但仍然方兴未艾。传统的正电子束技术已经在材料科学、医学、化学、物理学当中展现出其特有的优势与重要性。近年来新型正电子束技术的发展，不仅弥补了传统正电子束的不足，让正电子束的应用在原有领域的到了很大的发展，而且将正电子束的应用范围大大拓展，无论对理论、实验还是技术都有着无可比拟的意义。相信随着正电子束各项研究及技术的发展，自然界更多的奥秘将被揭开，正电子束本身也将真正成为各个领域进行探测与实验的利器和理论进步的客观依据. 返回栏目页：电子通信网络论文