材料表征仪器：慢正电子束谱仪最全知识讲解

1 引言

21世纪科学的发展将是微观与宏观的相互渗透与密切结合。凝聚态物理、材料科学等的研究，将由现在的宏观统计方法（包括宏观量子统计）深入发展到物质的原子层次物性研究，微观粒子（颗粒、孔隙）的量子效应越来越显示出重要作用，这些研究将对物质科学、信息科学及计算机等学科的发展起到关键作用。

由于此类课题涉及微观体系的多粒子问题，加之材料样品在制备过程中条件复杂，且难于精确控制，造成原子所处环境多变，使得所研究的问题变得复杂而困难，必须采用多种手段从各不同角度进行观测，再综合分析，才能获得满意的结果。

目前，探测微观信息的手段已有不少，例如各种电镜、光学显微镜、卢瑟福背散射、中子衍射、深能级瞬发谱、二次离子谱等。虽然它们各自都给出了许多有价值的信息，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，也无法探测表面最外面几层原子的状况，并且多为破坏性测量或易造成较大的辐照损伤，慢正电子束技术恰好弥补了这些手段的不足[1]，它能通过探测正电子在材料中与电子发生湮没释放的光子携带的信息，获取正电子湮没位置的微观结构信息。目前主要的慢正电子束流装置有两大类：一类是基于放射性同位素的，如22Na，其束流强度通常很难超过106 e+/s；另一类是基于加速器或反应堆的，通常束流强度可达107～1010 e+/s，即所谓的强流慢正电子束。

由于慢正电子束技术对复杂材料的分析有明显的优越性，因此有着十分广泛的应用前景。正电子探针（尤其是慢正电子束流）不但在基础研究中发挥了巨大的作用，同时也在工业方面有着巨大的应用潜力，受到各国工业界的重视。迄今为止，国际上已经召开了十一届正电子湮没会议（ICPA）和八届慢正电子国际会议（SLOPOS）。慢正电子技术已越来越成熟，在许多研究领域，慢正电子技术已成为最重要的手段之一，发挥着越来越大的作用。

各国科学家利用正电子可产生电子偶素（Ps) 等特点，研制和发展了各种先进的正电子谱仪，例如正电子俄歇谱仪、高低能正电子衍射仪、正电子反射（透射或湮没）显微镜、正电子微束（φ<1 μm）等等。这些技术都有着许多突出的优点，但也都或多或少的存在一些缺陷。同时，相关科研工作者们发现，若要完善这些技术，必须建立强流慢正电子束线。因此，一些国家正大力推进强流正电子束的研究与建设。

正因如此，随着慢正电子束技术的不断发展创新，其应用领域也在不断扩大，已逐渐成为凝聚态物理学、化学和材料科学分析的重要研究工具。

2 慢正电子束的产生和发展

实验研究中最常用的正电子源是放射性同位素，例如22Na，58Co，64Cu等。但正电子的初始动能较高（通常在几百keV到几MeV），当其进入到介质材料中后，通过与内部的原子、电子或离子的非弹性碰撞损失能量，动能快速降到热能水平，之后在扩散过程中与材料中的电子发生湮没。正电子在材料中的射程通常为几十到几百微米，其射程决定了湮没信息所反映的材料微观信息，且为材料的平均信息，不适用于材料的表面和界面、薄膜材料微观结构的研究。

选择对正电子具有负逸出功的材料对正电子进行慢化可以获取eV量级的低能（慢）正电子。采用电磁场加速、聚焦和传输，我们还可以获得能量单一且连续可调的慢正