Спектроскопия позитронной аннигиляции (PAS) [1] или иногда ее еще называют спектроскопией времени жизни аннигиляции позитронов (PALS) — это метод неразрушающей спектроскопии для изучения пустот и дефектов в твердых телах. [2] [3]
Метод работает по принципу, что позитрон или позитроний будут аннигилировать посредством взаимодействия с электронами. Эта аннигиляция высвобождает гамма-лучи , которые могут быть обнаружены; время между испусканием позитронов из радиоактивного источника и обнаружением гамма-лучей из-за аннигиляции соответствует времени жизни позитрона или позитрония.
Когда позитроны инжектируются в твердое тело, они взаимодействуют каким-то образом с электронами в этом виде. Для твердых тел, содержащих свободные электроны (таких как металлы или полупроводники ), имплантированные позитроны быстро аннигилируют, если только не присутствуют пустоты, такие как дефекты вакансий . Если пустоты имеются, позитроны будут находиться в них и аннигилировать менее быстро, чем в объеме материала, на временных масштабах до ~1 нс. Для изоляторов, таких как полимеры или цеолиты , имплантированные позитроны взаимодействуют с электронами в материале, образуя позитроний.
Позитроний — это метастабильное водородоподобное связанное состояние электрона и позитрона , которое может существовать в двух спиновых состояниях. Пара -позитроний, p -Ps, — это синглетное состояние (спины позитрона и электрона антипараллельны) с характерным временем самоуничтожения 125 пс в вакууме. [4] Орто -позитроний, o -Ps, — это триплетное состояние (спины позитрона и электрона параллельны) с характерным временем самоуничтожения 142 нс в вакууме. [4] В молекулярных материалах время жизни o -Ps зависит от окружающей среды и несет информацию, касающуюся размера пустоты, в которой он находится. Ps может подбирать молекулярный электрон со спином, противоположным спину позитрона, что приводит к сокращению времени жизни o -Ps со 142 нс до 1-4 нс (в зависимости от размера свободного объема, в котором он находится). [4] Размер свободного объема молекулы можно вывести из времени жизни o -Ps с помощью полуэмпирической модели Тао-Элдрупа. [5]
Хотя PALS успешно исследует локальные свободные объемы, ему все еще необходимо использовать данные из комбинированных методов для получения фракций свободного объема. Даже подходы к получению фракционного свободного объема из данных PALS, которые заявляют о своей независимости от других экспериментов, таких как измерения PVT, все еще используют теоретические соображения, такие как величина изосвободного объема из теории Симхи-Бойера. Удобным новым методом получения величин свободного объема независимым образом является компьютерное моделирование; его можно объединить с измерениями PALS и помочь интерпретировать измерения PALS. [6]
Структуру пор в изоляторах можно определить с помощью квантово-механической модели Тао-Элдрапа [7] [8] и ее расширений. Изменяя температуру, при которой анализируется образец, структуру пор можно подогнать под модель, в которой позитроний ограничен в одном, двух или трех измерениях. Однако взаимосвязанные поры приводят к усредненным временам жизни, которые не позволяют различить гладкие каналы или каналы с меньшими, открытыми, периферическими порами из-за энергетически благоприятной диффузии позитрония из малых в более крупные поры.
Поведение позитронов в молекулах или конденсированных средах нетривиально из-за сильной корреляции между электронами и позитронами. Даже простейший случай, когда один позитрон погружен в однородный газ электронов, оказался серьезным вызовом для теории. Позитрон притягивает к себе электроны, увеличивая плотность контактов и, следовательно, увеличивая скорость аннигиляции. Кроме того, плотность импульса аннигилирующих пар электрон-позитрон увеличивается вблизи поверхности Ферми. [9] Теоретические подходы, используемые для изучения этой проблемы, включают приближение Тамма-Данкова [10] , приближение Ферми [11] и возмущенное [12] гиперсетчатое приближение цепи, методы теории функционала плотности [13] [14] и квантовый Монте-Карло . [15] [16]
Эксперимент сам по себе подразумевает наличие радиоактивного источника позитронов (часто 22 Na), расположенного вблизи аналита. Позитроны испускаются почти одновременно с гамма-лучами. Эти гамма-лучи обнаруживаются близлежащим сцинтиллятором . [ необходима цитата ]