2002年基于北京正負電子對撞機的慢正電子強束流裝置在高能所研制成功，慢正電子束流的強度、亮度和單色性能均達到國際同等水平，填補了我國在此領(lǐng)域的空白。什么是正電子？什么是慢正電子？什么是慢正電子強束流？它有何科學(xué)意義？它與加速器有何關(guān)系？一系列的問題使人很感興趣。

20世紀(jì)初，科學(xué)研究已經(jīng)表明任何物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。原子包括原子核和周圍的電子。電子很輕，帶負電，原子核較重，由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。

1930年，英國物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902～1984）（左圖）用數(shù)學(xué)方法描述電子運動規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)電子的電荷可以是負電荷、也可以是正電荷的。狄拉克猜想自然界中可能存在一種“反常的”帶正電荷的電子，他從理論上預(yù)言了正電子的存在。

1930年，旅美中國物理學(xué)家趙忠堯（右圖）在美國加州理工學(xué)院做研究生。他的博士論文的題目為“硬γ射線通過物質(zhì)時的吸收系數(shù)”。在研究過程中，趙忠堯發(fā)現(xiàn)了γ射線通過重元素時的“反常吸收”現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)強度各向同性、能量在0.5兆電子伏左右（相當(dāng)于電子的質(zhì)量）的γ射線輻射，他稱之為“特殊輻射”。但當(dāng)時趙忠堯不知道狄拉克預(yù)言正電子存在的理論。

與趙忠堯同時在加洲理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位的美國物理學(xué)家安德森(Carl David Anderson,1905-1991)（左圖）對趙忠堯的實驗結(jié)果很感興趣，兩人在討論中談到應(yīng)在研究宇宙射線的云室中做一做這個實驗。但可惜這個想法未能實現(xiàn)趙忠堯便回國了。

1932年，安德森用威爾遜云室研究宇宙射線，他將云室置入一個強磁場，然后仔細分析通過云室的宇宙微粒運動的軌跡圖片。在一幅顯示宇宙射線徑跡的照片上,安德遜注意到一種新粒子的跡象，他認(rèn)為“只有假定存在帶正電荷且質(zhì)量與電子同數(shù)量級的粒子才能說明這個徑跡”，以后他又發(fā)現(xiàn)了多條顯示這種粒子的徑跡。更精確研究表明,這種粒子的質(zhì)量、壽命、自旋與電子完全相同,其它物理量符號相反，這與狄拉克對自然界存在帶正電荷的電子的預(yù)言一致，安德森把它稱為正電子。由于這一重要發(fā)現(xiàn),安德森榮獲了1936年的諾貝耳物理學(xué)獎。

正電子不能長久存在，它剛出現(xiàn)不久就會與鄰近的電子碰撞，從而結(jié)合成光子，這就是“湮滅”現(xiàn)象。實際上趙忠堯是世界上觀察到正負電子對的產(chǎn)生和湮滅現(xiàn)象、給出正負電子對湮滅后光子能量正確結(jié)果的第一人。

利用正電子進入物質(zhì)后遇到電子會發(fā)生湮沒的特性，可用核譜學(xué)方法探測這些湮沒產(chǎn)生的輻射光子，從而得到有關(guān)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的信息。正電子湮沒技術(shù)已經(jīng)成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)（材料表面及內(nèi)部缺陷）和電子狀態(tài)（電子動量分布）的無損傷的靈敏核分析手段，常規(guī)正電子湮沒技術(shù)通常包含兩種廣泛應(yīng)用的實驗方法，即測量湮沒壽命及多普勒展寬譜。正電子湮沒技術(shù)在材料科學(xué)中應(yīng)用非常廣泛，包括研究淬火、氫損傷等在材料內(nèi)部造成的各種缺陷，研究材料中的各種相變過程等。這種實驗方法被稱為正電子湮沒譜學(xué)(Positron Annihilation Spectroscopy， PAS)。

正電子湮沒技術(shù)之所以能在材料科學(xué)中得以迅速發(fā)展和應(yīng)用，是由于它具有的獨特優(yōu)點，一是它對樣品的種類幾乎沒有什么限制，凡是涉及材料的電子密度及電子動量有關(guān)的問題，原則上都可以用正電子湮沒技術(shù)來研究；二是它對樣品中原子尺度的缺陷極端敏感。實驗證明，正電子湮沒譜學(xué)是研究金屬、半導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)體、高聚物等材料中的微觀結(jié)構(gòu)、電荷密度分布、電子動量密度分布極為靈敏的工具，它在材料科學(xué)，特別是缺陷研究和相變研究中發(fā)揮了重大的作用。

常規(guī)正電子實驗方法利用放射源發(fā)射正電子，其能量一般較高，且分布很寬，因此只能研究塊狀材料體內(nèi)的平均信息。隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，材料的尺寸已越來越小，由三維發(fā)展到兩維、一微甚至零維。如何研究材料微區(qū)的結(jié)構(gòu)信息已變得極為重要。

近年來發(fā)展起來的慢正電子束技術(shù)可以用于研究材料的表面和界面結(jié)構(gòu)。高能正電子通過慢化體慢化后，再將其加速至所需要的能量，并利用電磁聚焦，這樣就可以得到單能慢正電子束，其能量在0～幾十keV的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。如果對慢正電子進行二次慢化和再聚焦，即可得到正電子微束，進行掃描后可得到材料的三維結(jié)構(gòu)信息。利用這一方法研究的材料研究領(lǐng)域已由金屬、半導(dǎo)體擴展到聚合物。

慢正電子束流裝置按正電子源的產(chǎn)生機制不同主要分為兩種，一種是利用放射性同位素衰變產(chǎn)生正電子，優(yōu)點是投資相對少，缺點是受放射源強度限制束流強度偏弱。左圖為高能所建立的²²Na慢正電子束流裝置，現(xiàn)已全面對外開放，它是我國目前唯一正常運行并向用戶開放的慢正電子束流裝置（右圖為它的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)）。

另一種是利用電子直線加速器打靶（鉭或鎢）產(chǎn)生正電子，經(jīng)慢化過程使之成為單色、能量可調(diào)的慢正電子束，優(yōu)點是正電子源強度大，對發(fā)展新的實驗方法提供有力支持，但條件是必須掛靠加速器。

二十世紀(jì)80年代以來，國外許多有條件的實驗室紛紛建設(shè)基于電子直線加速器的慢正電子束流裝置，在美國、日本等發(fā)達國家，已經(jīng)建成和即將建成的基于加速器的強正電子束流裝置就有將近10臺之多。

1998年，我國科學(xué)家提出建立一臺基于加速器的高強度的慢正電子束流裝置，使我國可于21世紀(jì)初在慢正電子技術(shù)方面進入世界先進水平之列，縮小與發(fā)達國家的差距。在國家自然科學(xué)基金委、科學(xué)院和高能所的共同支持下，一個高強度的慢正電子束裝置于2003年10月研制成功，它依托于北京正負電子對撞機的直線加速器（左圖），利用其完成注入后的剩余時間，產(chǎn)生高強度、高亮度、低能單色正電子束流，應(yīng)用于材料科學(xué)尤其是材料表面特性的研究（右圖為基于北京正負電子對撞機的強流慢正電子束流裝置）。

該裝置的慢正電子強束流系統(tǒng)總長15.6米，加速器高能電子打靶產(chǎn)生的脈沖正電子經(jīng)慢化體慢化之后，在超高真空中通過100高斯均勻軸向磁場的約束引入慢正電子實驗廳（右圖）。脈沖慢正電子束流強度達到6x10⁵個/秒；預(yù)計在北京正負電子對撞機重大改造工程(BEPCⅡ)后，束流強度可達10⁸個/秒；正電子能量0～30kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，脈沖慢正電子束斑的直徑小于15毫米。

該裝置的建成彌補了我國現(xiàn)有的基于放射性同位素的慢正電子束流裝置正電子強度較弱的不足，拓展了慢正電子束設(shè)備在材料科學(xué)和微觀核探針方法學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域，填補了我國在這一研究領(lǐng)域內(nèi)的空白，并為進一步建立慢正電子湮沒的壽命測量、正電子誘導(dǎo)俄歇電子能譜測量以及低能正電子衍射和正電子顯微鏡等方法奠定了基礎(chǔ)（左圖為該裝置的控制臺）。

（高能所科研處制作 內(nèi)容摘自核分析室提供的材料）