正电子湮没无损测试技术与应用

许占显

（广东环境保护工程职业学院 机电工程系，佛山 528216）

正电子湮没无损测试技术是一种研究物质微观结构的方法，一种先进的材料微观结构－自由体积的探测和表征技术，可用于固体物理晶体缺陷与材料相结构与相结构转变的研究，目前已成为一种研究物质微观结构、缺陷、疲劳等的新技术与手段［1－7］。检测实施过程中，放射源作用材料时会产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点，这种正电子可以被纳米大小的缺陷吸引而与电子相撞击。在正负电子撞击过程中，两种质点湮没，从而放出一种伽玛射线。伽玛射线能谱显示出一种清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。显然，这些特征可以标识最早阶段的损伤，即裂纹尚未出现的损伤；同时可以在不分解产品的情况下定量地评估其剩余寿命［8］，笔者对该技术的原理及其应用进行了介绍。

1 正电子与正电子湮没测试原理

1.1 正电子与正电子湮没的发现

1930年，狄拉克首次在理论上预言了正电子的存在［9］。他提出了著名的相对论量子力学方程——狄拉克方程，而在求解时出现了一个负能态的解，与之对应的本征波函数即相应于正电子波函数。当时正在利用威尔逊云室研究宇宙射线所产生的次级电子能谱的安德逊，在并不了解狄拉克预言的情况下，在试验中发现了正电子。同时，我国著名物理学家赵忠尧，首次观测到了正电子湮没辐射。正电子是很不稳定的，它碰到电子就会湮没，即电子与正电子消失并产生光子。在多数情况下，产生出的两个γ光子以相反方向射出，如图1所示。

图1 正电子与缺陷处的负电子作用而湮没

1.2 正电子湮没无损测试原理

正电子湮没无损测试所采用的正电子源最初来自于放射源的β＋源，通过放射源的作用在材料中产生正电子。在含损伤材料中，位错、空位等缺陷表现为负电荷，由于库仑引力，在材料中扩散的正电子会因吸引而被捕获，停止扩散，正电子在缺陷中停留一段时间之后就会湮灭。正负电子在湮没时会放出两个180°背向的511keVγ光子。实际上，正负电子在湮没时一般都非静止状态，因此由正负电子组成的质心系本身在实验室系统下仍具有一个随机的速度，这个速度的大小和方向都是不确定的，根据被分析物体状况的不同而具有某种确定的分布。由于该速度的存在，在实验室观察到的湮没γ光子的能量将不再是511keV，而是略大或略小，表现为多普勒展宽。与内层电子和价电子相比，处在缺陷内的电子密度和动量都较小，因此正电子在湮没之后放出511keVγ光子的多普勒展宽也较小。相反，如果材料中不存在缺陷，则正电子更容易被内层电子所捕获，而内层电子的速度较大，因此多普勒展宽较大。可见，用适当的参数描述谱线形状的变化，可获取有关缺陷效应的信息，实现无损评估。

由于正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，所以采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测。这使得正电子湮没分析对大体积物体的检测受到了限制。为克服采用放射源时正电子湮没测试不适合于大体积物体检测的缺点，光致正电子湮没技术得以发展，如图2所示。这种技术利用高能X射线产生正电子，由于高能X射线具有很强的穿透性，因此即使是大体积的物体，X射线也可在其深处产生正电子，适合于对大体积的材料进行无损测试与评价。

2 正电子湮没无损测试方法

测试方法主要有正电子寿命测量、湮没γ角关联测量和湮没谱线多普勒增宽三类。

图2 光致正电子湮没检测原理

2.1 正电子寿命谱方法

通常用22Na作正电子源，源强为几微居里到几十微居里。测试设备类似核能谱学中常用的系统，称之为正电子寿命谱仪，图3是一种寿命谱仪示意图的系统方框图。谱仪时间分辨率一般为3×10－10s左右，最好的已达1.7×10－10s。

22Na放射的正电子入射到测试样品中，同其中的电子发生湮没，放出γ射线。用1.27MeV的γ光子标志正电子的产生，并作为起始信号，511keV的湮没辐射γ光子标志正电子的“死亡”，并作为终止信号。两个信号之间的时间就是正电子的寿命。在凝聚态物体中，自由正电子湮没的平均寿命在1～5×10－10s范围内。

图3 寿命谱仪示意图的系统方框图

2.2 双γ角关联方法

长狭缝角关联测量系统的正电子源通常为64Cu，22Na，58Co，测量时相对于固定探头以Z方向为轴转动另一探头，测出符合计数率随角度的分布，就可以得到电子在某个方向上的动量分布。该方法要求高精度的机械设备和强源（几十毫居里的点源），典型的角分辨力为0.5mrad。有些工作采用多探测器系统可作两维动量分布的测量。

2.3 测量多普勒增宽谱

使用高能量分辨力Ge（Li）或高纯锗半导体探测器，测量湮没辐射的能谱。能量分辨力可达1keV（对85Sr，514keV的γ射线）左右。这种方法的优点是只需用几微居里的弱源，获取数据快，适用于动态研究。缺点是获取的数据粗糙，对湮没电子动量的分辨不如角关联试验好，典型情况下差四倍。

3 正电子湮没无损测试技术应用

该技术在固体物理中应用最广泛，可用来研究晶体缺陷（空位、位错和辐照损伤等）、固体中的相变、金属有序－无序相变等。在化学中可用于研究有机化合物的化学反应、鉴定有机物结构中的碳正离子、研究聚合物的微观结构等。

3.1 研究物质微观结构

正电子湮没无损测试技术可用来研究物质微观结构及其变化，其实质是用线性加速器的光束来穿透材料。在测试过程中，产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点（正电子），被缺陷吸引而与该区域的负电子发生碰撞，两种电荷质点湮没放出的伽玛射线能谱（γ光谱）可显示出清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。根据这些γ光谱响应数据和正电子系统的分析方法，通过采用重合寿命法不仅可获得有关缺陷集中数据，而且也可获得缺陷的形式和尺寸数据，获得定量疲劳或脆裂损坏估计值。测试发现，缺陷附近的平均电子密度一般较低，故正电子寿命变长。例如，正电子在Al单孔位中湮没寿命为205ps（皮秒，1皮秒等于一万亿分之一秒），而在完整的Al晶体中寿命为167ps，约增大23%。利用这一缺陷捕获效应，可追踪样品形变、退火回复等过程中缺陷的发展与变化。文献［2］采用正电子湮没无损测试技术研究不同化学成分的二元TiAL合金中的微观缺陷。

3.1.1 在高聚物及复合材料中的应用

文献［5］采用正电子湮没无损测试技术研究了高分子薄膜问题；文献［6］研究了在玻璃性能与结构特征方面的应用；在生物学中，该技术可用于研究生物大分子在溶液中的结构特征。正电子湮没无损测试技术已应用于研究多种高分子材料，高分子非晶（无定形）材料和结晶材料、交联和导电高分子、高分子液晶和溶液等［10］。通过采用正电子湮没无损测试技术表征聚合物材料的微观结构，能提供各种高分子材料体内的许多化学、物理性质变化的信息。例如，文献［10］研究了聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等在各种外界条件作用下高分子材料的结构和性能的变化。试验结果证明，正电子湮没无损测试技术是一种先进的材料微观结构－自由体积的探测和表征技术［11］。在高分子薄膜研究中，该技术可以准确地探测高分子薄膜微观缺陷（自由体积）尺寸、分数、浓度、深度分布，将在研究各种高分子薄膜的微结构与性能关系、表面效应、界面效应等方面发挥积极作用［12］。

在涂料领域，采用正电子湮没无损测试技术，能够很好地研究涂料的老化机理。通过调节入射正电子的能量还可以得到不同深度涂层的自由体积变化、老化程度和涂料基料的性能。G Consolati等［13］研究了以HDI和IPDI为硬段，氟碳树脂和聚环氧丙烷醚为软段的双组分和潮气固化聚氨酯涂料基料的微观结构与相分离情况。Y C Jean等人［14］对用于飞机蒙皮的聚氨酯涂料的研究表明，该技术在研究涂料老化降解方面很有价值，是一种方便、可以实时监控以及考察涂层不同深度老化情况的研究手段。此方法不仅对单一聚合物体系有效，对复合材料也同样有效。文献［15］对增强增韧的高密度聚乙烯（HDPE）／乙丙三元橡胶（EPDM）／炭黑（cB）三相复合材料进行了正电子湮没测试与分析，研究了结构与强度性能的关系。

3.1.2 在纳米材料中的应用

对纳米材料来讲，小尺寸的微观结构，尤其是微观的缺陷分布对其材料的综合性能有着不可忽视的影响［1］。最早将正电子湮没技术引入纳米材料中的是Schaefer等人［16］。目前，纳米材料中利用正电子湮没技术研究的热点大部分集中在纳米金属、合金和无机物半导体上［17］；正电子在材料中的热化散射距离在100nm左右，大于纳米晶粒的尺寸，故热化后正电子将大部分被晶界捕获。正电子湮没无损测试技术在纳米材料中主要研究其晶粒界面结构和界面缺陷的分布；文献［17］采用该技术对纳米金属、合金以及纳米半导体等材料进行了微结构的研究工作。

3.2 疲劳损伤检测

正电子湮没无损测试技术能检测机械、结构第二层材料的疲劳失效，是非破坏性检验中确定原子层的结构完整性、疲劳和脆裂问题的一项重要技术。传统的无损检测方法，如涡流和X射线法，仅在可见裂纹或者缺陷已扩展到裂纹发生阶段之后是有用的。而正电子湮没测试技术能在裂纹发生之前检测一个原子层的疲劳、脆裂及材料晶格损坏。文献［3］用正电子和超声衰减方法研究了金属疲劳问题；文献［4］研究了超合金中的疲劳现象，得出了随着疲劳次数的增加正电子线性参数的变化曲线。

3.3 在航空方面的应用

美国某公司开发的光致正电子湮没无损测试技术［8］，可有效地检测机翼中埋在第二层内的疲劳损伤，这是无损检测技术的一项重要进展。在一次翼梁试验中，对在试样的第二层锥度紧固件孔内的一个已知损伤进行了分析。对损伤及未损伤部位进行了测试，发现两者的疲劳值有明显差异，而其中的钛合金层的厚度变化对测试值并无影响。

固体发动机无损检测是保证导弹可靠性的重要手段，也是确定其寿命的重要环节。目前国内外大多采用超声、微波、红外、激光全息、声全息、X射线切线照相和工业CT等多种无损检测方法对固体推进剂进行无损检测，而这些方法的固有局限是固体推进剂要出现亚毫米级以上的缺陷才能检出。美国空军研究实验室和海军航空武器中心提出的高性能火箭技术整体规划中，将固体发动机的寿命预报作为其重要组成部分，并准备从固体推进剂化学特性、力学特性的相关性分析，以及运用无损检测手段对固体推进剂实施健康监测等几个方面开展研究。为此，美国爱达荷国家环境与工程实验室（INEEL）率先开展研究，并已授权给Positrons System Inc进行商业运作，目前在光致正电子湮没无损测试技术方面处于较为领先的地位。他们利用该技术对模拟固体推进剂（H19）进行了检测，得到了一些有价值的结果。文献［18］对固体推进剂开展了无损探伤试验，致力于在湮没γ能谱的展宽程度与固体推进剂的缺陷情况之间建立联系。对哑铃型固体推进剂试件进行定速率拉伸试验，环境温度分别为－40，20和70℃ ，拉伸速率分别为2，100mm／min。采用正电子湮没测试技术对所获含缺陷的样本进行了定量分析。

另外，医学上用正电子发射断层扫描仪，可得到人的心脏、脑和其他器官的断面图像，研究它们的新陈代谢过程，利于作出疾病的早期诊断及肿瘤的早期发现。

4 结语

如果固体中存在空位、位错或空洞等缺陷，由于缺陷对正电子的捕获作用，正电子将局限在缺陷附近湮没。研究结果表明，正电子湮没无损测试技术已成为一种研究物质微观损伤的新手段，可有效地检测机翼中的缺陷，探测轮机叶片、飞机起落装置的疲劳损伤，特别是在小裂缝出现之前作出预报，在不分解产品的情况下定量地评估各种材料和预测昂贵部件的剩余寿命。该技术未来将成为参与飞机、导弹总体保障性论证过程中的一种具有发展前景的无损评估疲劳失效的方法，在航空航天零部件早期疲劳诊断等方面有着良好的开发与应用价值。

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