正电子应用技术在高能所的发展

柴培 于润升 王宝义 魏龙中国科学院高能物理研究所《现代物理知识》引言正电子是电子的反物质，是人类科学史上发现的第一个反物质。反物质经常出现在科幻作品中，但它却不完全是科幻的，而是真实存在且有科学依据的。在中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”）的正负电子对撞机里每天上演着物质与反物质大战——正负电子对撞。

在高能所，关于正电子的研究与应用远远不止有对撞机，还有更多关于它的科学研究。

正电子湮没谱学和正电子发射断层成像技术（PET）就是基于正电子在高能所扎根发芽，并不断茁壮成长的两个专门的学科。

除带正电荷外，正电子其他性质与我们熟知的电子一模一样。

世界上第一个在实验中捕获到正电子的是我国核物理研究和加速器建造事业的开拓者，原子核物理、中子物理、加速器和宇宙线研究的先驱和奠基人——赵忠尧。

1929 年，赵先生在美国加州理工学院攻读博士学位。

他发现当γ射线穿过铅的时候，存在着“反常吸收”，并伴随辐射能量大小约为0.5 MeV的“特殊辐射”，这一能量大小正好是电子的静质量。

1932 年，赵先生的同学安德森（C.D. Anderson）受此启发而在宇宙线的云雾室照片上首次观察到了正电子的轨迹。

赵先生的工作对正电子的发现起到了重要的作用。

1973 年高能所在原子能研究所一部的基础上成立，赵忠尧先生担任副所长并主管实验物理部的工作。

从此，基于正电子的研究便与高能所结下不解之缘。

作为电子的反物质，正电子的发现为科学研究打开了一扇全新的大门，对物理学、化学、材料科学、生命科学等领域产生了重大影响。

在高能物理领域，正电子是发现新物质，探索和发现宇宙起源以及基本粒子特性的重要手段；在谱学研究领域，正电子在研究分子筛、催化分离、微观缺陷等方面有独特的作用；在生命科学领域，PET 是无数肿瘤或疑似肿瘤患者的福音，是医学影像领域一颗明珠。

正电子为什么能发挥这么大的作用呢？科学上，正物质与反物质水火不容，一旦偶遇，便你死我亡，同归于尽。

或者说，两者相遇会立即消失。

也正因为如此，反物质才很难被发现。

那么消失的物质会留下什么吗？根据爱因斯坦的质-能方程，物质消失，会转换成能量，且是巨大能量，因为两者的转换系数是光速的平方。

这个现象在物理学上叫做湮没。

正负电子相遇，发生湮没，同时产生出方向相反能量为511 keV 的一对高能γ光子。

科学家们正是通过对湮没光子的各种信息进行追踪和研究，从而去探秘正电子与电子及其所携带的信息的。

正电子谱学技术是基于正负电子湮没原理发展起来的研究和探讨物质微观结构和组成的特色核谱学技术之一，而PET则是基于正电子位置探测技术发展起来的最典型的核成像技术。

在我国的大地上，这两种非常重要的核科学技术方法就是从高能所出生、发展、壮大，并在全国范围内发展起来的。

正电子谱学技术正电子谱学可研究固体电子结构和材料缺陷，能够识别缺陷类型和测量缺陷浓度等信息，是物质微观结构研究的有力工具。

高能所是我国最早建立正电子湮没谱仪和谱学方法的研究单位。

上世纪七十年代末，高能所老一辈科学家紧跟国际核分析技术及正电子湮没谱学技术的发展，建成了我国第一台正电子湮没寿命谱仪，基于这台谱仪建设研究平台，开展特色研究。

同时，也为高能所和国内包括清华大学、中国科技大学、武汉大学、兰州大学等在内的许多单位培养了诸多青年学者，这些青年学者后来部分成长为本领域及所在单位学术研究带头人。

1979 年4 月，在中国科学院的主持下，由上海原子核所承办召开“文革”后的首次“核电子学与核探测器”学术会议，高能所向会议投稿发表了2篇与正电子湮没寿命谱仪相关的论文。

同年，高能所正电子谱学研究专家代表国内本领域学者首次参加了在日本召开的第5 届国际正电子湮没会议，并提交研究论文。

1981 年，高能所主办，在苏州召开了第一届全国正电子湮没学术会议，赵忠尧先生也出席了本次会议。

1986 年，高能所核技术应用研究部于9 月19 日至21 日举办推广氟化钡（BaF2）正电子寿命谱仪技术示范讲习班，来自全国17 个单位共30位代表参加此次讲习班。

随着慢正电子束流技术的发展，1996 年中国科学院高能物理研究所联合清华大学、北京航空航天大学、中国原子能科学研究院开始共建北京慢正电子束流装置。

装置于1998 年统调成功，2001 年购置22Na 放射源到位后即开始正式运行。

同时依托在加速器科学与技术方面的优势，1999 年高能所第一次在国内举办慢正电子束流技术发展与应用研讨会，邀请包括清华大学、中国科技大学、北京航空航天大学、武汉大学、中国原子能科学研究院、中科院兰州化学物理所，以及高能所自由电子激光装置和北京正负电子对撞机试验束等单位及设施相关专家参会研讨，酝酿建设我国第一台基于电子直线加速器（LINAC）的慢正电子强束流装置。

在国家自然科学基金委员会、中国科学院、北京正负电子对撞机国家实验室等大力支持下，2003 年基于北京正负电子对撞机的慢正电子强束流装置的各项调试全部完成。

基于慢正电子强束流装置，2007 年又完成了慢正电子湮没寿命谱测量装置的研制，其中的微束团化装置由反射式斩波器、三电极预聚束器、主聚束器三部分组成；2012 年研制成功基于北京慢正电子强束流的Ps-TOF 谱仪，其核心探测系统采用新的闪烁体几何构型和四探头探测系统，并采用增加辅助反射面的方法提高了光收集效率。

在财政部中央级科学事业单位修缮购置专项基金资助下，2013 年起开展基于Ne 慢化体的慢正电子束流材料表征系统建设，基于慢正电子束流的多种正电子谱学测量方法相继建成，并面向国内外用户开放运行。

在慢正电子束流装置建设的同时，基于慢正电子束流的正电子测量方法学也一直在不断完善。

2003 至2006 年，高能所开展了高时间分辨率、高稳定性正电子湮没寿命谱仪的研制改进，以及正电子湮没符合多普勒展宽（CDB）系统、正电子湮没寿命-动量关联（AMOC）谱仪等基于二重和三重符合测量技术的新型谱仪的建设，特别是在国内首次自主设计加工制造了二维多道所需电子学板卡。

高能所正电子研究平台（图1）特别是慢正电子束流技术的发展和新型多参数符合测量技术的实现，为新型功能材料和功能薄膜材料微观结构及其微环境的表征提供了一种特色研究方法。

2013 年以来，在正电子研究平台上进行相关研究的国内外科研单位总计达到70 多家，国内用户包括中科院兄弟研究所、综合性大学等，国外用户主要有德国、日本、芬兰、新加坡、罗马尼亚的科研单位。

国内外用户利用高能所正电子研究平台开展的工作发表在包括，，.等多个学科的顶级期刊上。

图1 高性能正电子多参数实验平台正电子发射断层成像技术人体的基本单元是细胞，细胞不断代谢才能维持生命，也即新陈代谢。

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