陽電子消滅分光法

陽電子消滅分光法（PAS）^[1]または特に陽電子消滅寿命分光法（PALS）と呼ばれることもある、固体内の空隙や欠陥を調べるための非破壊分光法です。 ^{[2] [3]}

この技術は、陽電子またはポジトロニウムが電子との相互作用によって消滅するという原理に基づいて機能します。この消滅により、検出可能なガンマ線が放出されます。放射性源からの陽電子の放出から消滅によるガンマ線の検出 までの時間は、陽電子またはポジトロニウムの寿命に相当します。

陽電子が固体に注入されると、その種の電子と何らかの形で相互作用します。自由電子を含む固体（金属や半導体など）の場合、注入された陽電子は空孔欠陥などの空隙が存在しない限り、急速に消滅します。空隙が存在する場合、陽電子はその中に留まり、最大約 1 ナノ秒の時間スケールで、物質の大部分よりもゆっくりと消滅します。ポリマーやゼオライトなどの絶縁体の場合、注入された陽電子は物質内の電子と相互作用してポジトロニウムを形成します。

ポジトロニウムは、電子と陽電子の準安定な水素のような結合状態であり、2 つのスピン状態で存在できます。パラ-ポジトロニウム ( p -Ps) は一重項状態(陽電子と電子のスピンが反平行) であり、真空中での特徴的な自己消滅寿命は 125 ps です。^[4]オルト-ポジトロニウム ( o -Ps) は三重項状態(陽電子と電子のスピンが平行) であり、真空中での特徴的な自己消滅寿命は 142 ns です。^{[4]分子材料では、} o -Psの寿命は環境に依存し、それが存在する空隙のサイズに関する情報を提供します。Ps は陽電子と反対のスピンを持つ分子電子を拾うことができ、o -Ps の寿命は 142 ns から 1～4 ns に短縮されます (存在する自由体積のサイズによって異なります)。^[4]分子の自由体積の大きさは、半経験的タオ・エルドルップモデルを介してo -Ps寿命から導くことができる。 ^[5]

PALS は局所的な自由体積を調べることには成功していますが、自由体積率を得るためには、依然として複合的な方法からのデータを使用する必要があります。PVT 測定などの他の実験に依存しないと主張する PALS データから分数自由体積を取得するアプローチでさえ、Simha-Boyer 理論の等自由体積量などの理論的考慮を採用しています。独立した方法で自由体積量を取得する便利な新しい方法は、コンピューター シミュレーションです。これは PALS 測定と組み合わせて、PALS 測定を解釈するのに役立ちます。^[6]

絶縁体の細孔構造は、量子力学のタオ・エルドルップモデル^{[7] [8]}とその拡張モデルを使用して決定できます。サンプルを分析する温度を変更することで、ポジトロニウムが 1 次元、2 次元、または 3 次元に閉じ込められているモデルに細孔構造を適合させることができます。ただし、相互接続された細孔では、小さな細孔から大きな細孔へのエネルギー的に有利なポジトロニウム拡散により、滑らかなチャネルと、より小さく開いた周囲の細孔を持つチャネルを区別できない平均寿命が発生します。

分子や凝縮物質における陽電子の挙動は、電子と陽電子の強い相関関係のため、自明ではない。最も単純なケース、すなわち電子の均質ガス中に浸漬された単一の陽電子の場合でさえ、理論にとって大きな課題であることが証明されている。陽電子は電子を引き寄せ、接触密度を増加させ、したがって消滅率を高める。さらに、消滅する電子-陽電子対の運動量密度は、フェルミ面の近くで増加する。^[9]この問題の研究に使用される理論的アプローチには、タム-ダンコフ近似、^[10]フェルミ近似^[11]および摂動^[12]ハイパーネット連鎖近似、密度汎関数法^{[13] [14]}および量子モンテカルロ^{[15] [16]}が含まれる。

実験自体は、分析対象物の近くに放射性陽電子源（多くの場合^{22 Na）を配置することを伴う。陽電子はガンマ線とほぼ同時に放出される。これらのガンマ線は近くの}シンチレータによって検出される。^{[引用が必要]}