2002年基于北京正负电子对撞机的慢正电子强束流装置在高能所研制成功，慢正电子束流的强度、亮度和单色性能均达到国际同等水平，填补了我国在此领域的空白。什么是正电子？什么是慢正电子？什么是慢正电子强束流？它有何科学意义？它与加速器有何关系？一系列的问题使人很感兴趣。

20世纪初，科学研究已经表明任何物质都是由原子构成的。原子包括原子核和周围的电子。电子很轻，带负电，原子核较重，由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。

1930年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902～1984）（左图）用数学方法描述电子运动规律时，发现电子的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想自然界中可能存在一种“反常的”带正电荷的电子，他从理论上预言了正电子的存在。

1930年，旅美中国物理学家赵忠尧（右图）在美国加州理工学院做研究生。他的博士论文的题目为“硬γ射线通过物质时的吸收系数”。在研究过程中，赵忠尧发现了γ射线通过重元素时的“反常吸收”现象，并发现强度各向同性、能量在0.5兆电子伏左右（相当于电子的质量）的γ射线辐射，他称之为“特殊辐射”。但当时赵忠尧不知道狄拉克预言正电子存在的理论。

与赵忠尧同时在加洲理工学院攻读博士学位的美国物理学家安德森(Carl David Anderson,1905-1991)（左图）对赵忠尧的实验结果很感兴趣，两人在讨论中谈到应在研究宇宙射线的云室中做一做这个实验。但可惜这个想法未能实现赵忠尧便回国了。

1932年，安德森用威尔逊云室研究宇宙射线，他将云室置入一个强磁场，然后仔细分析通过云室的宇宙微粒运动的轨迹图片。在一幅显示宇宙射线径迹的照片上,安德逊注意到一种新粒子的迹象，他认为“只有假定存在带正电荷且质量与电子同数量级的粒子才能说明这个径迹”，以后他又发现了多条显示这种粒子的径迹。更精确研究表明,这种粒子的质量、寿命、自旋与电子完全相同,其它物理量符号相反，这与狄拉克对自然界存在带正电荷的电子的预言一致，安德森把它称为正电子。由于这一重要发现,安德森荣获了1936年的诺贝耳物理学奖。

正电子不能长久存在，它刚出现不久就会与邻近的电子碰撞，从而结合成光子，这就是“湮灭”现象。实际上赵忠尧是世界上观察到正负电子对的产生和湮灭现象、给出正负电子对湮灭后光子能量正确结果的第一人。

利用正电子进入物质后遇到电子会发生湮没的特性，可用核谱学方法探测这些湮没产生的辐射光子，从而得到有关物质微观结构的信息。正电子湮没技术已经成为研究物质结构（材料表面及内部缺陷）和电子状态（电子动量分布）的无损伤的灵敏核分析手段，常规正电子湮没技术通常包含两种广泛应用的实验方法，即测量湮没寿命及多普勒展宽谱。正电子湮没技术在材料科学中应用非常广泛，包括研究淬火、氢损伤等在材料内部造成的各种缺陷，研究材料中的各种相变过程等。这种实验方法被称为正电子湮没谱学(Positron Annihilation Spectroscopy， PAS)。

正电子湮没技术之所以能在材料科学中得以迅速发展和应用，是由于它具有的独特优点，一是它对样品的种类几乎没有什么限制，凡是涉及材料的电子密度及电子动量有关的问题，原则上都可以用正电子湮没技术来研究；二是它对样品中原子尺度的缺陷极端敏感。实验证明，正电子湮没谱学是研究金属、半导体、高温超导体、高聚物等材料中的微观结构、电荷密度分布、电子动量密度分布极为灵敏的工具，它在材料科学，特别是缺陷研究和相变研究中发挥了重大的作用。

常规正电子实验方法利用放射源发射正电子，其能量一般较高，且分布很宽，因此只能研究块状材料体内的平均信息。随着半导体技术不断发展，材料的尺寸已越来越小，由三维发展到两维、一微甚至零维。如何研究材料微区的结构信息已变得极为重要。

近年来发展起来的慢正电子束技术可以用于研究材料的表面和界面结构。高能正电子通过慢化体慢化后，再将其加速至所需要的能量，并利用电磁聚焦，这样就可以得到单能慢正电子束，其能量在0～几十keV的范围内连续可调。如果对慢正电子进行二次慢化和再聚焦，即可得到正电子微束，进行扫描后可得到材料的三维结构信息。利用这一方法研究的材料研究领域已由金属、半导体扩展到聚合物。

慢正电子束流装置按正电子源的产生机制不同主要分为两种，一种是利用放射性同位素衰变产生正电子，优点是投资相对少，缺点是受放射源强度限制束流强度偏弱。左图为高能所建立的²²Na慢正电子束流装置，现已全面对外开放，它是我国目前唯一正常运行并向用户开放的慢正电子束流装置（右图为它的数据获取系统）。

另一种是利用电子直线加速器打靶（钽或钨）产生正电子，经慢化过程使之成为单色、能量可调的慢正电子束，优点是正电子源强度大，对发展新的实验方法提供有力支持，但条件是必须挂靠加速器。

二十世纪80年代以来，国外许多有条件的实验室纷纷建设基于电子直线加速器的慢正电子束流装置，在美国、日本等发达国家，已经建成和即将建成的基于加速器的强正电子束流装置就有将近10台之多。

1998年，我国科学家提出建立一台基于加速器的高强度的慢正电子束流装置，使我国可于21世纪初在慢正电子技术方面进入世界先进水平之列，缩小与发达国家的差距。在国家自然科学基金委、科学院和高能所的共同支持下，一个高强度的慢正电子束装置于2003年10月研制成功，它依托于北京正负电子对撞机的直线加速器（左图），利用其完成注入后的剩余时间，产生高强度、高亮度、低能单色正电子束流，应用于材料科学尤其是材料表面特性的研究（右图为基于北京正负电子对撞机的强流慢正电子束流装置）。

该装置的慢正电子强束流系统总长15.6米，加速器高能电子打靶产生的脉冲正电子经慢化体慢化之后，在超高真空中通过100高斯均匀轴向磁场的约束引入慢正电子实验厅（右图）。脉冲慢正电子束流强度达到6x10⁵个/秒；预计在北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)后，束流强度可达10⁸个/秒；正电子能量0～30kV范围内连续可调，脉冲慢正电子束斑的直径小于15毫米。

该装置的建成弥补了我国现有的基于放射性同位素的慢正电子束流装置正电子强度较弱的不足，拓展了慢正电子束设备在材料科学和微观核探针方法学中的应用领域，填补了我国在这一研究领域内的空白，并为进一步建立慢正电子湮没的寿命测量、正电子诱导俄歇电子能谱测量以及低能正电子衍射和正电子显微镜等方法奠定了基础（左图为该装置的控制台）。

（高能所科研处制作 内容摘自核分析室提供的材料）