Позитроника: наука о позитронах¶

Позитроника — это междисциплинарное научное направление, изучающее поведение позитронов (античастиц электрона) в веществе, а также разрабатывающее методы их практического применения для диагностики материалов, медицинской визуализации и создания перспективных электронных устройств. Позитроника объединяет в себе физику элементарных частиц, физику твёрдого тела, материаловедение и инженерные дисциплины.

¶История развития

¶Открытие позитрона

Позитрон был предсказан теоретически Полем Дираком в 1928 году как решение релятивистского уравнения для электрона с отрицательной энергией. Экспериментально частицу обнаружил Карл Андерсон в 1932 году при изучении космических лучей в камере Вильсона. За это открытие Андерсон получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году.

¶Ранние исследования аннигиляции

В 1930-х годах было установлено, что при столкновении позитрона с электроном происходит их аннигиляция с выделением двух или трёх гамма-квантов. В 1949 году советские физики А. А. Абрамов и В. Л. Гинзбург впервые предложили использовать позитроны для изучения дефектов кристаллической решётки. Однако экспериментальные работы начались только в 1950-х годах после создания первых позитронных источников.

¶Формирование позитроники как науки

Термин «позитроника» вошёл в научный обиход в 1970-х годах. В СССР активные исследования в этой области велись в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) и в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе. Ключевой вклад в развитие позитроники внесли работы В. И. Гольданского, В. П. Шантаровича и Ю. А. Новикова. В 1980-х годах были разработаны первые методы позитронной аннигиляционной спектроскопии (PAS).

¶Физические основы

¶Позитрон и его свойства

Позитрон (e⁺) — античастица электрона, имеющая ту же массу (9,109×10⁻³¹ кг) и такой же по модулю, но положительный заряд (+1,602×10⁻¹⁹ Кл). Время жизни свободного позитрона в вакууме не ограничено, однако в веществе он быстро теряет энергию и аннигилирует с электроном. Среднее время жизни позитрона в конденсированных средах составляет от 100 до 500 пикосекунд.

¶Процессы в веществе

При попадании в вещество позитрон испытывает упругие и неупругие столкновения с атомами, теряя кинетическую энергию. После термализации (достижения теплового равновесия с окружающей средой) он может:

• аннигилировать со свободным электроном;
• образовать связанное состояние с электроном — позитроний (Ps);
• захватиться дефектом кристаллической решётки (вакансией, дислокацией, порой).

¶Позитроний

Позитроний — это водородоподобная система, состоящая из позитрона и электрона. Он существует в двух состояниях: парапозитроний (p-Ps, спины антипараллельны, время жизни ~125 пс) и ортопозитроний (o-Ps, спины параллельны, время жизни ~142 нс в вакууме). В веществе время жизни ортопозитрония сокращается из-за аннигиляции с электронами среды (эффект «срыва»).

¶Методы и инструменты

¶Позитронная аннигиляционная спектроскопия (PAS)

Основной метод позитроники — регистрация гамма-квантов, образующихся при аннигиляции. Различают несколько разновидностей:

• Измерение времени жизни позитронов (PALS) — позволяет определить тип и концентрацию дефектов в кристаллах.
• Угловая корреляция аннигиляционного излучения (ACAR) — даёт информацию об импульсном распределении электронов.
• Допплеровское уширение аннигиляционной линии (DBAR) — используется для анализа химического окружения дефектов.

¶Источники позитронов

Для лабораторных исследований применяют:

• радиоактивные изотопы (²²Na, ⁶⁸Ge, ⁵⁸Co);
• ускорители электронов с конверторами (мишени из вольфрама или тантала);
• ядерные реакторы (позитроны образуются при бета-распаде продуктов деления).

¶Медленные позитронные пучки

Для исследования поверхностей и тонких плёнок используют моноэнергетические пучки позитронов с энергией от 0,1 до 100 кэВ. Такие пучки получают с помощью модераторов (кристаллы вольфрама или платины) и электростатических линз.

¶Применение

¶Материаловедение

Позитроника широко применяется для неразрушающего контроля материалов:

• обнаружение вакансий, дислокаций и пор в металлах и сплавах;
• анализ радиационных повреждений в ядерных реакторах;
• исследование нанопористых структур (цеолиты, мембраны, аэрогели);
• изучение процессов старения полимеров и композитов.

¶Медицинская диагностика

Наиболее известное прикладное применение позитроники — позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). В этом методе пациенту вводят радиофармпрепарат, меченный позитрон-излучающим изотопом (например, ¹⁸F, ¹¹C, ¹⁵O). Регистрация совпавших гамма-квантов позволяет построить трёхмерное изображение распределения метаболически активных тканей. ПЭТ используется для диагностики онкологических, неврологических и кардиологических заболеваний.

¶Перспективные технологии

Ведутся исследования по созданию:

• позитронных микроскопов (разрешение до 10 нм);
• позитронных литографических систем для наноэлектроники;
• позитронных лазеров (на основе аннигиляции);
• позитронных аккумуляторов энергии (теоретически плотность энергии в 10⁴ раз выше, чем у химических батарей).

¶Критика и ограничения

¶Технические трудности

Основные проблемы позитроники связаны с получением и удержанием достаточного количества позитронов. Позитроны быстро аннигилируют, что ограничивает время эксперимента. Создание интенсивных пучков требует дорогостоящих ускорителей или реакторов. Кроме того, позитроны высокой энергии вызывают радиационные повреждения в исследуемых образцах.

¶Экономическая эффективность

Методы позитроники остаются дорогостоящими по сравнению с традиционными (рентгеновская дифракция, электронная микроскопия). Это сдерживает их внедрение в промышленность. Наиболее экономически оправдано применение позитроники в медицине (ПЭТ) и в атомной энергетике (контроль радиационных повреждений).

¶Этические аспекты

В медицинской диагностике использование позитрон-излучающих изотопов связано с радиационной нагрузкой на пациента. Хотя дозы обычно невелики (2–10 мЗв), существуют ограничения для беременных и детей. В России применение ПЭТ регламентируется нормами радиационной безопасности (НРБ-99/2009).

¶Интересные факты

• В 1995 году в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) впервые был получен антиводород — атом, состоящий из антипротона и позитрона.
• Позитроны образуются в атмосфере Земли под действием космических лучей и при грозовых разрядах.
• В 2011 году российские учёные из Института физики твёрдого тела РАН разработали метод позитронной томографии для исследования дефектов в кристаллах кремния с разрешением до 1 нанометра.
• Позитроний используется для проверки квантовой электродинамики — точность измерений его спектра достигает 10⁻¹².

¶Источники

• Гольданский В. И. Позитроны в химии и физике. — М.: Наука, 1980.
• Шантарович В. П. Позитронная спектроскопия конденсированных сред. — СПб.: Наука, 1998.
• Krause-Rehberg R., Leipner H. S. Positron Annihilation in Semiconductors: Defect Studies. — Springer, 1999.
• Siegel R. W. Positron Annihilation Spectroscopy // Annual Review of Materials Science. — 1980. — Vol. 10. — P. 393–425.
• Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). — М.: Минздрав России, 2009.