正电子湮没寿命测量
刘家威黄永明唐奥
（四川大学物理科学与技术学院核物理专业四川成都610065）
摘要：本实验利用22Na衰变放出的1.28MeV的γ射线及其放出的正电子在样品中湮灭放出的0.511MeV的γ射线测量正电子在样品中的寿命。实验中使用快符合电路及恒比微分甄别器电路对两种γ射线的时间和能量信息进行甄别符合，采用时幅转换电路(TAC)将获得的时间信息转换为幅度信息，并输入到多道分析器中。最后，利用POSFIT软件对获得的谱线进行解谱得到正电子在样品中的湮灭寿命。
关键词：正电子湮没寿命谱符合法恒比微分甄别器能窗调节
Positron annihilation lifetime measurement
Liu JiaWei Huang YongMing Tang Ao
(Sichuan University,college of physical science and technology,in Chengdu,Sichuan610065) Abstract:Through utilizing theγradiation of22Na and theγradiation generated by the annihilation of positrons which is radiated by22Na,this experiment measures the annihilation lifetime of positrons in the sample material.In this experiment,the instruments of Fast Coincidence and CFD are used to analyze the timing and energy information of the two types ofγradiations.And the time information is finally changed to amplitude information by TAC and input into the Multi-channel Analyzer.The annihilation lifetime positrons can be gained through spectrum unfolding in POSFIT.
Keywords:Positron annihilation Fast coincidence method Lifetime spectrum Constant ratio differential discriminator Energy window regulator
引言：
1928年，狄拉克发表论文称，电子能够具有正电荷与负电荷。1932年安德森利用威尔逊云室发现正电子。之后，随着实验技术的不断发展以及人们对正电子与物质相互作用认识的不断加深，正电子的应用得到了很大扩展。正电子湮灭技术就是其中一种。
正电子湮灭技术已经有较长时间的历史，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段。在原子物理、分子物理、固态物理、表面物理、化学及生物学、医学等领域正电子湮灭技术都得到广泛应用，并取得了独特的研究成果。此外，在材料科学的研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。
本实验就是通过测量正电子在样品中的湮灭寿命，获得与样品结构相关的一些信息。
1.实验目的
1)了解正电子寿命测量的的基本原理以及正电子在物质中湮灭的物理过程
2)掌握利用符合法测量正电子寿命方法
3)了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法
4)初步掌握使用计算机解谱的数学方法
5)对比不同样品中的正电子寿命谱
2.
实验仪器
2.1所用仪器列表
1)Na-22，Co-60放射源各一个
2)铝和10%的EHPPO样品各两片
3)BaF2闪烁体光电倍增管探测器两个
4)高压电源
5)恒比微分甄别器CFD两个
6)时幅转换器TAC
7)快符合电路（fast coincidence)
8)门及延迟发生器（gate&delay generator）
9)延迟器（delay box）
10)多道分析器和PC
2.2仪器说明
1)BaF2闪烁体光电倍增管探测器：
当γ光子射入闪烁体内时可发生康普顿效应，所产生的反冲电子的能量被闪烁体吸收而发生闪烁光。利用光电倍增管把微光放大并转换成电脉冲输入到相应的电子学线路中进行测量。光电倍增管由一个光阴极和多个倍增电极，通常又称为打拿极，以及阳极构成。阳极端接地，阴极端加负高压。在各打拿极上由分压电阻给出一级比一级高的电位。
在本实验中选用BaF2闪烁体光电倍增管探测器是因为其发光衰减时间仅为0.6ns 是目前最快的一种无机闪烁体。
2)恒比微分甄别器CFD：
是时间谱仪中决定时间分辨率的关键部件之一。光电倍增管输出脉冲的幅度和上升时间是随脉冲而有变化的。直接用它来触发一电子学线路时，触发时刻会因此而出现抖动。为了解决这一问题，采用CFD对光电倍增管的脉冲输出进行整理。它的作用是在每一阳极脉冲上升时间的一恒定点上产生一信号，使输入到时间幅度转换器的脉冲起始或终止，时间与光电倍增管脉冲输出的起始时间之间有一恒定的时间差，不受光电倍增管输出脉冲幅度等变化的影响，而只决定于光子γ发射的时刻。这就显著地提高了测量的准确度。恒比甄别器同时兼有对输入脉冲进行能量选择的功能。在其前面板上有两个十圈电位器，分别用来调节它的下域值（lowerlevel）EL和上域值（upper level）EU。只有当输入脉冲峰值大于下域值而小于上域值时，其单道输出（SCA OUTPUT）才能产生一输出信号。下域值和上域值可以按照需要进行调节以达到选择被探测射线的能量范围。本实验中起始道只接收由1.27MeV 光子产生的全能峰以及部分康普顿坪，而终止道接收的主要是由0.511MeV光子光子的光电峰。通过这样的能量窗口可以选择需要的相关事件。两个恒比甄别器输出的单道输出信号确定一次正电子湮没事件。然后将两个信号输入快符合电路（fast coincidence，ORTEC414A）产生一符合输出．符合分析器有一定的分辨时间范围，根据实际情况选定。分辨时间过长，偶然符合计数增大；分辨时间过短，计数率的损失增大。
3)时幅转换器TAC：
图1时幅转换器的原理图
电路静态时开关S1和S2均闭合。起始信号经T1成形后成为VS1，在VS1低电
平期间使开关S1断开，电容器C由电流I恒流充电。停止信号经T2成形后成为VS2，在VS2低电平期间使S2断开，电容器C充电结束。在起—停时间间隔tx内恒流源I对电容器C进行充电，充电的电荷
为
电容器C
上的电压：
因为是由电路参数决定，为一常数，
所以。
在Vs1低电平期间，电容器上充得的电压将保持，Vs1变高使开关S1闭合，C上的电压迅速发电，Vs2高电平时又使开关S2闭合。下一对起—停信号又重复上面的过程即电路循环工作。
4)延迟器：
由于时幅转换器本身有一定的死时间，当小于此时间时，不能得到线性转换。因此，为了保证时间差信号都能得到线性转换，终止信号在输入到时间幅度转换器前先通过一延时器，其延迟时间可以按需要进行调节。
5)多道分析器：
多道分析器将输入脉冲按不同幅度分类计数即不同幅度的脉冲计入不同的道中。在多道分析器中道址对应着时间或能量，在本实验中，横坐标道址对应时间，而每道中的计数，即记录到的一定寿命的湮没事件的发生次数，作为纵坐标。这样就可以得到一个正电子湮没寿命谱。
3实验原理
正电子寿命是指从正电子射入样品物质到发生湮没所经历的时间，由于湮没具有一定的随机性，所以正电子湮没寿命只能从大量湮没事件得出的统计结果。实验用Na22作为正电子源，以发射1.28MeV 的γ光子作为时间的起始信号，把发射0.511MeV 的γ光子作为终止信号，经过足够多的湮没事件（不少于106计数），就能得到正电子在样品中的寿命谱。
3.1正电子湮灭相关理论
正电子又称阳电子是电子的反粒子，正电子与电子质量相等，带单位正电荷，自旋为1/2h，磁矩与电子磁矩大小相等，但方向相反。最早在1930年由狄拉克根据量子力学相关理论预言存在，随后在1932年由加州理工学院的安德森等人发现证实，安德森本人也因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
3.1.1湮灭过程
正电子湮灭过程主要分为两个阶段：热化阶段和扩散湮灭阶段。
热化阶段：高能正电子进入样品物质后，通过与电子、原子或离子的非弹性散射损失能量，其动能迅速损失降到热能区，这一过程称为热化，热化过程所需的时间很短（时间尺度在Ps量级）。
扩散湮灭阶段：热化后的正电子在物质中扩散，扩散过程中遇到电子发生湮灭，产生γ光子。
后一过程的时间即是正电子的寿命，由于热化过程是Ps 量级，而一般正电子在物质中的寿命都在几百Ps 左右，所以可以忽略不计，近似的把正电子的产生到发生湮灭的时间作为正电子的湮灭寿命。
3.1.2湮灭方式
正电子在扩散过程中遇到电子，可能发生三种湮灭：单光子湮灭，双光子湮灭，三光子湮灭。
单光子湮灭只有在存在吸收反冲动量的其他粒子存在时才可能发生，几率很小。
由量子力学相关理论可以算出，三γ射线湮灭按自旋平均的截面只是双γ射线湮灭截面的0.27%，即比例约为1：370。因此主要考虑双光子湮灭的情况。
其中，由于晶格结构、物质形态等的不同，正电子又可能发生自由态湮灭，俘获态湮灭和正电子素湮灭。
正电子在完整晶格中往往是自由湮没，量级约在100-200Ps。
如果介质中存在缺陷(如空位、位错、空洞等)，正电子就容易被缺陷所捕获，形成捕获态。因为在完整晶格的介质中，正电子总是受到带正电荷的离子的库仑排斥力，而在空位或缺陷中，没有离子存在，呈负电
性，因此空位、位错、空洞这类缺陷就成了正电子的吸引中心。由于在缺陷处电子密度比较低，正电子在缺陷处的湮没寿命将大于体寿命，量级约在200-400Ps。
分子固体以及高分子材料中，正电子除了与电子直接发生湮没外，还容易局域在这些孔洞及自由体积内，与电子形成性质类似于氢原子的束缚态-正电子素(Positronium，即Ps)。根据其总自旋，Ps 可分为：仲-正电子素(Para-Ponitronium，即p-Ps)，其电子与正电子自旋方向相反；正—正电子素(ortho-Positronium，即o-Ps)，其电子与正电子自旋方向相同，量级约在100Ps-100ns。
3.1.3正电子寿命
正电子湮灭率（λ）：高能正电子与介质原子周围电子单位时间内产生湮灭的几率。λ的倒数即是正电子湮灭的平均寿命τ。
根据Dirac理论，当正电子速度远低于
光速时，发生双光子湮灭的几率
:
R O示电子经典半径,C为光速
Ne为正电子所在处介质电子的密度。
由表达式可以看出，湮灭几率只与电子密度有关而与正电子的速度无关，通过λ的测量就可以直接求出正电子湮灭时所在处样品的电子密度Ne，这就是为什么可以使用正电子寿命谱进行缺陷分析的理论依据。
3.2正电子寿命谱测量原理
本实验采用Na22放射源它放出的正电子最大动能为0.545MeV，半衰期2.6年。
衰变纲图如下:
图2Na—22放射源衰变纲图
实验所需要的衰变路径是Na-22经过β+衰变到Ne-22的激发态，再经过退激到Ne-22基态，所占份额约为90%。β+衰变放出0.545MeV的正电子，退激放出1.274MeV 的光子，由于Ne-22的激发态的寿命很短，只有3ps左右，所以可将两个过程看作同时发生，将1.274MeV光子产生时刻作为正电子产生的起始时刻，将湮灭时产生0.511MeV 光子的时刻作为终止时刻。测量正电子产生和湮灭的时标信号之间的时差，即可近似的看作正电子的寿命。经过足够多的湮灭事件的测量（至少106次），就得到了正电子湮没寿命谱。
实验框图如下：
图3正电子湮灭寿命实验框图实验时将放射源用铝片样品覆盖起来，固定在纸板上方便取用，再将纸板放在两个探头的正中间，
。探测器接高压，通过恒比
甄别器筛选出起始终止信号，在快符合电路有输出信号时，将起始信号和经过延时的终止信号送入时幅转换器，得到寿命谱图。
4实验内容及数据处理：
4．1恒比甄别器的能窗调节
将Na22放射源放置在铝片夹层中，放在两个探测器中间。开始时，仅用一只探测器探测。将探测器的阳极接到恒比甄别器，并将其能窗旋钮的上阈调到最大，下阈调至最小，然后接入到多道。另一方面，将探测器打拿级信号引入多道。实验开始运作时，多道输出为完整的能谱。由能谱可以看出0.511Mev 和1.28Mev 的全能峰和康普顿坪。接着通过调节能窗上下阈，调节恒比甄别器输出脉冲与慢道输入的信号进行符合，选取时间谱上特定的区域，即表示0.511Mev 全能峰的区域，将此部分外的计数屏蔽，即可得到对应0.511Mev 能窗。同理对另一只恒比甄别器测试得到表示1.28Mev的能窗上下阈。
原理图如下：
图4能窗调节装置连接图表1
能窗调节的上下阈数据：
4．2谱仪时间刻度及时间分辨率
本实验用测量寿命谱，故需在多道道址上标定时间刻度。为了解时间标定的误差，还需了解时间分辨率。在用Na22调节完能窗后,换上Co-60在该能窗条件下测量时间谱。Co-60衰变时放出两个光子，由于这两个光子的发射间隔为Ps 量级，故可将其视为同时发出。这样延时器上的时间就是这两个光子进入时间幅度转换器的时间间隔，由原理可知，即对应于多道道址。由于仪器本身的固有分辨率，多道上得到一高斯谱。该高斯谱对应的半高宽定义为时间谱仪的分辨率。设定多个延迟时间参数，测得对应的高斯谱的峰值道址，将时间参数与其对应的峰值道址记录，并将其线性拟合，得到时间与道址函数关系，完成时间刻度并计算出时间分辨率。
图5
时间刻度线性拟合图表2时间刻度数据表
延迟时间（ns）
6121824303642
中心峰
道址367.01844.281319.431795.852272.042751.033227.54
FWHM （半高宽）
14.4819.6918.5918.4723.7622.9925.02
光子能
量（Mev）能窗上阈值能窗下阈值起始端
1.28
3.8
1.86终止端
0.5110.245
0.24
拟合所得直线：
y=0.01259x+1.384
y表示中心峰道址
x表示延迟时间
选择延迟时间为24ns,这样谱线峰位将出现在屏幕中间位置，便于观察以及解谱。此时，可得时间分辨率为：
P=18.47*0.01259ns≈233ps.
4.3解谱
正电子湮灭寿命谱的测量
在能窗调节和能量刻度都设定好的基础上，分别测量正电子在样品铝和10% EHPPO中的湮灭寿命谱。
1）标定好谱仪的时间刻度后，取下60Co 放射源，然后将固定好的22Na放射源放在两个探测器的中间位置，利用在标定谱仪时间刻度时连接好的实验电路开始正电子湮灭寿命的测量。
2）当MCA测量计数达到106后，停止测量，并将测量结果保存为Chn文件，以进行下面解谱。正电子湮灭寿命测量结果如
下所示：
图6正电子湮灭寿命谱
利用POSFIT程序进行正电子寿命解谱，解谱结果如下：
自由态湮灭(L1)俘获态湮灭(L2)
寿命(ns)0.1976 1.0780
百分比(%)90.13459.8655
根据测量结果可得到铝样品正电子湮灭寿命为：T1=0.901345L1+0.098655L2
=0.901345*0.1976+0.098655*1.0780 (ns)
≈0.2845ns
可见，根据上面两个样本的测量结果，本实验验证了正电子俘获态湮灭寿命要远远长于正电子自由态湮灭寿命。
6问题与思考
1．正电子湮灭寿命谱的应用
a．材料结构缺陷分析，无损探测：缺陷处电子密度低，负电性，捕获正电子然后再湮灭，其寿命会比自由湮灭寿命长
b．固体表面的研究：慢正电子束技术：高能正电子先慢化，再加速到需要的能量，利用电磁聚焦，因为具有能量可调性，可以获得缺陷或结构不均匀性沿样品深度的分布
c．合金相变：许多合金相变过程都能对正电子湮没参数产生明显的影响。因此，可以用PAT来确定合金相变的温度。
其他还有医学上的诊断应用，物质相变过程的研究
2.Na-22放射源强度太弱或太强有什么不良影响？
a.如果放射源太弱，会直接导致测量效率低，导致测量结果统计涨落较大,因此对实验谱仪的要求比较高。优点是对样品的辐射损失小，符合测量的偶然符合会比较少。
b.如果放射源太强，会对样品造成较大的辐射损失，同时会增多符合测量的偶然符合，优点是探测效率高，测量结果的统计涨落较小。
3.测量正电子寿命的实验原理，以及你在实验中的体会，试述Na-22源用于测量正电子寿命有哪些优点。a.首先Na-22相对其他放射源而言，较为便宜。
b.Na-22的半衰期较为合适，即可以较长时间的使用，且在短时间内放射性相对比较稳定。
c.用Na-22作为放射源时，测量的两种.光子能量分别为1.27MeV和0.51MeV，间隔比较大，便于测量。
目录 正电子湮没谱学简介.................................................................................- 2 - 正电子湮没寿命谱......................................................................................- 6 - 正电子湮没多普勒展宽能谱.......................................................................- 8 - 正电子湮没角关联谱................................................................................ - 10 - 慢正电子束流技术.................................................................................... - 11 - 脉冲慢正电子束 ....................................................................................... - 13 - 装置配件 .................................................................................................. - 14 - 文献分析 .................................................................................................. - 18 -
用多道时间谱仪测量正电子在物质中的湮灭寿命 一、实验目的： （1）了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法； （2）了解正电子在物质中湮灭的物理过程； （3）掌握正电子寿命测量的基本方法； 二、实验仪器： 22 Na 放射源1个、60Co 放射源1个 塑料闪烁体(ST401) 2块、光电倍增管(GDB50) 2根、恒比定时甄别器(FH1053A) 2个、线性放大器(FH1002A) 2个、定时单道(FH1007A) 2个、 慢符合单元(FH1014A) 1个、延迟线单元1个、时幅变换器(FH1052B) 1个、定标器(FH1011A)1个、多道分析器(FH451) 1个、高压电源(FH1073A) 2个、UMS 微机多道系统1个、打印机1台 三、实验原理： （1） 正电子在物质中的湮灭寿命 正电子是电子的反粒子，当正电子与电子相遇时发生“湮灭”，总能量以电磁辐射能的形式发射。湮灭过程的绝大多数是发射两个能量相等（511keV ）、方向相反的γ光子，发射单个光子或三个光子的湮灭过程，但几率极小。 β+源发射的e +通常为几百keV ，由于角动量守恒的限制，动能较大的e +不会与e -发生湮灭，而是发生散射或形成电子偶素。当e +与物质的分子原子相碰撞，将很快损失它的动能，在极短时间内与物质达到热平衡，最终e +与e -形成L=0的S 波体系时，发生湮灭，放出两个0.511MeV 的γ光子，即湮灭辐射。 正电子从产生到湮灭的时间，称为正电子在物质中的湮灭寿命，由物质到物理、化学性质决定。在金属物质中，正电子寿命约为100ps 到500ps 。根据Dirac 理论，发生双光子湮灭的几率为20e R πr cn ∝，其中c 是光速，r 0为电子经典半径，n e 为物质的局域电子密度。所以正电子的湮灭寿命1 e n τ∝ ，当物质结构的发生变化（例如产生空位缺陷，辐射损伤，形变等）将导致物质局域电子密度n e 变化，正电子湮灭寿命也随之发生改变。 （2） 测量正电子寿命的实验原理 常用的β+源是22Na 源，它的衰变纲图如图1所示。22Na 首先发射e +，衰变到22Ne 的激发态，此激发态的激发能为1280keV ，寿命约为3×10-12s 。22Ne 发射1275keV 的γ射线退激到22Ne 的基态。在时间谱仪的分辨时间为10-10s 时，可以认为衰变过程的e +和γ射线是同时发射的。因此，测量正电子寿命时，1275keV 的γ射线可作为e +诞生的时标信号，而e +湮灭时放出的两个511keV 的γ光子，可作为e +湮灭的时标信号。测量正电子产生和湮灭的时标信号之间的时差，即得正电子寿命。
正电子湮没寿命测量 刘家威黄永明唐奥 （四川大学物理科学与技术学院核物理专业四川成都610065） 摘要：本实验利用22Na衰变放出的1.28MeV的γ射线及其放出的正电子在样品中湮灭放出的0.511MeV的γ射线测量正电子在样品中的寿命。实验中使用快符合电路及恒比微分甄别器电路对两种γ射线的时间和能量信息进行甄别符合，采用时幅转换电路(TAC)将获得的时间信息转换为幅度信息，并输入到多道分析器中。最后，利用POSFIT软件对获得的谱线进行解谱得到正电子在样品中的湮灭寿命。 关键词：正电子湮没寿命谱符合法恒比微分甄别器能窗调节 Positron annihilation lifetime measurement Liu JiaWei Huang YongMing Tang Ao (Sichuan University,college of physical science and technology,in Chengdu,Sichuan610065) Abstract:Through utilizing theγradiation of22Na and theγradiation generated by the annihilation of positrons which is radiated by22Na,this experiment measures the annihilation lifetime of positrons in the sample material.In this experiment,the instruments of Fast Coincidence and CFD are used to analyze the timing and energy information of the two types ofγradiations.And the time information is finally changed to amplitude information by TAC and input into the Multi-channel Analyzer.The annihilation lifetime positrons can be gained through spectrum unfolding in POSFIT. Keywords:Positron annihilation Fast coincidence method Lifetime spectrum Constant ratio differential discriminator Energy window regulator 引言： 1928年，狄拉克发表论文称，电子能够具有正电荷与负电荷。1932年安德森利用威尔逊云室发现正电子。之后，随着实验技术的不断发展以及人们对正电子与物质相互作用认识的不断加深，正电子的应用得到了很大扩展。正电子湮灭技术就是其中一种。 正电子湮灭技术已经有较长时间的历史，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段。在原子物理、分子物理、固态物理、表面物理、化学及生物学、医学等领域正电子湮灭技术都得到广泛应用，并取得了独特的研究成果。此外，在材料科学的研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。 本实验就是通过测量正电子在样品中的湮灭寿命，获得与样品结构相关的一些信息。 1.实验目的 1)了解正电子寿命测量的的基本原理以及正电子在物质中湮灭的物理过程 2)掌握利用符合法测量正电子寿命方法 3)了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法 4)初步掌握使用计算机解谱的数学方法 5)对比不同样品中的正电子寿命谱 2. 实验仪器
正电子湮灭技术 正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique-PAT)是一门把核物理和核技术应用于固体物理与材料科学研究的新技术，近20多年来该技术得到了迅速发展。正电子湮没技术包括多种实验方法，其中最常用的主要有3种，即正电子湮没寿命谱测量、2γ湮没角关联和湮没能量的Doppler展宽。简言之，正电子湮没技术是通过入射正电子与材料中电子结合湮没来反映材料中微结构状态与缺陷信息的。与其他现代研究方法相比，正电子湮没技术具有许多独特的优点。首先，它对样品的种类几乎没有什么限制，可以是金属、半导体，或是绝缘体、化合物、高分子材料；可以是单晶、多晶、纳米晶、非晶态或液晶，只要是与材料的电子密度、电子动量密度有关的问题，原则上都可以用正电子湮没的方法进行研究。第二，它所研究的样品一般不需要特殊制备，其制样方法简便易行。另外，正电子湮没技术对材料中原子尺度的缺陷和各种相变非常灵敏。如今正电子湮没技术作为一种新型的应用核分析技术，已广泛应用于材料科学、物理、化学、生物、医学、天文等领域，本文仅就正电子湮没技术在测试领域研究中的一些基本应用(原理)作一介绍。 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。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，笔者对该技术的原理及其应用进行了介绍。 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。
正电子湮没寿命谱测量 工程物理系工物22 方侨光 2002012041 【实验概述】 1928年，Dirac预言了正电子的存在；1932年，C.D.Anderson证实了正电子的存在。近20年来，正电子湮没技术得到了迅猛的发展，在固体物理、金属物理和材料科学领域得到了广泛的应用。正电子湮没技术可以分为寿命测量、角关联测量和线形测量，本实验进行的是寿命测量。 【实验原理】 1、正电子湮没寿命 从放射源发射出的高能正电子射入物质中后，首先在极短时间内（约10-12s以下）通过一系列非弹性碰撞减速，损失绝大部分能量至热能，这一过程称为注入与热化。热化后的正电子将在样品中进行无规扩散热运动，最后将在物质内部与电子发生湮没。从正电子射入物质到发生湮没所经历的时间一般称为正电子寿命。由于湮没是随机的，正电子湮没寿命只能从大量湮没事件统计得出。 在寿命测量中，最常用的正电子源是22Na放射源。当它发生β+衰变时，主要产生动能为0-540keV 的正电子并几乎同时发射能量为1.28MeV的γ光子。因此，可以将此γ光子的出现作为产生正电子的时间起点，而0.511MeV湮没γ光子的出现即是正电子湮没事件的终点。这段时间间隔便可以近似地看作正电子的寿命。利用时间谱仪对每个湮没事件都可以测得湮没过程所需的时间，对足够多的湮没事件（约需106次）进行记录，就得到了正电子湮没寿命谱。 可见，所谓测量正电子湮没寿命实际上就是测量一次湮没事件中有关联的两个不同能量的γ光子出现的时间差；将发射1.28MeV的γ光子作为时间的起始信号，而把发射0.511MeV 的γ光子作为终止信号。 2、实验仪器 正电子湮没寿命谱测量快一快符合系统
正电子湮没技术基本原理 2.1前言 在20世纪30年代发现了正电子，40年代起人们把它应用于固体物理研究，60年代末又将它广泛应用于材料科学，80年代又把它应用于表层和表面研究。 正电子湮没谱学实验技术主要有三种：多普勒能谱、寿命谱和角关联（其装置分别简称为多普勒仪、寿命谱仪和角关联装置）。PAT之所以能得到迅速的发展是由于它具有许多独特的优点： （1）PAT研究是样品中原子尺度缺陷，这些缺少原子的缺陷在X衍射、电镜中研究颇为困难。 （2）PAT对样品的温度几乎是没有限制，如可以跨越材料的熔点或凝固点，而信息又是通过贯穿能力很强的γ射线携带出来的，因此易于对样品作高低温的动态原位测量，即一面升降温一面测量，或在测量时施加电场、真空、磁场、高气压等特殊环境。 （3）它对样品材料种类没有什么限制，可以是固、液或气，可以是金属、半导体、高分子或绝缘体，可以是多、单晶、液晶或非晶等，总而言之，凡是与材料电子密度及电子的动量有关的问题，理论上都可用PAT来研究。 （4)室温测量下的PAT的制样方法简便易行，仪器也不太复杂，使它容易得到推广。 2.2正电子和正电子湮没 2.2.1物理量 上表列出了正电子与电子的一些物理属性。 2.2.2正电子湮没 正电子遇到物质中的电子时会发生湮没，这时正电子、电子的质量全都转变为γ光子的能量，湮没时主要发射2个γ光子，称为2γ湮没或双光子湮没。
对于实验室，用的最多是放射性同位素源，而其中最广泛使用的是Na 22，Na 22相对于其他正电子源有几个优点：①其半衰期长达2.6a ；②正电子产率高达90%；③在发射正电子的同时，还会伴随发射一个能量约为1.28MeV 的γ光子。它的衰变方程为： ν++→+*+e Ne Na 2222 （1） )28.1(2222 MeV Ne Ne γ+→* （2） 第（1）个方程衰变后的几个皮秒内，第（2）方程便衰变了。 一般从放射源发射出的正电子能量大约在几百千电子伏特到几兆电子伏特之间，正电子进入物质后，大约在s 1210-量级内动量降至kT 量级（室温下约为0.025eV ）。这一过程称为正电子的热化。能量为MeV 量级的正电子在固体中入射深度大致为几十至几百微米，主要研究样品内部性质（称为体性质）。我们也可以通过慢化技术把正电子能量降低至keV 量级，入射深度大致为微米量级，可以研究样品的表面及表层性质随深度的变化。 热化的正电子在晶格中自由扩散，直至与电子发生湮没。晶格中的位错、空位等缺陷往往带有等效负电荷，由于库伦引力正电子容易被这些缺陷捕获而停止扩散。正电子会在缺陷中停留一些时间然后湮没，由于缺陷处电子密度较低，所以和无缺陷处正电子寿命相比，缺陷正电子寿命长一些。 正电子与电子的湮没服从量子电动力学，其动量和能量守恒。当正电子速度v< 正电子在物质中的湮灭寿命 姓名：xxx 学号：xxxxxxxxxxxxx 实验目的： 1. 了解正电子寿命测量的的基本原理； 2. 初步掌握正电子寿命测量方法； 3. 了解正电子在物质中湮灭的物理过程 4. 了解多道时间谱仪的工作原理，初步掌握多道时间谱仪的使用方法； 5. 初步掌握使用计算机解谱的数学方法。 实验内容： 1. 对谱仪进行时间刻度； 2. 测定谱仪的分辨时间； 3. 测量正电子在给定样品中的平均湮灭寿命。 实验原理： 1. 正电子在物质中的湮灭寿命 正电子是电子的反粒子，许多属性和电子对称。正电子与电子质量相等，带单位正电荷，自旋为1/2h ，磁矩与电子磁矩大小相等，但方向相反。正电子与电子相遇就会发生湮灭反应，湮灭的主要方式有三种：单光子湮灭，双光子湮灭以及三光子湮灭。但发射单个光子或三个光子的湮灭过程，但几率极小，湮没过程中发射的γ光子，通常称为湮没辐射。 从正电子的湮没特性可知有自由态湮没和捕获态湮没两种：正电子在完整晶格中的湮没往往是自由湮没，一旦介质中出现缺陷，那么就会出现捕获湮没过程。一般常见金属及合金中，以自由态湮没方式湮没的正电子寿命，简称自由态正电子寿命f τ,在100--250ps ，少数几咱碱金属的f τ值超过300ps ；捕获态正电子寿命d τ比相同介质的自由态正电子寿命f τ长，且随缺陷的线度增长而增长；不同 种类的缺陷有不同的d τ值。 根据Dirac 理论，发生双光子湮灭的几率为20e R πr cn ∝，其中c 是光速，r0为电子经典半径，e n 为物质的局域电子密度。所以正电子的湮灭寿命 1e n τ∝，当物质结构的发生变化（例如产生空位缺陷，辐射损伤，形变等）将导致物质局 域电子密度e n 变化，正电子湮灭寿命也随之发生改变。因此，人们可以通过正电子寿命变化来探视物质结构变化，这是正电子技术应用的一个重要方面。 2. 测量正电子寿命的实验原理 实验中用的正电子一般来自放射性同位素的β+衰变，能发射正电子的放射 第２３卷第６期２０００年６月 核技术 ＮＵＣＬＥＡＲＴＥＣＨＮＩＱｕＥＳ Ｖｏｌ２３．Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ．２０００用ＣＯＮⅡＮ（ＰＡＬＳ２）程序计算 正电子湮没寿命谱士 郁伟中孙翼展 （清华大学北京１０００８４） 摘要对基于Ｌａｐｌａｃｅ变换的大型正电子寿命解谱程序ＣＯＮⅡＮ（ＰＡＬＳ２）的原理和使用作了简 要说明，在实验基础上，对用ｃ０ＮⅡＮ（ＰＡＬｓ２）程序计算的结果进行了分析，并与用 ＰＯＳⅡＲＯＮｍ程序的结果进行了比较。 关键词正电子寿命谱程序，ＣＯＮＴＩＮ（ＰＡＬｓ２） 中图分类号０５７２．３２＋２ １新旧程序的优缺点 ＰＯＳＩ７ⅡｔＯＮＦＩＴ程序及其改进程序ＰＡＴＦ工Ｔ一８８“４１有很好的性能．在金属等材料的正电子湮没研究中发挥了极大的作用。然而，ＰＯＳ皿ＲＯＮＦｒ工ｌ程序有两个主要的缺点：（１）它需要预先指定寿命成分的个数（如假定单寿命成分、二成分或三成分，最多不超过四个成分）。在复杂体系中，当寿命成分数较多时，方程的数值解往往不容易收敛。在聚合物、复合材料，蛋白质和多孔介质中．由于材料内部缺陷尺寸（空位、空位团、自由体积等）并不是单一值，而是呈连续分布，用几个分立的成分来代表系统就会很不恰当，，得到的结果并不能完全反映客观实际。在实际操作时，由于不知道具体的成分数，往往要从二寿命拟合开始逐一试验，最后决定的成分个数中含有人为因素。（２）程序中需要准确地知道仪器的分辨函数，通常用”Ｃｏ瞬发符合谱测分辨函数，但常用的多高斯曲线不能准确地模拟”Ｃｏ瞬发符合谱，而更困难的是…Ｃｏ双丫瞬发符合谱本身也并不能真实地表征仪器的分辨率函数，因为具有１．３３ＭｅＶ和Ｌ１７ＭｅＶ的”Ｃｏ双Ｙ瞬发符合谱所代表的仪器分辨率函数并不能等同于具有１．２８Ｍｅｖ和Ｏ．５１ｌＭｅＶ的“Ｎａ谱所对应的仪器分辨率函数。 ＣＯＮＴＩＮ（ＰＡＬＳ２）程序成功地解决了ＰＯＳＩＴＲＯＮＦＩＴ程序的不足。ＣＯＮＴＩＮ程序具有“下优点：（１）无需预先指定寿命成分的个数和强度的初值，而解出的结果是连续寿命成分的分布；（２）通过参考一个寿命已知的具有单寿命成分的材料的衰变曲线来确定仪器的分辨函数．从而避免了对分辨函数的直接猜测；（３）对参考谱和样品谱可进行源修正以及两者之间的零点漂移修正。 ２寿命谱计算程序的发展过程 ＣＯＮＴＩＮ程序的基础是由Ｐｒｏｖｅｎｃｈｅ一－４１在１９８２年编制的，用于解决带有卷积核的＋国家自然科学基金资助（１９７７５０２７） 收稿日期：如００—０１０７ 万方数据 正电子谱学原理 ? 正电子 ? 正电子湮没 ...)3,2(=>-+-+n n e e γ ? 双光子湮没 n = 2 ? 正电子寿命 ? 湮没光子的能量和Doppler 展宽 ? 湮没光子的角关联 2γ湮灭过程中动量守恒的矢量图 C M P T 0/≈θ 2/L cP E =? Doppler 展宽的线性参数 ? 正电子源 放射性同位素 )28.1(221122 11MeV e Ne Na γ++->+ 单能慢正电子束 正电子实验 ? 正电子湮没技术（70年代） ? 正电子湮没谱学（80年代） ? 正电子谱学（90年代后期） ? 正电子谱学的主要特点： 对固体中原子尺度的缺陷研究和微结构变化十分敏感，是其他手段无法比拟的。 对研究材料完全无损伤，可进行生产过程中的实时测量，能够满足某些特点的测量要求。 理论比较完善，可以精确计算很多观测量同实验进行比较。 固体内部的信息由光子毫无失真的带出，对样品要求低，不需特别制备或处理，不受半导体导电类型和载流子浓度等因素影响。 作为电子的反粒子，正电子容易鉴别，又能形成电子偶素，可以替代电子探针来获得材料中更多的信息，在许多实验中能够大大降低电子本底。 正电子谱学基本实验技术 ?正电子寿命谱 ?湮灭能谱的Doppler展宽及其S参数 ?湮没辐射的角关联 ?慢正电子束 慢正电子束装置 单能正电子的注入深度 正电子扩散 慢正电子束流的慢化体结构 其中，S: 22Na源P: 铅屏蔽M: 钨慢化体T: 靶材料 C: 有补偿线圈 D: 高纯锗探测器 E: 液氮冷却装置 Slowpos-USTC ：慢电子束流装置示意图 Slowpos-USTC ：慢电子束的数据测量和控制系统 慢正电子束特点： ◆ 可探测真实表面（几个原子层）的物理化学信息 ◆ 探测物体内部局域电子密度及动量分布 ◆ 可获得缺陷沿样品深度的分布 ? 单能正电子平均注入深度的经验公式： 62.1) ()/()/(/4003===&&ο n keV E cm g keV A A AE Z n n 为正电子注入能量为靶密度，其中ρρ正电子湮灭 实验报告 xxx
用CONTIN(PALS2)程序计算正电子湮没寿命谱
正电子谱学原理
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