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 -
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 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
正电子谱学原理
相关主题
文本预览