正电子湮没寿命谱测量.docx

正电子湮没寿命谱测量1930年Dirac从理论上预言了正电子的存在和1932年Anderson在观察宇宙线中发现了 正电子之后，揭开了研究物质和反物质相互作用的序幕1951年Deutsch发现了正电子和电 子构成的束缚态—正电子素的存在更加深了对正电子物理的研究工作，同时，也开展了许多 应用研究工作，形成了一门独立的课题正电子湮没谱学随着对正电子和正电子素及其与物质相互作用特性的深入了解，使正电子湮没技术在原 子物理、分子物理、固态物理、表面物理、化学及生物学、医学等领域得到广泛应用，并取 得独特的研究成果它在诸如检验量子电动力学基本理论、研究弱相互作用、基本对称性及 天体物理等基础科学中也发挥了重要作用同时，随着人们对正电子湮没技术方法学上研究 的深入进展，使这一门引人注目的新兴课题得到更快的发展经过本实验的训练，可望初步掌握基本原理、实验测量技术、数据处理和分析，以利今 后应用正电子湮没技术于实践中去一 实验目的1. 了解正电子湮没寿命谱的形成原理，学会测量仪器的使用和获取正电子湮没寿命谱2. 初步掌握使用计算机解谱的数学方法和应用解谱结果来分析样品的微观结构二 实验原理1．正电子与正电子湮没正电子（e + ）是电子的反粒子，它的许多基本属性与电子对称。

它与电子的质量相等，1带单位正电荷，自旋为2 它的磁矩与电子磁矩大小相等，符号相反；正电子遇到物质中 的电子会发生湮没这时，电子与正电子消失，产生若干/射线湮没过程是一个量子电动 力学过程，这里只列出若干要点和主要的结果正电子与电子湮没时，主要有三种方式：单光子湮没、双光子湮没和三光子湮没设上述三种湮没过程的截面分别为b、b 和Q ，它们之间的关系为Y2Y3Ybba；—1 u a 4（1）bb2Y2Ye2 1其中a是精细结构常数a = - = 由此可见，双光子湮没的概率远远大于三光子湮I he 137丿没和单光子湮没的概率正电子湮没技术主要是利用双光子湮没设正负电子湮没时动量近似为零，则湮没后，正负电子的全部静止质量转变为2个Y光 子的能量，总动量仍应保持为零因此两个光子将沿着相反方向射出，且带有相同的511 keV 能量对于非相对论速度运动的非极化正、负电子，Dirac计算了产生双光子湮没的截面b2Y2）其中厂是电子经典半径，c是光速，卩是正电子的速度自由正电子的湮没率依赖刊纠和湮没位置附近的电子密度若介质每立方厘米体积中的电子数为n，则湮没率九由下式给 e出3）正电子寿命定义为14）T =—X因此，测量正电子寿命可以得到有关电子密度的信息。

电子密度愈大湮没率愈大，正电子寿 命愈短，反之亦然2．正电子在介质中的行为实验中用的正电子一般来自放射性同位素的0 +衰变能发射正电子的放射性同位素有22Na、58Co、64Cu、68Ge等在正电子湮没谱研究中最常用的同位素是22Na，它放出的正电 子最大动能为0.545 MeV,半衰期为2.6年正电子射入样品后的行为，可分两个阶段，即热化阶段和扩散湮没阶段 在热化阶段，具有很高动能的正电子射入介质后，与原子分子发生一系列非弹性碰撞， 能量迅速从keV量级减至热运动能量，即小于1 eV这一过程所需时间很短，一般为几个 皮秒（ps）由于正电子动能损失主要发生在热化阶段，所以，正电子在样品中注入的深度，主要由 热化阶段决定正电子在金属中的射程R通常为20〜300卩m在实验中，样品应足够厚， 以保证正电子不会穿透样品，否则正电子与周围介质湮没，将干扰实验结果样品的最小厚 度应为（3〜5） R,它依材料不同而异，当然与放射源的种类也有关热化后的正电子在介质中自由扩散，此乃扩散阶段，最后与电子湮没在固体中，这一 阶段持续时间约为100〜10 000 ps正电子寿命是由这一过程的持续时间决定的因为热化 阶段时间相对扩散湮没阶段时间很短，因此，实验上可把从测得的正电子入射时刻算起，到 正电子湮没为止的时间间隔看作正电子的寿命。

在金属中，正电子自由态湮没的典型寿命值 为 170 ps （铝）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（如空位、位错、微 空洞等），情况就将不同，因为在缺陷处电子密度较低，且呈负电性，由于库仑力作用，正 电子容易被缺陷捕获，以后再湮没，这就是正电子的捕获态湮没过程由于缺陷中总电子密 度较低，于是正电子寿命较长例如束缚于铝空位中的正电子，其寿命值约为240 ps通常 总有T >T，这里脚标d和f分别表示正电子的束缚态和自由态缺陷的线度越大，t越 d f d大理论估计包含五个单空位的铝空位团，其寿命值约为350 ps因此，正电子的寿命反映 了介质中缺陷的大小和种类另一方面，缺陷浓度越高，当然正电子被捕获的机会越大，则 相应的长寿命成分在寿命谱中所占的相对强度也越大因此，长寿命成分的相对强度能反映 缺陷的浓度3．正电子素及其湮没正电子在气体、液体和某些固体中能形成一种亚稳态一一正电子素（记为Ps）它是正 电子在热化过程中，从环境中捕获一个电子而形成相互束缚着的电子—正电子对它类似于 氢原子，构成电中性体系随正电子和电子的自旋取向的反平行或平行，正电子素存在两种 状态，即单态正电子素（自旋反平行），记为 P-Ps 和三重态正电子素（自旋相互平行），记 为O-Ps。

在真空中P-Ps的本征寿命为1.25X10-0S； O-Ps的本征寿命为1.4X10-7S由此可 知，O-Ps的寿命比P-Ps的寿命长三个数量级但是，在几乎所有的介质中，或在强磁场中，都能发现O-Ps的寿命比本征寿命要短许 多在凝聚态中，O-Ps的寿命可缩短到几个纳秒（10-9S）或更小这主要是存在着使O-Ps 寿命缩短的猝灭过程猝灭有四种主要形式：拾取猝灭、转换猝灭、磁猝灭和化学猝灭4．正电子湮没寿命谱测量原理实验用放射源22Na，其衰变纲图如图1所示该源发生0+衰变放出一个正电子后几乎 同时（仅迟3 ps左右）还发射一个能量为1.28 MeV的Y光子因此，测量1.28 MeV的Y光 子与正电子湮没后放出的Y光子（0.511 MeV）之间的时间间隔，就可得到正电子寿命对 每个湮没事件都可测得湮没过程所需时间对足够多的湮没事件（~106个）进行统计，就可图 1 22Na 衰变图5．数据处理方法一般情况下，实际样品中的正电子湮没寿命成分有许多种，但由于仪器时间分辨本领的 限制，能顺利分解出的寿命成分最多只有四个左右时间谱仪的时间分辨曲线，即对一个瞬发事件的响应，可以借助于60CO放射源进行测 量。

因为它的1.17 MeV和1.33 MeV两个光子几乎是“同时”发射的，用寿命谱仪对这两 个Y光子的时间间隔进行测量，可以得到近似于高斯分布的曲线，即P(t) = -^expGW(t - T )20 -G25)G式中右是标准偏差，T0是谱仪的时间零点由此可以得到用半高度处的全宽度表示的时 间分辨率5为t6 = 2、ln2t理想的寿命谱可用几个指数衰减成分的叠加来表示6)S *(t) = £ -t / qTi =1 i7)式中N为寿命谱的成分个数，1为第i个寿命成分的强度，T为相应成分的湮没寿命但ii 由于仪器有时间分辨函数的影响，实测谱为S (t) = J® S *(t') P (t -1 ')dt' (8)—g它是理想寿命谱与分辨函数的卷积由实测的S (t)和P (t)函数，可用去卷积方法求出 SP)现在将(5)式和(7)式代入(8)式中，积分后得到实验寿命谱与各个成分的关系 式为S (t)=兰exp0 4t.丿i2其中erf (x) = J xe-y2dy是标准高斯函数兀 0*1 — erf◎ (t - T )— 0—2t ◎i采用非线性最小二乘法，将(9)式与实验测得的寿命谱进行最佳拟合，即可求出寿命 谱成分的寿命值T及相应的强度I。

ii三 实验装置 正电子湮没寿命谱测量装置的核心单元部件是快一快符合系统，它主要由美国 EG&G 公司电子学 NIM (Nuclear Instruments Module)插件组成图2为正电子寿命谱测量系统框图，主要分为三部分：用于探测Y光子的塑料闪烁体光 电倍增管探测器，用于测量两次事件时间差的快一快符合时间谱仪和用于显示并记录脉冲幅 度分布的计算机多道分析器图2正电子湮没寿命谱测量系统框图1．塑料闪烁体光电信增管当Y光子射入塑料闪烁体内时发生康普顿效应，所产生的反冲电子的能量被闪烁体吸收 而发射闪烁光，这种闪烁光很微弱且持续时间很短，利用光电倍增管把微弱光放大并转换成 电脉冲输入到相应的电子学线路中进行测量．光电倍增管是由一个光阴极和多个倍增电极 (又称为打拿极)以及阳极构成．在阳极与阴极之间加高压，在各打拿极上由分压电阻给出 一级比一级高的电位为了使时间谱仪有较高的分辨率，要求选择闪烁体输出高且发光衰减 寿命短的闪烁体光电倍增管要求对光信号的响应快且光阴极的灵敏度高．为安全起见，光 电倍增管通常处于负高压工作状态，即阳极接地，阴极加负高压2．快—快符合时间谱仪由于待测的两次发射丫光子事件的时间间隔一般为几百皮秒(ps),常规的时间测量手 段难以胜任。

为解决这个问题，快一快符合时间谱仪采取了两项主要技术：(1) 时间幅度转换器(TAC： time to amplitude converter)：将时间差转换成电脉冲幅度， 通过对电信号幅度的测量完成测定时间的任务；(2) 恒比甄别器(CFD： constant fraction discriminator):确定或甄别信号的相关性， 使得所接收的电信号是需要测量的时间差光电倍增管探测器的基座有三个接头：一个用于高压输入，另外两个分别是阳极和打拿 极的信号输出从其中一个探测器的阳极上有某个 Y光子的发射信号经过恒比甄别器(ORTEC 583)之后进入时间幅度转换器(ORTEC 567)的START输人端；从另一个探测 器的阳极上有一个Y光子的信号经过一个恒比甄别器和延时器(ORTEC DB463)之后进入 时间幅度转换器的STOP输入端.从时间幅度转换器输出的脉冲电信号，其幅度正比于这两 个输入信号的时间差恒比甄别器是快——快符合时间谱仪中决定时间分辨率的关键部件之一因为光电倍增 管输出脉冲的幅度和上升时间随脉冲有变化，直接用于触发一电子学线路时触发时刻会发生 抖动，为了解决这个问题，采用恒比甄别器对光电倍增管的脉冲输出进行整理，它的作用是 在每个阳极脉冲时间的一个恒定点(例如不管脉冲幅度多大，都是在脉冲上升至峰值的1/3 处)上产生一个信号，使输入到时间幅度转换器的脉冲起始／终止时间与光电倍增管脉冲输 出的起始／终止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， 而只取决于Y光子发射的时刻。

时间幅度转换器将一个恒比甄别器输出的起始信号与另一个恒比甄别器输出的终止信 号之间的时间差线性地转换为一个脉冲的幅度，其测量原理：时间幅度转换器相当于一个恒 流源在电流开关的控制下对电容充电的电路，起始信号使开关接通，而终止信号使开关断开 根据电学基本知识，电容C上的电压幅度U与充电时间t的关。