正电子湮没实验方法_lx-1
正电子湮没谱实验数据处理方法
正电子湮没谱实验数据处理方法陈志权1． 正电子寿命谱分析方法:通常正电子湮没的寿命谱可以写为一到几个指数成分之和：∑==ni i I t L 1i(1) texp(-)(τ其中τi 及I i 为正电子在处于不同湮没态时的湮没寿命及其强度。
上式是在理想情况下的正电子寿命谱表达式。
在实际测量中，由于仪器存在时间分辨率，我们测量所得到的寿命谱变成了理想寿命谱与谱仪时间分辨函数的卷积：∑∫=∞′−′′−=ni t i t t d e t t R I N t Y i 1(2) )()(λN t 为实验测量寿命谱的总计数。
R(t)为谱仪的时间分辨函数。
通常认为是高斯函数形式：(3) 2log 2,1)(2)/(FWHM e t R t ==−σπσσ其中FWHM 为高斯函数的半高宽(Full Width at Half Maximum)，σ为标准偏差。
则Y(t)可变换成如下的形式：(4) )/2/(21)(2)2/(1σσλσλλt erfc e I N t Y i t n i i t i i −=+−=∑其中，erfc(x)称为误差余函数，它的定义为：(5) 21)(1)(02dt e x erf x erfc xt∫−−=−=π在正电子寿命谱中，时间零点不是在t=0，而是在t 0处。
因此上式实际上为：(6) 2(21)(0)2/()(120σσλσλλt t erfc e I N t Y i t t n i i t i i −−=+−−=∑另外，在实际的正电子寿命谱测量中，Y(t)通常是以多道分析器(MCA)中每一道的计数来表示的。
为考虑道宽的影响，应建立每道中计数的数学表达式，即第j 道的计数Y j 应为从时间t j-1到t j 的积分，即为：(7) )(1dt t Y Y jj t t j ∫−=(8) )]()([201101,,σσλt t erf t t erf Y Y I Y j ni j j i j i iij −+−−−=−=−∑ 式中： (9) 2()2/()(,20σσλσλλt t erfc eY j i t t j i i j i −−=+−−利用高斯-牛顿非线性拟合算法，对实验测量的正电子寿命谱进行拟合，即可得到正电子在各个湮没态下的寿命τi及其强度I i。
正电子湮没原理_lx-1
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用过程：热化— 扩散—湮没
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 热化：正电子(几百keV)在几个ps内与物质中 原子发生各种非弹性碰撞，损失能量并慢化 至热能(0.01eV)。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 扩散：热化后的正电子将在体内作扩散运动， 扩散长度~100nm。
0 r02c / v
• v:正电子相对于电子的速度，r0:电子经典半径。
• 正电子湮没率：自由正电子在其运动速度v远
小于光速c时，单位时间发生2γ湮没的几率。
r02cne
• ne是正电子所在处的电子密度。
正电子湮没技术
• 正电子与物质相互作用
• 寿命：将湮没率 正电子素
• 是否形成正电子素的判据2：测量双光子湮没 与三光子湮没之比。[比值低于372,存在Ps]
• 三重态正电子素O-Ps是单态正电子素P-Ps的三倍； • 正电子素内，正电子所遇到的电子影响主要来自
它的伙伴； • 所以，正电子素中，双光子湮没与三光子湮没之
比为0.33。与非束缚态的正电子湮没很不相同 （双光子湮没与三光子湮没之比为372）。
• 猝灭的三种主要形式：
• 转换 • 拾取 • 化学反应
正电子湮没技术
• 正电子素
• 转换猝灭
• O-Ps与电子不成对的分子相碰撞，交换了一个自 旋相反的电子的结果。
• 相当于原来的O-Ps转换成了P-Ps。 • 引起转换猝灭的分子如NO，NO2，O2等，均含有不
成对的电子。
正电子湮没技术
• 正电子素
测到正电子的存在。狄拉克获得了诺贝尔奖。 安德森进一步用γ射线轰击的方法产生了正电 子。 • 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束 缚态。
正电子湮灭
正电子湮灭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。
正电子湮灭 实验报告 xxx
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20eR 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性同位素有Na 22、Co 58、Cu 64、Ge 68等，常用的β+源是Na 22源，它放出的正电子最大动能为0.545MeV ，半衰期2.6年。
铝纳米晶的正电子湮没研究
铝纳米晶的正电子湮没研究本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！1 引言纳米晶材料具有明显不同于粗晶材料的物理和化学性能, 如高自扩散率、高延展性、声子比热容增强、磁性改变. 这些优异性能与其本身具有的体积比相当大的界面微观结构有关. 纳米晶的界面处通常存在大量缺陷, 如空位、空位团、微孔洞等,而缺陷的大小和浓度与制备纳米晶的工艺等因素有关.正电子湮没寿命谱已广泛应用于研究纳米晶材料晶界的微观缺陷[5−13], 提供缺陷的类型和浓度等信息. 已有的文献报道主要集中于纳米晶Fe,Cu, Pd, Ag 等微结构以及热稳定性的研究. 目前仅有曾小川利用正电子湮没技术研究了不同制备工艺对制备的铝纳米粉体缺陷的影响, 尚缺乏相关制备工艺对铝纳米晶的缺陷影响的研究.本文拟采用自悬浮定向流-真空热压法制备铝纳米晶, 并运用正电子湮没寿命谱分析技术研究铝纳米晶在压制过程中缺陷变化情况, 着重分析压力变化对材料缺陷状态的影响. 在通过压制纳米粉体制备纳米晶过程中, 不同的压力势必影响样品中缺陷的类型及其浓度. 这些微观结构的改变将影响材料最终的物理化学性能. 因此, 微观结构的研究对于材料的生产和应用有重要的指导意义.2 实验样品制备以纯度为% 的铝丝为原料, 采用电磁感应加热-自悬浮定向流法制备出铝纳米粉末颗粒,并将所制备的铝纳米粉末移至真空手套箱中. 在惰性气体(高纯氩气)保护下, 称取一定量的铝纳米粉, 装入直径为15 mm的硬质合金模具中, 密封后取出, 移入真空热压块体制备设备中, 待真空至真空度优于× 10−3Pa后升温, 在相应的温度(300◦C)和压强(0—1 GPa)下保压1 h, 制备出5个不同密度的铝纳米晶体(按照密度从低至高分别为1—5号样品).性能表征本实验采用阿基米德原理(以无水乙醇为介质)测定铝纳米晶体的密度(测试温度为◦C);采用D/max-IIIA 型X射线衍射仪(XRD)进行测试, 以CuKα (λ = Å)为X射线源, 扫描范围2θ = 30◦—90◦; 正电子寿命谱是在常温下利用快-快符合正电子寿命谱仪测量, 采用22NaCl正电子源, 测量寿命谱时用两片相同的样品夹住正电子源成三明治结构. 每个样品测量8次, 每一个寿命谱的总计数都在106以上, 并且都采用PATFITP 软件进行3个寿命分量拟合. 另外也将纯铝进行退火后进行正电子湮没寿命谱测试.3 结果与讨论XRD分析利用X射线衍射, 测量了铝纳米晶体的XRD谱图(见图2). 由布拉格公式, 可以推出XRD谱出现的5个铝的特征峰, 从左到右分别对应面心立方(FCC)结构Al的晶面指数(111), (200), (220),(311), (222). 假定衍射线的宽化仅由晶粒尺寸造成, 扣除仪器因素引起的几何宽化, 通过Scherrer公式计算得出5个铝纳米晶体样品的平均晶粒尺寸约为48 nm, 晶粒尺寸没有明显变化. 可见在300◦C温度下, 不同压制压强对制备的样品的晶粒尺寸基本没有影响.正电子湮没寿命分析正电子寿命谱的三寿命分量实验制备的5个铝纳米晶的正电子湮没寿命谱由三分量构成: 短寿命τ1为177—214 ps,其对应强度I1为%—%; 中间寿命τ2为352—390 ps, I2为53%—67%; 长寿命τ3为1113—2366 ps, I3为%—%. 寿命和对应强度的具体值与压制压强有关.压制压强对正电子寿命谱的影响铝纳米晶的平均正电子寿命与压强有关: 随压强增加, 平均正电子寿命τm(τm=τ1I1+ τ2I2+ τ3I3)大体趋势是降低的, 即由311 ps降至301 ps. 由于平均正电子寿命τm与三种类型缺陷(类空位、空位团和微孔洞)的总体积尺寸相关,图4 表明缺陷的总体积随压强的增大而减小.显微硬度纳米金属块体材料的显微硬度属于结构敏感量, 不仅与材料本身的微观状况(晶粒大小, 制备过程和制备方法)有关, 而且还与缺陷及其大小有关.表面气孔等缺陷的存在会显著降低显微硬度. 增大压力可提高样品密度以及减小缺陷尺寸和数量, 从而可望提高样品硬度. 图9为铝纳米晶的显微硬度与压制压强的关系, 可见随着压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 从而使其显微硬度提高.4 结论正电子湮没寿命测试表明自悬浮定向流-真空热压法制备的铝纳米晶的微观缺陷明显不同于粗晶纯铝, 其缺陷主要为类空位以及空位团, 而微孔洞的含量很少. 铝纳米晶微观缺陷结构与压强的变化规律为: 压制压强(P)低于GPa时制得的纳米晶, 空位团随压强的增加而逐渐转变为类空位;在GPa P GPa时, 各类缺陷发生消除; P GPa时, 各类缺陷进一步发生消除.随着压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 缺陷的尺寸和数量相应地减少,从而增加其显微硬度.本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！。
正电子湮没分析技术
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（2）正电子的性质
正电子总是和普通电子成对产生，只是在磁场中弯向不同的方向。 正电子与普通电子具有相同的静止质量和自旋，所带的电荷和电子 的电量相等；不同之处在于电荷是正的，且具有正的磁矩。 正电子比较罕见，只在某些宇宙射线中，或γ射线轰击过程中，或 不稳定同位素的原子核衰变时才会出现；而普通电子较容易发现，在一 切原子的原子核外都可发现。 按照能量高低可以分为： 高能正电子 （ > 2 MeV） 低能正电子 （ < 2 MeV，用于正电子湮没技术）
工业催化剂表征
正电子湮没分析技术
主讲教师：李永峰
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概述
（1）正电子的发现历程
1930年英国物理学家 P.A.M.Dirac 从理论上提出电子有两种，一种 是带负电荷的电子，一种是带正电荷的电子，即首次预言了正电子的存 在。 1932年美国物理学家 C.D.Anderson 首先在宇宙射线中发现正电 子。 1933年英国物理学家 P.A.M.Dirac 获得Nobelprize。 1933年 C.D.Anderson 进一步用γ射线轰击的方法产生了正电子。 1936年美国物理学家 C.D.Anderson 也获得Nobelprize。
对于理想单一结构的试样，该寿命谱是一支单指数曲线，正电子 湮没平均寿命就是试样的本征寿命。 但对于复杂结构的试样，正电子湮没平均寿命是各个结构所贡献 寿命的权重叠加。目前解谱程序只能给出3-4个寿命。
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应用于检测金属内部缺陷
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正电子湮没谱的类型
正电子湮没寿命谱 正电子湮没多普勒能谱展宽 双γ湮没辐射角分布
正电子湮没实验报告
【实验目的】
通过正电子湮没寿命谱研究样品微观结构 变异 【实验环境】 1、软件环境：windows xp，Mca32 2、实验仪器：氟化钡闪烁体光电倍增管探 测器，ortec556 高压电源，ortec583B 恒 比甄别器（ CFD ） ， ortecDB463 延时箱， Ortec566 时幅转换器， ortec414A 快符合， ortec416A GATE ＆ DELAY GENERATOR ， TRUMP-PCI-8K 多道分析器(MCA)，TDS1012 示波器，Na-22 放射源，铝片 （1）塑料闪烁探测器 塑料闪烁探测器由塑料闪烁体及光电倍增 管组成。 当γ光子射入塑料闪烁体内时可发 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
将表中的数据进行拟合， 使用道宽作为 横坐标，时间作为纵坐标，以得到每道的时 间。用matlab求得斜率为0.0125。 所以，本次时间刻度为0.0125ns/ch。 3、时间分辨率
图 延时为14ns时的瞬发峰
谱仪的时间分辨率定义为瞬发峰的半 高宽。选择一个恰当的延迟时间，本实验选 择的延时为14ns，等到符合计数超过3000
22
Na
放射源，它的衰变过程如图所示。 。当它发 生β 衰变时，主要产生动能为0-540keV的
【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，带单位正电荷。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γ射线。 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 相遇后一起消失并放出光子， 这个过程就是 正电子湮没。 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。 2、正电子的自由湮没及捕获态湮没 根据狄拉克独立粒子模型， 当正电子与 电子的相对速度远小于光速时， 单位时间内 发生二γ光子湮没的几率（以下简称湮没 率）为： p r0 cne （1） ，式中 r0 为电子的
正电子湮没寿命谱测量.
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，带单位正电荷，自旋为 21。
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γ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γσ、γσ2和γσ3，它们之间的关系为 a ≈γγσσ23； 42a r ≈γσσ （1）其中a 是精细结构常数⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==13712hc e a 。
由此可见，双光子湮没的概率远远大于三光子湮没和单光子湮没的概率。
气体中的正电子湮没
小分子：Feshbach共振正电子湮没理论，所有的振动模与入射正电子有很大的偶极子耦合。湮没率是正电子能 量的函数，是共振之和，共振大小由于能量有关的g因子给出。 大分子：没有成功的定量理论，现在还是用VFR形式去描述Zeff。
（10）大分子总结
有几个确定的性质：
1、一系列峰值随正电子-分子束缚能而向下漂移。 2、分子的振动自由度的数目随分子大小的增加而增加，VFR随IVR而增强（IVR是受限制的）。 3、目前为止，非弹性逃逸通道是相对不重要。 因为大分子内部的复杂情况，导致它的湮没过程的理论理解没有在小分子中发展得那么好，急需一个可靠的 VFR增强湮没机制。 研究大分子的一些方法，如阱基束方法、正电子入射引起俄歇谱、正电子导致的离化和正电子吸附等技术
4.5.2 大分子的振动Feshbach共振（VFR）湮没
能量分辨湮没测量：使用阱基束，它的特点是能量低而且可控 1.能量分辨湮没的实验测量（可控能量的湮没测量） 小分子也可能有共振湮没，但是大分子的共振湮没更明显。
2.湮没于大分子
正电子首先通过振动“门口态”束缚到分子上（如通过耦合模基分子振动模有关的Feshbach共振模式 （VFR）），振动能量转移到暗态，此过程是分子间振动能量重新分布（IVR）。
（
2
）
利
用
彭
宁
阱
技
术
，
测
量
正
电
子
热
化
后
的
有
效
电
子
数
Z
t
h eff
密度低（<10-7 amagat，amagat是密度单位，1amagat=2.69×1019cm-3）
4.2 在高密度气体中的实验
正电子湮没技术[1]
![正电子湮没技术[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/9531af06fd0a79563d1e72aa.png)
见”的电子密度越低，则其寿命越长。
正电子湮没技术[1]
湮没对的动量守恒
v 正电子和电子的湮没特性不仅与介质中电子 浓度有关，还和电子动量分布有关。
v 湮没对的动能一般为几个eV。在它们的质心 坐标系中，光子的能量精确地为0.511MeV，
式子右边都是由实验 可测量的量，因此可 求出值。
正电子湮没技术[1]
捕获率与缺陷浓度C的关系
v 通常从物理上认为，缺陷对正电子的捕获率 正比于缺陷浓度C，即有：
v 式中为单位浓度的缺陷对正电子的捕获率， 即比捕获率，它对于某一定材料中的某种缺 陷在一定条件下可看作常数。
v 由实验数据计算得出的值的变化可反映样品 中缺陷浓度的变化。
v 其中vL是湮没对质心的纵向速度，等于PL/2m0，由 于光子能量正比于它的频率，可以得到能量为m0c2 时，其多普勒能移为：
v 湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布。而 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化。所以 测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研 究物质微观结构的变化。
正电子湮没技术[1]
的存在 v 1934年MoHorovicic提出可能存在e+-e-的束缚态 v 1937年LSimon和KZuber发现e+-e-对的产生 v 1945年A. Eruark命名正电子素Positronium(Ps) v 1945年A. Ore提出在气体中形成正电子素的Ore模型 v 1951年M. Deutsch首先从实验上证实Ps的存在 v 1953年R. E. Bell和R. L. Graham测出在固体中正电子湮没的复杂谱 v 1956年R. A. Ferrell提出在固体和液体中形成Ps的改进后的Ore模型；广
正电子湮没
正电子湮没技术基本原理陈志权自从1930年由英国物理学家P. Dirac从理论上预言了正电子的存在，以及1932年美国物理学家C.D. Anderson在宇宙射线中发现了正电子的存在以后[1]，正电子湮没谱学(Positron Annihilation Spectroscopy，PAS)首先在固体物理中得到了应用，并在六十年代后期得到了飞速发展。
它已在材料科学，特别是缺陷研究和相变研究中发挥了重大的作用。
正电子是电子的反粒子，除所带电荷与电子相等，符号相反之外，其它特性均与电子相同。
正电子进入物质后遇到电子会发生湮没，同时放射两个或三个湮没γ光子。
用核谱学方法探测这些湮没辐射光子，可以得到有关物质微观结构的信息[2]。
利用正电子湮没谱学研究材料具有许多优点。
它提供了一种非破坏性的探测手段，因为信息是由穿透材料湮没辐射所带出的。
它不需要特殊的样品制备。
另外，在某些应用中，它还可以做原位研究，如在升温过程中的化学反应动力学过程等等。
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[3-4]。
一、正电子在固体中的热化、扩散和捕获现象常规正电子源通常是具有β+衰变的放射性同位素，如22Na、64Cu等。
从放射源中发射出来的正电子(E<1MeV)进入固体材料后，首先将在约1ps内通过与物质中原子的各种非弹性散射作用（如电子电离、等离子体激发、正电子--电子碰撞、正电子--声子相互作用等元激发过程）迅速损失能量并慢化至热能(∼0.025eV)[5]。
其在材料中的深度分布近似满足下面的指数关系[6-7]:式中ρ为固体的密度，E max为入射正电子的最大能量。
对于最常用的正电子源22Na，其E max=0.545MeV，因此正电子在固体中的注入深度约为100µm左右，所以由正电子湮没所得到的是材料的体态信息。
热化后的正电子将在体内作扩散运动，其扩散长度为∼100nm，在扩散过程中如果遇到电子会与之发生湮没，放出两个或三个γ光子。
核物理实验-正电子湮没实验报告
正电子湮没寿命测量实验报告姓名：***学号：*************专业：********************正电子在物质中湮没寿命的测量1930年Dirac预言了正电子的存在，Anderson于1932年在宇宙射线中发现了正电子，揭开了研究物质与反物质的序幕，正电子素的发现加深了对正电子物理的研究，也形成了一门独立的课题正电子淹没谱学。
正电子淹没技术是研究材料的微观结构，物质内部的电子动量分布的重要手段,尤其慢正电子在研究材料的表面特性方面具有重要意义。
在无损检测微观缺损，缺陷浓度，位形，物质相变过程，材料的辐照效应方面具有广泛应用。
由于测量设备简单，灵敏度较高，这种技术正成为固体物理,金属物理,半导体物理,非晶态物理,表面物理等领域的新型探测手段,并有着广阔的发展前途。
本实验就是通过测量正电子在样品中的湮没寿命，获得与样品结构相关的一些信息。
实验目的1、了解正电子湮没寿命测量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实验仪器1、22Na、60Co放射性源各一个2、样品（2片）3、BaF2闪烁体光电倍增管探测器（2个）4、高压电源5、恒比微分甄别器CFD（2个）6、时符转换器TAC7、快符合电路8、门及延迟发生器9、多道分析器和PC实验原理1.正电子在物质中的湮没寿命正电于是电子的反粒子，除电荷和磁矩符号不同外，其它特性与电子相同。
当正电子与电子相遇时发生“湮没”，它们全部质量对应的能量为2m0c2以电磁辐射能的形式发射出来。
湮没过程的绝大多数是发射两个能量相等(51lkeV)，方向相反的γ光子，如图1所示。
发射单个光子或三个光子的湮没过程的几率极小（根据计算发射两个光子与三个光子的湮没几率之比为372∶1）。
湮没过程中发射的γ光子，通常称为湮没辐射。
正电子湮灭 实验报告 xxx
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20eR 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性同位素有Na 22、Co 58、Cu 64、Ge 68等，常用的β+源是Na 22源，它放出的正电子最大动能为0.545MeV ，半衰期2.6年。
正电子湮没技术
-原理,实验方法及应用 原理,
概述
正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique, 简称PAT)是一门六十年代迅速发展起来的新学科. 通过测量正电子与材料中电子湮没时所发射出的γ射 线的角度,能量以及正电子与电子湮没前的寿命, 来研究材料的电子结构和缺陷结构. 制样方法简便,适应的材料广泛,通过γ射线带出信 息有利于现场测量特点,在固体物理,材料科学及 物理冶金和化学等领域得到了越来越广泛的应用.
S (t ) = N 0 I 1Γ1 Γ1t + N 0 I 2 Γ2 Γ2t (6)
I1 = λ f Γ1 (λ f + κ ) + λ d κ I2 = Γ2 (Γ1 Γ2 )
λ f (λ f + κ Γ2 ) λ d κ
[
Γ1 (Γ1 Γ2 )
](Leabharlann )寿命谱结果与二态捕获模型
湮没过程中动量守恒矢量图
PL P PT
θ
=m 0 P2
2 P L/ c-
P1=m0c+PL/2
θ = PT / m0 c
因为热化后的正电子动量 几乎为零,所以测量的角 关联曲线描述了物质中被 湮没的电子的动量分布.
多普勒能移
湮没对的运动还会引起在实验室坐标系中测得的湮 没光子能量的多普勒移动.频移为: υ υ = v L c 其中vL是湮没对质心的纵向速度,等于PL/2m0,由 于光子能量正比于它的频率,可以得到能量为m0c2 时,其多普勒能移为: E = (VL c) E = cPL / 2 湮没辐射的线形反映了物质中电子的动量分布.而 物质结构的变化将引起电子动量分布的变化.所以 测量正电子湮没角关联曲线和多普勒展宽谱可以研 究物质微观结构的变化.
正电子湮灭——精选推荐
正电⼦湮灭正电⼦湮灭仪正电⼦湮没技术（Position Annihilation Technique，PAT），是⼀项较新的核物理技术，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⽽备受⼈们青睐。
现在正电⼦湮没技术已经进⼊固体物理、半导体物理、⾦属物理、原⼦物理、表⾯物理、超导物理、⽣物学、化学和医学诸多领域。
特别是材料科学研究中，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。
正电⼦湮灭技术的发展概况正电⼦湮灭这种核技术对⽓体、液体和固体（结晶或⽆定形）都能进⾏研究，因⽽所研究的领域是很⼴的。
由于正电⼦主要跟物质中活跃的电⼦相互作⽤，因⽽所得的情报更能反映物质的电⼦结构，更能反映化学环境的变化，所提供的信息⽐光谱、质谱、核磁共振和电⼦⾃旋共振等还多。
这种技术除了要求亚毫微秒电⼦学技术外，其设备简单，数据处理也简单，因⽽较易建⽴和掌握。
此谱法的缺点是，各种物质的谱数据可能相类似，因⽽特征性差些。
另外，⾄⽬前为⽌，这⽅⾯⼯作还是处在探索和建⽴规律的阶段，有待完善理论⼯作以指导应⽤。
正电⼦湮灭技术的基本原理⼀种研究物质微观结构的⽅法。
正电⼦是电⼦的反粒⼦,两者除电荷符号相反外,其他性质（静⽌质量、电荷的电量、⾃旋）都相同。
正电⼦进⼊物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电⼦相遇⽽湮没,全部质量(对应的能量为2mec2)转变成电磁辐射──湮没γ光⼦。
50年代以来对低能正电⼦同物质相互作⽤的研究，表明正电⼦湮没特性同媒质中正电⼦—电⼦系统的状态、媒质的电⼦密度和电⼦动量有密切关系。
随着亚纳秒核电⼦学技术、⾼分辨率⾓关联测量技术以及⾼能量分辨率半导体探测器的发展，可以对正电⼦的湮没特性进⾏精细的测量，从⽽使正电⼦湮没⽅法的研究和应⽤得到迅速发展。
现在，正电⼦湮没技术已成为⼀种研究物质微观结构的新⼿段。
正电⼦的性质1928年Dirac在求解相对论性的电⼦运动的Dirac⽅程时预⾔正电⼦的存在，1932年Andersan在威尔逊云室研究宇宙射线时发现了正电⼦。
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正电子湮没技术
• 正电子源
• 源的活度由所研究的课题及实验装置决定
• 角关联测量：不考虑辐射损伤，活度从毫居到居
• 寿命测量：源活度是最大允许偶然符合率的函数
• 偶然符合指来自不同核事件的1.27MeV和0.51MeV光子 间发生的
•
源活度A
=
允许的偶然符合率 所研究的时间区间∗真符合率
• 例：时间区间为100ns，允许偶然符合率与真事件符合 率之比为0.01，则源活度应为105Bq。
• 能量变化的大小与电子动量有关。所以从湮没γ 能谱的测量可以获得介质中电子动量分布信息。
正电子湮没技术
• 3.多普勒展宽测量
• 装置
• 用高能量分辨本领的固体探测器可以探测正电子 湮没辐射的多普勒展宽；
• 高纯锗探测器测到的湮没信号经逐步放大后输入 多道分析器MCA，得到湮没辐射的能谱。
主放大器
• 1.正电子寿命测量
• 3）恒比定时甄别器(CFD)或恒比微分甄别器 (CFDD): 产生定时信号控制时幅转换TAC。
• 恒比定时甄别器(CFD)：用于快--慢符合系统的快 通道，是为了克服光电倍增管输出脉冲的噪声和 波形涨落引起的时间误差(晃动)，和输出脉冲上 升时间、幅度不一致引起的时间游动(时移)对脉 冲前沿定时的影响。
正电子湮没技术
• 3.多普勒展宽测量
• 优点：
• 多普勒展宽谱仪的计数率比角关联系统大近一百 倍，测量时间短，一般用5μCi的源测量1小时就 足以满足统计精度，试验成本低。
• 缺点：
• 此系统的分辨率不够高。目前Ge探测器最好的能 量分辨在511KeV处为1keV，相当于4mrad的等效角 分辨率，这比角关联装置的分辨率大约差一个数 量级；
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 原理
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 正电子寿命谱仪有两种
• 快--慢符合系统 • 快--快符合系统
• 主要部件
• 探测器 • 恒比定时甄别器(CFD)或恒比微分甄别器(CFDD) • 时幅转换器(TPHC或TAC) • 慢电路或快-快符合电路
正电子湮没技术
• 具有两种功能：
• 既可以对所探测的光子进行能量选择；[甄别输入脉冲 的幅度，有可调的上、下甄别阈]
• 又可在探测到光子时产生定时信号。
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 4）时幅转换器(TAC)
• 两探头分别记录同一个正电子所发出的起始和终 止信号——1.274MeV和0.511MeV的光子。
• 在发射最大能量545keV的正电子(平均能量260keV) 同时发射1.274MeV的γ射线和一个中微子。
正电子湮没技术
• 正电子源
• 最常用的正电子源： 22Na
• 由于1.274MeV的γ射线和正电子同时发射，可用于 电子寿命测量。
• 1.274MeV的γ光子的出现可看作正电子产生的时 间零点信号，正电子在样品中湮没后发出能量为 0.511MeVγ光子是湮没事件的终止信号。
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 正电子寿命谱：含两种寿命成分
• 短的寿命：正电子自由湮没和P-Ps湮没的贡献 • 长的寿命：O-Ps湮没的贡献
正电子湮没技术
• 2.角关联测量
• 原理
• 湮没对湮没前总动量为0时，发生2γ湮没，两个 γ光子共线，能量为0.511MeV。
• 正电子湮没前热化动量近似为0，但材料中自由电 子动能约为几个eV，动量不为0，所以湮没辐射方
合事件(1.274MeV自身散射符合、两个0.511MeV的 符合)。
• 对塑闪：测量的是康普顿反冲电子。1.274MeV射线取能 窗0.53-1.06MeV；0.511MeV取能窗0.23-0.34MeV。
• 对BaF2：直接取二者的光电能窗。
• 能窗越窄，时间分辨越好，但要牺牲计数率。 • 谱仪时间分辨率一般为10-10s左右。
• 另外，这种系统还有电子学稳定性问题，多道分 析器需带数字稳谱器，以抑制系统的电子学漂移。
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 3）恒比微分甄别器(CFDD)
• 当脉冲幅度在上、下甄别阈之间，即在甄别能窗 内，CFDD同时给出两个逻辑信号：
• 一个经延迟箱送入时幅转换器TAC，作为起始、终止信 号。
• 一个作为快符合输入信号送入快符合电路。快符合电路 输出一个很宽的门信号去启动TAC。
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 1）正电子源夹在两片相同的样品之间，并置 于两探头中间。
• 2）探头由BaF2晶体(或塑料闪烁体)、光电倍 增管等组成。
• 作为时间谱仪要求有好的时间分辨率。因此，要 求闪烁体光输出效率高且发光时间短。
• 光电倍增管选直线聚焦式、光阴极灵敏度高的管 子。
正电子湮没技术
负高压 前置放大器
高纯锗 探头
多道
液氮
正电子湮没技术
• 3.多普勒展宽测量
• 解谱方法：
• 退卷积法：去除仪器分辨率影响，得到本征多普 勒展宽谱。
• 线形参数法(多普勒展宽线形参数测量)
• H = A/Δ • W = (B+C)/Δ • S = A/(B+C)
• Δ为能谱下总面积 • 缺陷增多，H和S参数增大
• 优点：角分辨好； • 缺点是设备造价大、计数率弱，统计误差大。
用增加源强的办法来提高计数会造成防护上 的困难。增加测量时间则要求仪器的电子学 线路有长时间的稳定性。
正电子湮没技术
• 3.多普勒展宽测量
• 原理
• 由于湮没对具有一定的动量，所以在相对探测器 运动时发生湮没，会产生多普勒能移，测到的湮 没能谱发生变化。
• TAC将这两个信号之间的时间间隔转换为一个脉冲 高度，脉冲信号输开关控制 • 一个电容器 • 一个复位电路
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 5）慢电路[快-慢符合系统]
• 慢电路由放大器、单道分析器、符合电路组成。 • 用来鉴定1.274MeV和0.511MeVγ射线，去除假符
物质出射并进入样品的要求)。 • 放射源的半衰期应足够的长。
• 正电子湮没技术使用的正电子源多由原子核 衰变产生。
• 22Na，64Cu，58Co，55Co，57Ni，68Ge，90Nb…
正电子湮没技术
• 正电子源
• 最常用的正电子源： 22Na
• 放射源的半衰期长，2.6年。实验周期内强度可 看作常数。
• 1.正电子寿命测量
• 快--慢符合系统
• 较弱的源，所需测量时间长，辐射损伤小。
1.274MeV
打拿极 阳极
0.511MeV
在快慢符合系统 中有两个信号： ① 慢道：打拿
极信号，能 量信号； ② 快道：阳极 信号，时间 信号。
正电子湮没技术
• 1.正电子寿命测量
• 快—快符合系统
• 可用较强的源，测量时间缩短
• 2.角关联测量
• 装置
• 正电子源：通常为64Cu、22Na、58Co。 • 该方法要求高精度的机械设备和强源(3.7*1010-
1011Bq)，典型的角分辨率为0.5mrad。 • 用NaI探测器以符合方法测量，探头前加屏蔽防止
源直射，窄缝，缝宽约1mm。 • 可用恒比微分甄别器代替单道分析器，可在较高
计数率下得到好的定时性能。
正电子湮没技术
• 2.角关联测量
• 角关联曲线
• 角关联曲线近似看成由两条曲线叠加而成。
• 与自由电子湮没形成倒抛物线分布； • 与动量较大的核心电子湮没形成较宽的高斯分布。
• 正电子被缺陷捕获，接触核心电子机会少，高斯 贡献减少，倒抛物贡献大。
正电子湮没技术
• 2.角关联测量
正电子湮没实验技术
成都理工大学 马英杰
正电子湮没技术
• 基本实验方法
• 寿命测量
• 由正电子寿命可获取有关介质电子密度信息。
• 多普勒展宽测量 • 角关联测量
• 通过获取电子动量分布的信息，可以研究物质微 观结构的变化。
正电子湮没技术
• 正电子源
• 基本要求：
• 需具有高的正电子辐射发射率。 • 发射正电子辐射要有足够的能量(以达到能从源
向夹角与180度相差一个θ角。即θ角与材料中的
电子动量有关。
P湮灭对的动量
光子的动量
光子的动量 2γ湮灭过程中动量守恒的矢量图
正电子湮没技术
• 2.角关联测量
• 装置
• 测量时相对于固定探头以Z方向为轴转动另一探头, 测出符合计数率随角度的分布,就可以得到电子在 某个方向上的动量分布。
正电子湮没技术
• 测量1.274MeV的γ光子与0.511MeV的γ光子之间 的时间间隔，就可得到正电子寿命谱。
正电子湮没技术
• 正电子源
• 源的制备
• 将一滴源液滴在约10μm厚的铝或云母箔上，干 燥后在上面覆一层同样的箔，组成一个不泄露的 源托。
• 源托要求：
•薄 • 牢靠 • 禁得起腐蚀 • Ps形成几率小