分析正电子的湮没寿命或者电子的动量分布
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。
正电子湮没寿命谱
正电子湮没寿命谱
正电子湮没寿命谱是一种重要的粒子物理学测量工具。
它可以用来研究物质中的电子和正电子的相互作用，从而深入了解物质的组成和结构。
正电子湮没寿命谱测量的原理是，正电子在物质中遇到电子时会发生湮没，产生两个光子。
这两个光子的能量和动量都与原始正电子的能量和动量相等，但方向则是随机的。
通过测量这两个光子的时间间隔和相对能量可以确定正电子的寿命。
由于正电子的寿命非常短，通常只有几纳秒，所以正电子湮没寿命谱需要用到高精度的时间测量和能量分辨技术。
利用正电子湮没寿命谱可以研究固体、液体、气体等各种物质的性质，还可以用来检测材料的缺陷和探测生物分子的结构。
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正电子湮没寿命谱数据处理方法
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ｆｉｔｔ吨ｏｆ ｔｈｅ ＰＡＬＳ ｈａＳ ｂｅｅｎ ａ仕ｅｍｐｔｅｄ．Ｔｈｅ ｌ漱ｉＩｌｌｅｓ
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ｂｙ吐１ｅ
ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ
而且能较方便地制成适合于正电子寿命谱测量所用的源（源强为几ｐＣｉ～几十ｐＣｉ）；它的
能量为１．２８ＭｅＶ的伴随丫射线很适合于作为寿命谱的起始信号。轴ａ衰变产生的正电
子能谱连续分布，峰值为１７８ ｅＶ，最大值为Ｏ．５４５ ＭｅＶ，其衰变纲图如图１－２所示。
珠ａ
２２Ｎｅ
激发态
丫’
２２Ｎｅ
基态 图１＿２ ２２Ｎａ的衰变纲图 Ｆｉｇ
（１．１）
变成丫光子的现象，这个现象称为正电子湮没。根据ｅ＋每对湮没后发射光子的数目不同， 可分为单光子湮没、双光子湮没和多光子湮没。以双光子湮没为例，如果ｅ＋．ｅ。对湮没前 是静止的，按（１．１）式，湮没后所产生的两个丫光子的能量均为５１ｌｋｅＶ。图１．１是ｅ＋吒－
双光子湮没示意图。
广西大学硕士掌位截咒炙
１．１．１正电子与正电子湮没 正电子（ｅ＋）是电子（ｅ－）的反粒子，Ｄｉｍｃ于１９３１年首先在理论上预言了它的存
正电子湮没实验方法_lx-1
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；
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！。
Scu正电子湮灭寿命谱——刘家威,黄永明,唐奥
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 measurementLiu 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。
物理效应及其应用—其它物理效应
这种非均匀介电常数短时间（或高频）的“电容性” 电压分布，演变为非均匀电阻率的长时间（或低频）的电
阻性电压分布的弛豫现象，称为麦克斯韦－瓦格纳效应。
第十页，共36页。
麦克斯韦－瓦格纳效应
•可以通过分析如图6-8所示的双层结构来 理解这个效应,图(a) 表示介电常数和电导
率分别为 １、２ 和 １、２的双层结
一连串冲击阻力，由上可知，光子原子共振散射的净效果是原子在运动的相反方向受 到阻力，称为散射力。散射力大小比例于光子动量和散射速率（即单位时间内原子散 射光子数目）。
在共振散射时，散射力最大,随着原子速度减小,由于多普勒效应，共振散射条件得不到满 足，阻尼效果变坏。为了在原子减慢下来时，仍保持大的阻尼散射力，一个曾经用过的方 法是调谐激光频率，以抵消多普勒频移。
第二节 弹 光 效 应
•1816年Sir Davld Brewstet 发现透明 的各向同性物质会由于应力而出现 光学各向异性，原来不具双折射的各 向同性物质表露出力致双折射的现象， 称为弹光效应（photoclasticity）。
•各向同性的透明材料，在压力或拉 力作用下好似成了负的或正的单轴晶 体，光轴处于应力方位，诱导出的双 折射效应正比于应力。
卡斯米尔效应
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。
正电子湮没技术[1]
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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
正电子湮灭
正电子湮灭正电子湮灭仪正电子湮没技术（PAT）是一项相对较新的核物理技术。
它利用凝聚态物质中正电子的湮没辐射来揭示物质的微观结构、电子动量分布和缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究方法，受到人们的青睐。
目前正电子湮没技术已进入固体物理、半导体物理、金属物理、原子物理、表面物理、超导物理、生物学、化学和医学等诸多领域。
特别是在材料科学研究中，正电子在微缺陷和相变研究中发挥着越来越重要的作用。
正电子湮灭技术的发展概况正电子湮没是一种核技术，可以研究气体、液体和固体（晶体或非晶），因此研究领域非常广泛。
由于正电子主要与物质中的活跃电子相互作用，因此获得的信息能更好地反映物质的电子结构和化学环境的变化。
它提供了比光谱、质谱、核磁共振和电子自旋共振更多的信息。
该技术不仅需要亚纳秒电子技术，而且设备和数据处理简单，易于建立和掌握。
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。
正电子湮没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。
正电子湮没寿命谱测量
可见，峰值点大约在 2.7 左右。 2、能窗调节 能量 1.28MeV 0.511Me19
3、正电子能谱 由于系统不稳定， 始终无法得到正电子能谱， 故而取用之前同学做过的一个结果来做数 据处理。原始数据如下： 通道 计数 通道 计数 389 0 401 2 390 0 402 2 391 1 403 4 392 0 404 5 393 0 405 5 394 0 406 12 395 1 407 15 396 0 408 29 397 0 409 52 398 2 410 70 399 0 411 77 400 1 412 103
【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
正电子湮没技术[1]
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正电子湮没技术[1]
空位型晶体缺陷
❖ 空位型缺陷包括： 空位 刃型位错 空位团 微孔洞等。
空位
正电子湮没技术[1]
刃位错点阵示意图
正电子湮没技术[1]
堆垛层错缺陷
正电子湮没技术[1]
晶粒间界
正电子湮没技术[1]
缺陷的表示符号
v 点缺陷名称：空位缺陷用V，杂质缺陷则用该杂 质的元素符号表示，电子缺陷用e表示，空穴缺陷 用h表示。
正电子湮没技术[1]
正电子素
v 在气体、液体和某些固体介质中，正电子能 够束缚一个电子而形成一种短寿命的原子即 正电子素(Positronium，简写为Ps)。
v 可以认为Ps是一种最轻的原子，因为其原子 量只有氢原子的1/920。
v Ps的结构类似于氢，其原子半径约为氢的两 倍，而结合能只有氢原子的二分之一。
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]
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 在固体中，只有在原子或分子间较宽阔的材 料如聚合物中，或在某些金属的表面才有可 能形成Ps。
正电子在物质中德湮灭寿命
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：22Na 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1en 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。
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。
第九篇 正电子湮没技术及应用
λ=πr02cne = 4.52×109ρZ/A（s-1）
由表达式可以看出，湮灭几率λ与正电子的速度 无关。通过测量λ就能直接求出正电子湮灭时它所在 处物质的电子密度ne； 因此，正电子能够用作检验介质中电子密度的一 种检验粒子。
18
湮灭信息反映物质中电子的动量分布。
P湮灭对的动量 光子的动量
放射性同位素 及其试剂
C15O,C15O2, 15O
12N,12N-谷氨酸，
12N
12C(d,n)12C(p,n) 16O(p,d)10B(α,n)
12NH2，12NaO
11CO,11CO ,11C2
13C
11B(p,n)10B(d,n) 10B(α,n) 14N(p,
α)
葡萄糖
19F
15O(p,n)19F(n,2n) 19F(d,n)20Ne(d,
7
4、正电子的基本物理特性
正电子是电子的反粒子；又称阳电子，一般用符号e+ 表示。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。 正电子的来源 宇宙射线中的正电子 放射性核素的正β+ 衰变
22Na
positron β decay
energy
Eγ=1277 keV
8
电子对效应
29
1、对金属材料辐照效应的研究 正电子寿命实际上反映了空洞的直径， 因此正电子湮灭技术可以作为探测小空洞的 生长情况和材料发生膨胀的一种敏感探针。
30
31
32
2、正电子湮灭技术在医学上的应用实例
放射性同位素
15O
半衰期（分）
2.04 9.96 20.4 109
主要产生方式
16O(n,2n)14N(d,n) 12C(d,n)
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。
【国家自然科学基金】_电子动量分布_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
fe3o4 ev color co2 ch4
1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
科研热词 锥形管 载波包络相位 电离时间 椭圆偏振激光脉冲 晶格玻尔兹曼方法 改进的动量交换法 悬浮粒子 强场双电离 康普顿轮廓 双电子复合 原子与分子物理学 共振转移激发
53 54 55 56 57
2011年 科研热词 高功率微波脉冲 非次序双电离 铅-铅碰撞 逃逸时间 近场光镊 超宽带 纵向动量分布 纳米操作 等效电场 窄带 碰撞阈值 相对论效应 相关搜索 直线对撞机 界面缺陷 电离反应 电子对撞机 电子动量谱 电子关联 电子 电场 生产速度 球高斯分布极化势 流化床 流体模型 气体绝缘 正电子湮没 正电子 横质量分布 横向动量分布 无量纲准数 放大准则 振动激发 扭曲波效应 弹性散射 库仑引力 寿命谱 夸克对 大颗粒 多源理想气体模型 多普勒展宽谱 动量迁移散射截面 击穿阈值 冷模实验 冲击能量 光阱力 光纤探针 二茂铁分子 三维时域有限差分法 zno tc2模型 h2分子碰撞 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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1.28MeV
2.6% 2.9%
1.18MeV
4.2% 4.4%
1.33MeV
3.1% 3.3%
Байду номын сангаас
数据获取系统一
时间测量精度小于64ps
测试结果
时间精度测试
时间线性测试
数据获取系统二
核信号输 入
预放处理 （Preamplifier
）
触发输入
预放处理 （Preamplifier
）
抗混叠滤波 （Antialiasing）
正电子二维关联谱
正电子进入材料后经过热化、扩散和捕获等过程与 材料中的电子发生湮没而放出γ光子，通过测量产生 的γ光子的时间，能量，角度，分析正电子的湮没寿 命或者电子的动量分布，从而得到材料内部缺陷的 信息。
• 封装：石英玻璃
• 尺寸：φ25*16-18
光产额 Photons/kev
衰减时间 τ /ns
支出科目 1、科研业务费 2、实验材料费
3、仪器设备费 经费支出合计
预算
购LaBr晶体4万元 数据采集系统的元器件及制
板费用
购光电倍增管4万人民币 高压电源
累计支出
1万元 1万元
5万2千元 4千元 7万6千
结论
• 测量得到正电子二维关联谱 • 在提高计数率方面的改进
谢谢！
University of Science and Technology of China
时间优值 τ /(photons/keV)
BaF2
1.8
BrilLanCe380 63
LSO
27
NaI(Tl)
38
GSO
8
BGO
9
0.8*
0.44
16
0.25
40
1.48
250
6.58
60
7.50
300
33.3
能量
能量分辨率% 样品
1# φ25*18
2# φ25*15
0.511MeV
3.9% 4.3%
抗混叠滤波 （Antialiasing）
ADCa
125M
ADCb
DSP FPGA
输出到PC USB
线性测量
测试结果
时间分辨
187.5ps
数据获取系统三
• 实物图
测量装置
AD
3.5 x 104
3
2.5 8ns
2
1.5
1
0
50 100 150 200
Time(ns)
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时间分辨及正电子二维谱