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。

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TAC7)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PC2.2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。