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
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。

它的衰变纲图如下所示。

图1、Na 22的衰变纲图
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。

介质中正电子从热化结束到湮没这一时间间隔的长短与介质的微观结构密切相关，但正电子进入介质后的热化时间只需几个ps ，它与热化结束到湮没这段时间相比，可以忽略不计。

正电子湮没寿命的实验测量原理如下：Na 22首先发射e +，衰变到22Ne 的激发态，此激发态的激发能为1275keV ，寿命约为3×10-12s 。

22Ne 发射1275keV 的γ射线退激到22Ne 的基态。

在时间谱仪的分辨时间为10-10s 时，可以认为衰变过程的e +和γ射线是同时发射的。

因此，测量正电子寿命时，1275keV 的γ射线可作为e +诞生的时标信号，而e +湮灭时放出的两个511keV 的γ光子，可作为e +湮灭的时标信号。

测量正电子产生和湮灭的时标信号之间的时差，即得正电子寿命。

实验设备：
测理正电子寿命的实验装置称为正电子寿命谱仪。

目前常用用的有快--慢符合系统和快--快符合系统，本实验采用--快符合系统。

1.寿命谱仪的组成
Na 22、Co 60放射源， 各1个
高压电源 型号556 2个
2BaF 闪烁体探测器 2个
恒比微分甄别器 型号583 2个
快符合电路 型号414A 1个
延时器 型号DB463 1个
时幅转换器 型号566 1个
NIM 机箱 型号2500 1台
多道分析器 1个
PC机 1台
2.寿命谱测量快--快符合电路
图2、快--快符合电路
22放出的1.28MeV的γ光子被起始道闪烁探整体工作过程：当放射源Na
测器所探测，从阳极输出信号经恒微分甄别器后，进入时间幅度转换的起始道；与这个1.28MeV的γ光子“同进”放出的正电子进入待测样品，经某一段时间后湮灭，放出0.511MeV的γ光子被终止道闪烁探测器探测到，产生终止信号，经恒比微分甄别器进入时间幅度转换器的终止道。

当两信号的时间差在时间幅度转换器的量程内时，可转换出一个电压脉冲幅度正比于两信号时间差的脉冲。

实验步骤
1.恒比微分甄别器阈值设定
阈值设定电路如下：
图3、恒比微分甄别器阈值设定
按如图所示的电路连接：分别从探测器的打拿极和阳极取出信号，阳极
信号经过恒比微分甄别器后输出方波作为多道的门信号，则多道显示的为打拿极的能谱，调节甄别器阈值，使多道只显示1.28MeV 和0.511MeV 的γ光子反冲电子的能谱。

对于起始道，只允许接收1.28MeV 的γ光子信号,其对应的反冲电子能量在0--1.06MeV 间，为排除0.511MeV 的γ光子信号，则其能区选在0.53--1.06MeV 间；而终止道0.511MeV 的γ光子反冲电子能量在0--0.341MeV 间，但其不可能完全排除 1.28MeV 的γ光子影响，一般选择能区0.23--0.34MeV 间。

2. 进行谱仪的时间刻度
在已定的工作条件下，将Co 60放射源放在两个探头的中间位置，调节延迟器上的延迟时间，分别测量在不同延时下Co 60的瞬时符合谱。

记录下该谱的峰位中心道址。

3. 选取最佳延迟时间
调节不同的延迟时间，记录在相同时间条件下测得的谱的峰位计数，取峰位最稳定延迟时间作为最佳延迟时间，在最佳延迟时间下进行瞬时符合谱及寿命谱的测量。

4. 测量Co 60源的瞬时符合谱，确定谱仪的分辨时间
由于Co 60源很容易获得，且级联发射的1.17MeV 和1.33MeV 两条γ射线。

因中间能级的寿命很短（小于10-12秒），故此两个γ光子可被认为是同一瞬时发出的。

在已选定的最佳延迟时间等工作条件下，测量Co 60两个γ光子的时间谱，得到一个高斯型的曲线，即称为瞬时符合谱，Co 60瞬时符合谱的半宽度FWHM 来表征时间谱仪的分辨时间大小。

5. 测量样品的正电子寿命谱
将Co 60源换成夹着两个Al 片的Na 22源，在已选定的最高压、恒比微分阈值、最佳延迟时间等条件下测量正电子在Al 中湮灭的寿命谱。

在已选定的工作条件下测量该样品的正电子寿命谱。

为满足统计精度要求，每个谱的总计数在106个以上。

6. 谱数据处理
使用解谱程序，调整解谱参数，以获得满意的合理结果。

实验数据处理
1.恒比微分甄别器阈值设定
由实验报告中的电路调节阈值，使起始道和终止道分别接收1.28MeV 和0.511MeV 的γ光子产生的脉冲信号，用甄别器对幅度进行选择，让满足条件的信号通过。

起始道阈值：0.4——1.31
终止道阈值：0.4——0.6
2.对谱仪进行时间刻度
时间刻度拟合方程：
则每道所对应的时间为9.99ps。

3.选取最佳延迟时间
在多道中，预设测量时间为1000s，在不同延迟时间条件下峰位的计数随道数的变化：
60源在所选定阈值下的计数较低，峰位计数随延时的变化不明显，由于Co
则将最佳延迟时间选在12ns—24ns这段较为稳定的时间段中，选择最佳延迟
时间为20ns 。

4.测量Co 60源的瞬时符合谱
在选定的能窗，最佳延迟时间等条件下，测量Co 60源的瞬时符合谱。

测得Co 60源的瞬时符合谱半高宽：2
则由每道所对应的时间可知：分辨时间 t = 2*9.99ps = 19.98ps
5.测量样品的正电子寿命谱
利用解谱程序：
ITERATION CYCLE NO 1 COMPLETED
1
P O S I T R O N F I T .. VERSION MAR 89 .. JOB TIME 11:26:39 01-JUN-13
************************************************************************ No 1-1
************************************************************************
L T I B Z A G
3 00 1 0 0 1
TIME SCALE NS/CHANNEL : 0.0100
AREA RANGE STARTS IN CH. 1 AND ENDS IN CH.1000
FIT RANGE STARTS IN CH. 50 AND ENDS IN CH. 800
RESOLUTION FWHM (NS) : 0.2200
FUNCTION INTENSITIES (%) : 100.0000
SHIFTS (NS) : 0.0000
INITIAL TIME-ZERO (CH.NO): 52.0000G
PARAMETERS LIFETIMES (NS) : 0.1500G 0.4000G 1.2880G
BACKGROUND FIXED TO MEAN FROM CH. 750 TO CH. 900 = 19.7815 ----------------- N O S O U R C E C O R R E C T I O N ----------------
####################### F I N A L R E S U L T S #######################
L T I B Z A G
3 0 0 1 0 0 1
CONVERGENCE OBTAINED AFTER 28 ITERATIONS
V ARIANCE OF THE FIT = 2.372 WITH STANDARD DEVIATION 0.052
CHI-SQUARE = 1764.58 WITH 744 DEGREES OF FREEDOM
SIGNIFICANCE OF IMPERFECT MODEL = 100.00 %
LIFETIMES (NS) : 0.0714 0.2766 1.4059
STD DEVIA TIONS : 0.0031 0.0023 0.0102
INTENSITIES (%) : 3.8965 67.0319 29.0716
STD DEVIA TIONS : 14.9260 87.6526 27.2744 BACKGROUND COUNTS/CHANNEL : 19.7815
STD DEVIA TIONS : MEAN
TIME-ZERO CHANNEL NUMBER : 71.3924
STD DEVIA TIONS : 136.4187
TOTAL-AREA FROM FIT : 6.18341E+05 FROM TABLE :
6.17848E+05
######################### P O S I T R O N F I T ########################
1
TIME FOR THIS JOB: 0.60 SECONDS.
实验结论
在解谱程序中设置了寿命谱包含三种寿命成份，解谱得三种寿命成份分别为：0.0714ns，0.2766ns，1.4059ns。