實驗報告—正電子在物質(zhì)中的湮壽命測量—吳香奕、譚萬斌、周健欣(1)

1、正電子在物質(zhì)中的湮沒壽命測量吳香奕1，譚萬斌1，周健欣1（1四川大學 物理科學與技術(shù)學院，四川 成都 610065）摘 要：電子在物質(zhì)中的飛行時間和距離與物質(zhì)材料內(nèi)部的電子密度，空間結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。正電子和電子與材料的相互作用的機理相同，但正電子在損失完能量后會與材料內(nèi)的電子發(fā)生湮沒，產(chǎn)生特殊能量光子使得其在材料中的飛行時間更易測量。所以為了探測材料內(nèi)部的電子密度和空間結(jié)構(gòu)，通過研究正電子在其物質(zhì)中的湮沒壽命，可以給出相應的結(jié)果。本實驗采用22Na放射源來提供正電子，用閃爍體探測器探測到22Na放射源放出正電子的極短時間內(nèi)放出的1.28MeV的光子為壽命起點，正電子湮沒產(chǎn)生的0.511MeV的光

2、子為壽命終點，利用快符合電路系統(tǒng)測量湮沒壽命，以此推測材料的電子密度和空間結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：正電子;湮沒;壽命中圖分類號： 文獻標志碼：AThe Measurement of Positron Annihilation Lifetimein specific materialWu Xiangyi, Tan Wanbin, Zhou Jianxin (School of Physics, Sichuan University, Chengdu, 610065)Abstract: Positron lifetime analysis provide an effective and sensitive

3、 way for study of solids constructions and distributions of electrons. This experiment use 22Na to provide positron and use scintillation detectors to detect photos with specific energies. When the detector find the photo in 1.28MeV, we see this moment as the start of the positron lifetime. When the

4、 detector find the photo in 0.511MeV, we take this moment as the end of the positron lifetime. Though the measurement system and the multichannel pulse analysis, the experiment gives the positron lifetime spectrum, to analyze the samples constructions and distributions of electrons.Key Words: Positr

5、on; Annihilation; Lifetime11正電子湮沒技術(shù)主要用于正電子無損檢測技術(shù)，它的發(fā)展是建立在物理學和材料學等學科的基礎(chǔ)上的，它能給出材料中缺陷的位置、種類和數(shù)量等信息，比常用的宏觀或細觀損傷判據(jù)更靈敏，可方便、快速及高靈敏探測兩維缺陷分布，是研究材料缺陷和結(jié)構(gòu)的重要手段，因而對設(shè)備的維護和安全具有重要的意義。在工程中的應用也越來越廣泛。它對樣品的種類幾乎沒有什么限制，可以是金屬、半導體，或是絕緣體、化合物、高分子材料；可以是單晶、多晶、納米晶、非晶態(tài)或液晶。只要是與材料的電子密度、電子動量密度有關(guān)的問題，原則上都可以用正電子湮沒的方法進行研究。它所研究的樣品一般不需要特殊

6、制備，其制樣方法簡便易行。正電子湮沒技術(shù)對材料中原子尺度的缺陷和各種相變非常靈敏。如今正電子湮沒技術(shù)作為一種新型的應用核分析技術(shù)，已廣泛應用于材料科學、物理、化學、生物、醫(yī)學、天文等領(lǐng)域。1 正電子和正電子與物質(zhì)的相互作用1.1正電子正電子是輕子，只參與電磁相互作用。許多屬性和電子對稱。正電子與電子質(zhì)量相等，帶單位正電荷，自旋為1/2h，磁矩與電子磁矩大小相等，方向相反。產(chǎn)生方式：（1）能量大于1.02MeV的光子與物質(zhì)發(fā)生電子對效應。（2）放射性元素的+衰變（3）核反應1.2正電子與物質(zhì)的相互作用由放射性元素的衰變特性可知，正電子來自放射性元素的+衰變，即： 在正電子淹沒實驗中的正電子一般采

7、用22Na放射性同位素的+衰變得到。（1）自由湮沒：指正電子慢化后以自由態(tài)與電子發(fā)生湮沒，放出兩個方向相反的0.511MeV的射線，有1/372的幾率放出3個光子，極小的幾率放出1個或4個光子。 根據(jù)狄拉克推導的雙光子湮沒截面的非相對論極限，得出正電子的湮沒壽命由正電子所在處的電子密度決定，這就是利用正電子湮沒研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。湮沒放出的兩個光子之間的夾角取決于與正電子發(fā)生湮沒的電子的動量。根據(jù)湮沒光子的角分布可以研究電子的動量分布和測定金屬的費米能。（2）生成電子偶素后湮沒：在某些介質(zhì)中，正電子和電子會形成類似氫原子結(jié)構(gòu)的束縛態(tài)，稱為電子偶素（縮寫為Ps）。Ps分為p-Ps和o-P

8、s兩種，仲態(tài)電子偶素p-Ps壽命為0.125ns，放出2射線，正態(tài)電子偶素o-Ps壽命很長，為142ns，放出3射線。o-Ps和物質(zhì)原子碰撞或受磁場作用很容易淬滅，并放出2。所以，正電子湮滅主要有三種方式：單光子湮滅，雙光子湮滅及三光子湮滅，三種湮滅過程的截面1、2及3有以下關(guān)系：1：2=3，3：2=（為精細結(jié)構(gòu)常數(shù)，=1/137）,由此可知雙光子湮滅的截面遠大于另外兩種湮滅截面。通過觀察湮沒輻射來研究正電子在材料中的湮沒，發(fā)現(xiàn)湮沒壽命與材料的電子密度有關(guān)，在致密介質(zhì)中，壽命值在0.10.5ns間變化。正電子在晶格中一般為自由湮沒，一旦介質(zhì)中出現(xiàn)缺陷（如空位，位錯，微空洞），缺陷中電子密度較低

9、，由于庫倫作用力，正電子更容易被捕獲以后再湮沒。束縛態(tài)正電子的壽命一般大于自由態(tài)正電子的壽命。材料的缺陷線度越大，正電子越容易被捕獲，壽命越長，故壽命的長短反映了缺陷的大小和種類。缺陷的濃度越高，相應長壽命成分的相對強度也越大，長壽命成分的強度反映了缺陷的濃度。因此對正電子壽命譜的研究和測量，求解壽命譜中正電子在介質(zhì)中的湮沒壽命值和對應的強度，可以為材料的微觀結(jié)構(gòu)，缺陷類型，缺陷濃度提供很多信息。2 實驗設(shè)計方案2.1實驗原理實驗中，我們采用22Na放射源，Al為湮沒材料。22Na放射性同位素通過+ 衰變放出正電子后，處于激發(fā)態(tài)的子核（壽命僅3ps）幾乎立刻退激放出能量為1.28MeV的特征射

10、線。正電子與退激產(chǎn)生的射線可被視為同時生成。即1.28MeV的射線被探測到的時刻可看做正電子的起始時刻。當產(chǎn)生的正電子射入晶體時，通過與晶體中的電子或離子發(fā)生非彈性碰撞而損失能量，迅速慢化為熱正電子（能級為eV量級）；熱化的正電子與電子結(jié)合發(fā)生湮沒，放出兩個方向相反的0.511MeV的射線。即探測到0.511MeV的射線的時刻作為正電子的終止時刻。其間的時間間隔就是正電子在該物質(zhì)中的湮沒壽命。2.2實驗框圖及框圖解釋兩個探測器一個用來探測起始信號，一個用來探測終止信號。當兩個探測器輸出的信號時間間隔在一定范圍內(nèi)時，認為其是有效信號，開啟時幅轉(zhuǎn)換器，記錄經(jīng)過延時器延時以后的間隔時間。并將間隔時間

11、輸入多道進行統(tǒng)計。恒比甄別器既具有時間信息的拾取和分析功能，又有能量選擇功能。它既給出定時脈沖，由TAC將起始和終止定時脈沖間經(jīng)過延時后的的時差轉(zhuǎn)換成相應幅度的脈沖；又輸出經(jīng)過特定能窗選擇的分析脈沖，兩路對同一湮沒時間進行快符合。為了避免噪聲對于符合電路的干擾，降低偶然符合，恒比甄別器中的預甄別器閾值需要調(diào)節(jié)到合適范圍。測量起始1.28MeV光子的探測器后接甄別器，為了排除噪聲及湮沒光子的干擾，閾值應大于0.53MeV。測量0.511MeV光子的探測器后接甄別器，為了排除噪聲及起始光子干擾，閾值應調(diào)節(jié)在0.23MeV-0.53MeV之間。 圖1.快-符合壽命譜儀實驗器材：樣品材料 Al60Co

12、放射源和22Na放射源各一個高壓電源 一個BaF2閃爍體探測器 兩個 恒比甄別器 583 兩個展寬器 一個快符合電路（414） 一個延遲箱（DB463） 一個時間幅度轉(zhuǎn)換器(TAC556) 一個多道分析系統(tǒng) 一套NIM機箱（2500）一個信號發(fā)生器 一個示波器 一個3 實驗儀器的選擇3.1正電子源的選擇常見的正電子源：利用由回旋加速器通過核反應制備的：11C、13N、15O、18F：半衰期很短，廣泛用于核醫(yī)學。另外，具有+衰變的幾個放射性核素及其性質(zhì)如下：表1.幾個+放射性核素的性質(zhì)其中22Na是實驗中最常用的正電子元，這是因為，它的半衰期較長，為2.6年，不需要經(jīng)常更換，適合長期實驗；并且能

13、比較方便地制成適合于正電子壽命譜測量所用的源；比較便宜；它的能量為1.28MeV的伴隨射線很適合于作為壽命譜的起始信號。22Na衰變產(chǎn)生的正電子能譜連續(xù)分布，峰值為178eV，最大值為0.545MeV。衰變綱圖如下： 圖2.22Na的衰變綱圖3.2 探測器的選擇表2.幾種無機閃爍體的性質(zhì)從上表中可以看出BaF2的時間優(yōu)值遠高于其他閃爍體。另外目前最廣泛用于時間測量的也是BaF2。雖然塑料閃爍體的時間響應優(yōu)于無機閃爍體，但其光產(chǎn)額低，產(chǎn)生的信號幅值小。所以最終采用BaF2閃爍體探測器。3.3甄別器的選擇583恒比定時甄別器，既對快信號做恒比定時，又對信號幅度進行選擇。其定時點與幅度無關(guān)，能消除幅

14、度變化引起的時間游動，而不能消除達峰時間變化所引起的時間游動。然而，閃爍體探測器的輸出脈沖幅度是變化的，但脈沖的上升時間差別并不大，所以利用恒比定時電路，更能滿足實驗測量要求。它對提高時間譜儀系統(tǒng)的時間分辨率起著關(guān)鍵作用。另外恒比甄別器中包含預甄別器，可以用來調(diào)節(jié)能窗，既能減少噪聲的干擾，又能夠?qū)δ芰窟M行選擇。3.4符合電路的選擇選擇快快符合而不是快慢符合，快快符合電路比快慢符合電路有兩個明顯的優(yōu)點：一、由于省去兩個慢的能量選擇通道，因此電路結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，使用和維修方便。二、由于采用快符合技術(shù)，分辨時間明顯減小。這種電路可用于較強的放射源，提高計數(shù)率，縮短實驗的累積時間，這有利于減少定時

15、漂移，提高時間分辨率。3.5時間幅度變換器的選擇時間信息變化有計數(shù)式時間-數(shù)碼變換、游標尺計時器、和時間幅度變換等方法。其中時幅變換法是最常用的一種。這是由于它具有時間道寬可以做的很小，測時精度高，道寬和測量范圍容易改變，變換時間短等優(yōu)點。4 實驗操作步驟4.1材料的準備(1)在正電子實驗中為了保證正電子在樣品中湮沒而不穿出，要求樣品厚度應為正電子在其材料中射程的3-5倍。所以準備兩片一定厚度的樣品材料Al，保證正電子在其中能夠湮沒。然后試驗系統(tǒng)搭建時，將放射源置于兩片Al材料中間。(2)準備一個60Co放射源,用來做時間刻度.4.2恒比甄別器的閾值調(diào)節(jié)按如圖連接儀器：分別從探測器的打拿極和陽

16、極取出信號，將慢信號接入多道分析器輸入接口，將快信號輸入恒比甄別器的輸入端口，在多道分析器門控輸入端末端接入甄別器單道的輸出信號經(jīng)過展寬器以后的輸出信號。門控先設(shè)置為不符合（off）狀態(tài)，得出全能譜。然后將符合方式置于符合狀態(tài)，此時慢信號能否進入多道受到甄別器上下閾值的影響。當快信號的幅度，落在恒比甄別器的上下閾值之間的時候，多道分析器的門打開，慢信號進入多道分析器進行計數(shù)，否則不打開，不能被多道記錄。調(diào)節(jié)甄別器的上下閾值與慢信號的原始能譜比較，使其只顯示與1.28Mev和0.511Mev的光子的峰位對應的能譜。閾值的選擇要綜合考慮計數(shù)率和能量分辨率。以下是調(diào)節(jié)閾值過程中看到的幾個能譜。（1）

17、起始道（1.28MeV）甄別器輸出信號與慢信號符合輸出的能譜全能譜： 0.50-0.70: 0.46-0.70: 0.40-0.70: 0.30-0.70:故：起始道甄別閾的上下閾值選為0.30-0.70.（2）終止道（0.511MeV）甄別器輸出信號與慢信號符合輸出的能譜 原始能譜： 0.50-1.20： 0.60-1.16： 故：終止道甄別器的上下閾值選為0.60-1.164.3系統(tǒng)的搭建將實驗器材按照實驗原理框圖搭建，4.4延時調(diào)節(jié)延時箱的作用在于選擇延遲時間，使得時間幅度轉(zhuǎn)換器（TAC）工作在線性良好的區(qū)域，故需要選擇最佳的延遲時間。在本實驗中，我們用60Co放射源在22Na能窗條件下

18、測量。改變延時箱的延遲時間分別測量壽命譜，記錄每個延遲時間下對應峰面積內(nèi)360s內(nèi)的總計數(shù)，記錄在表一如下：延時（ns）0481216202428323640計數(shù)319284313313326286316302356294320表1 峰面積計數(shù)隨時間延時的變化以延遲時間為橫坐標，峰面積總計數(shù)為縱坐標，畫出延時和計數(shù)之間的折線圖，觀察找到波動較小的區(qū)域計數(shù)延時（ns）由圖可知，當延遲時間在8-28ns區(qū)間時，計數(shù)隨延遲時間的變化較小，時幅轉(zhuǎn)換器的線性較好。另外，考慮到多道分析器的線性，壽命譜峰位最好在屏幕的1/3處，因此我們選用的延遲時間為14ns。4.5 參數(shù)的設(shè)置下閾上閾起始道（1.28Me

19、V）0.400.70終止道（0.511MeV）0.601.16符合分辨時間：40ns延時箱： 延遲時間 14ns多道增益：81924.6 讀取數(shù)據(jù)將系統(tǒng)的參數(shù)按上述描述設(shè)置，多道符合選擇off,開始測量正電子壽命譜。測量時間為247993s(大約69h),采集了1.00274×106個數(shù)據(jù)，峰位道址約為3000，以下為測得的壽命譜：4.7時間的刻度以上所測得的是一個恒比甄別器輸出的起始信號和另一個恒比甄別器輸出的終止信號的時間差，即湮沒壽命加上所選的延遲時間，再加上系統(tǒng)固有的延時，所得到的總的時間差，經(jīng)過時間幅度轉(zhuǎn)換器線性轉(zhuǎn)換成一個脈沖幅度，通過多道分析器在不同道址上分別記錄不同幅度

20、的脈沖的個數(shù)所得到的譜。其中道址代表幅度，需建立起道址與時間的對應關(guān)系，即時間刻度，才能得到真正的壽命譜。本實驗中，以60Co放射源代替22Na放射源，儀器連接，能窗均不變，逐漸改變終止道在延時箱上的延遲時間，測量并記錄不同延遲時間所對應的峰位道址。結(jié)果如下表所示：延時（ns）121314151617181920道數(shù)266528152987312732973452361837713940表2 峰位道址隨時間延時的變化作圖擬合（下圖為Eviews8 擬合出的結(jié)果）：用最小二乘法擬合得到延遲時間與峰位道址的函數(shù)關(guān)系(8196道)：Delay time=0.00627×channel-4.

21、6988196道時，每一道為0.00627±3.36×105ns4.8 時間分辨率測量譜儀分辨率是譜儀系統(tǒng)性能指標的重要參數(shù)。在本實驗中，我們采用60Co放射源在22Na的能窗條件下，對60Co發(fā)生衰變后產(chǎn)生的兩個光子做符合測量來得到系統(tǒng)的時間分辨率。60Co發(fā)生衰變后產(chǎn)生的兩個能量分別為1.17MeV和1.33MeV的級聯(lián)光子，可認為是同時發(fā)生。測到的時間譜近似為一個高斯曲線。取高斯分布半高處的全寬度（FWHM）為譜儀的時間分辨率。FWHM值越小表示時間分辨率越好，它的正確測量將直接影響湮沒壽命譜的數(shù)據(jù)處理。一般要求正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率在200-300ps.下圖

22、為多道顯示的時間譜（測量時間720s,多道分析器多道增益8192，延遲時間為0ns）由matlab擬合得：半高寬：FWHM=43.536時間分辨率：R=5.74%將半高寬 道轉(zhuǎn)換為時間：由上面的時間刻度可知每道對應的時間為 0.0063 ns，0.0063*43.536 ns =0.274 ns= 274 ps，所以符合正電子壽命測量的時間分辨率的一般要求。5解譜由于解譜軟件POSFIT只能解譜4096道的，但我們測的時候設(shè)成了8196道， 我們小組先用C語言將8192道轉(zhuǎn)成了4096道，C程序如下：將8096道譜轉(zhuǎn)成了4096道譜（用白立新老師編寫的MCA4K查看如下）：再用POSFIT解譜

23、輸出文件如下：正電子在鋁（Al）中湮沒的壽命譜解譜結(jié)果如下表： 壽命成分12壽命值0.19230.9927標準偏差0.00070.0086份額85.534914.4651標準偏差0.16780.16786 結(jié)果分析當熱化的電子速度遠小于光速時，狄拉克證明其淹沒幾率=R02CNe，=1/，（為湮沒率，R0=2.82×10-15m為經(jīng)典電子半徑， C為光速，大小為3×108m/s，為正電子壽命）所以根據(jù)實驗所測壽命，1=192ps，Ne1=6.94×1029m-3，2=993ps，Ne2=1.34×1029m-3。7 影響實驗壽命值的若干問題在正電子湮沒壽命測量實驗中，有許多因素都會影響最終所得的實驗壽命值，比如各種參數(shù)的設(shè)置，實驗條件的選擇，數(shù)據(jù)處理方法等等，此