正电子在物质中德湮灭寿命
正电子寿命
正电子寿命
什么是正电子寿命？正电子寿命是指物理上普遍存在的电子在
带正电荷的状态下能够免受量子效应之影响而持续存在的时间。
正电子寿命几乎接近不变，会在原子核与表面结构处于不良影响条件时有所变化。
此外，正电子寿命也会随着时间的推移而不断增长，大约每十年增加一倍。
正电子寿命在物理学领域的重要性
正电子寿命是物理学领域中非常重要的参数之一。
它可以用来解释物质的性质和表现形式，例如其导电性、热导性以及磁性等。
此外，正电子寿命还可用于研究电子结构、电子能量等物理现象，因此它是一个重要的技术参数。
表征正电子寿命的定义
正电子寿命是指电子在正电荷的状态下能够免受量子效应之影
响而持续存在的时间。
一般来说，普通原子的正电子寿命为10-14秒，而多原子分子的正电子寿命可以达到10-8秒。
正电子寿命的影响因素
正电子寿命受到很多外界因素的影响。
首先，正电子寿命会受到原子核和表面结构的影响，当这两个结构处于不良状态时，会影响正电子寿命，使其变短或变长。
此外，正电子寿命也会随着时间的推移而增长，大约每十年增加一倍。
正电子寿命的应用
正电子寿命的研究主要用于研究物质的性质和表现形式，例如电
子结构、电子能量等物理现象。
此外，正电子寿命还可以用于分析量子效应、热振动效应、表面玻尔兹曼散射等现象，因此它是一个重要的技术参数。
结论
正电子寿命是物理学中一个重要的参数。
它可以用来解释物质的性质和表现形式，以及用于研究量子效应、热振动效应、表面玻尔兹曼散射等现象。
因此，正电子寿命对于研究物理学具有重要意义。
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。
- 1 -。
正电子湮没寿命谱数据处理方法
ｏｎ
ｔ１１ｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｅａｒＣｈ
ａｌｇｏｒｉｍｍ
（ＧＡ），
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ｍｕｌｔｉ－ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ缸ｎＣｔｉｏｎ
ａｎｄ ｍｅｉｒ ｃｏ玎ｅｓｐｏｎｄｉｌｌｇ ｗｉｔｌｌ廿ｌｅ ｆｉｔｔｉＩｌｇ
ｆｉｔｔ吨ｏｆ ｔｈｅ ＰＡＬＳ ｈａＳ ｂｅｅｎ ａ仕ｅｍｐｔｅｄ．Ｔｈｅ ｌ漱ｉＩｌｌｅｓ
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ｗｅｒｅ砌ｎｅｄ．ＣｏＩｎｐａｒｅｄ
ｄｏｅｓｎ’ｔ ｌｅａｄ
ｔｏ
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
正电子湮没谱学-笔记
目录正电子湮没谱学简介.................................................................................- 2 - 正电子湮没寿命谱......................................................................................- 6 - 正电子湮没多普勒展宽能谱.......................................................................- 8 - 正电子湮没角关联谱................................................................................ - 10 - 慢正电子束流技术.................................................................................... - 11 - 脉冲慢正电子束 ....................................................................................... - 13 - 装置配件 .................................................................................................. - 14 - 文献分析 .................................................................................................. - 18 -正电子湮没谱学简介e+和e−具有相等的静止质量m0=9.1×10-31kg，所带电荷的数值都为单位电荷e=4.8×10-10静电单位，但电荷性质相反，二者具有相等的磁矩ge/(2m0c)。
分析正电子的湮没寿命或者电子的动量分布
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
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。
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
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。
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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。
（2） 测量正电子寿命的实验原理常用的β+源是22Na 源，它的衰变纲图如图1所示。
22Na 首先发射e +，衰变到22Ne 的激发态，此激发态的激发能为1280keV ，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。
图1、22Na 的衰变纲图（3） 固体中的正电子湮灭寿命分析 在晶格完整的金属内部，正电子湮灭是自由态湮灭，正电子寿命谱基本上可用单指数函数描述，即0()t Y t N e λ-=，湮灭寿命1τλ=。
通常的实验中，正电子寿命谱包含有几个指数衰减成份，正是由于金属晶格中存在缺陷。
当金属中出现单空位缺陷时，正电子被缺陷捕获后不再自由扩散，缺陷处的电子密度较低，因此正电子的寿命增长。
01()j ntj j Y t N eλ-==∑解谱时需要从最后一个时间成分开始反解。
由于12n λλλ>>> ，当t 足够大时，0()n t n Y t N e λ-≈，取对数有0ln ()ln n n Y t N t λ≈-，求斜率即得到n λ和n τ。
类推，1001()n n t t n n Y t N e N e λλ-----≈，()0011ln ()ln n tn n n Y t N e N t λλ----≈-；……………………10012()j nttj j Y t N eN eλλ--=-≈∑，00112ln ()ln j n t j j Y t N e N t λλ-=⎛⎫-≈- ⎪⎝⎭∑；逐项迭代，最终得到各个湮灭成分的寿命1τ、2τ……n τ。
（4）电子学插件的线路框图图2、测量正电子寿命的时间谱仪原理图四、实验步骤：○1按图2所示线路图连接仪器，预热10min，打开微机，进入多道UMS；○2将60Co放射源置于样品架上，调节探头I和II的工作电压和放大倍数，使康普顿谱的半高约在700-800道。
探头Ⅰ高压量程取为2keV，高压调节钮读数8.4，探头II高压为1500+300V；○3调节I和II路单道的阈值和道宽，取半高点为N0，道宽对应的多道宽度为ΔN，使ΔN/ N0≌45%。
根据两路各自的测量结果，对I路选择阈值为404道，道宽332道，对II路选择阈值为410道，道宽336道；○4用延迟线单元对时幅变换器进行时间刻度，延迟时间分别取16ns、20ns、24ns、28ns、32ns，测量峰位道址，通过线性拟合得到时间刻度；○5取延迟时间16ns，测量有能选时60Co的瞬时符合谱，与无能选时的符合谱比较时间分辨率，观察能选对分辨时间的影响；○6固定I路的符合单元延迟时间，调节II路的延迟时间，用定标器每次计数30s，测量Nc-t d曲线，确定II路的最佳延迟时间；○7换上22Na源，分别找到慢道1275keV的γ峰和快道511keV的γ峰，调节各自单道的阈值和道宽，使道宽对峰位半高点的比值ΔN/N0≌40%，符合后作为能选信号输入时幅变换器的“选通”端；○8开始测量正电子的湮灭寿命，测量时间约为10000s，使峰值计数累计到7000以上，打印正电子的湮灭时间谱及每道计数。
拟合出长短两个寿命，长寿命取30-40道数据，短寿命取约20道数据；○9 将放射源放回铅盒内，降下高压，关闭电源，归整仪器。
五、实验结果和分析（1）利用60Co 射线刻度时幅变换器 5个不同延迟时间的测量谱如图3所示：1416182022242628303234T / n sV图4、时幅变换器的时间刻度曲线线性拟合结果：T (ns) ＝ B*V +AParameter Value Error------------------------------------------------------------ A 8.95585 0.03065 B 0.05268 1.00445E-4------------------------------------------------------------ R SD N P------------------------------------------------------------ 0.99999 0.02412 5 <0.0001------------------------------------------------------------（2）能选对时间分辨率的影响：使用60Co 射线测量，延迟时间取为16ns ，有能选的测量时间谱如图5所示由表2可见，加入能选之后，系统地时间分辨率得到了一定的提高。
（3）符合单元的最有延迟时间选择：20406080100120140160180200220240260280Nc t d / us图6、计数Nc 与符合单元的延迟时间td 的关系曲线由图6可见曲线的半高点位于td=2.0us 和4.7us 处，故取最佳延迟时间Td=(td 1+td 2)/2=3.3us（4）正电子湮灭寿命测量：用I 路作为快道记录1280keV 的γ射线，单独测量得康普顿峰的右侧半高点道址为N 0=740，调节单道的阈值和道宽，使计数起始道址为406，道宽334；用II 路作为快道记录511keV 的γ射线，单独测量得康普顿峰的右侧半高点道址为N 0=252，调节单道的阈值和道宽，使计数起始道址为126，道宽126；按图2所示同时测量两路的信号，得到的时间谱如图7所示。
可以明显看出时间谱中至少存在一快、一慢两个衰减时间成分。
011022()exp()exp()Y t N t N t λλ=-+-A ． 首先分析慢成分：取t 的时间道为172-211道，有022ln ()ln Y t N t λ=-2.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8l n Y 2(t )t图8、半对数坐标下长寿命正电子成分衰变时间谱线性拟合结果：LnY 1(t) ＝ B*t(道) + A Parameter Value Error------------------------------------------------------------ A 10.13817 0.30132 B -0.03248 0.00157------------------------------------------------------------ R SD N P------------------------------------------------------------ -0.9592 0.11255 39 <0.0001------------------------------------------------------------所以长寿命221130.7882Bτλ==≈-（道） 根据时间刻度关系ΔT (ns) ＝ 0.05268*V(道)，得2 1.62τ≈nsB ．再分析快时间成分：取t 的时间道为140-160道，有()202011ln ()ln t Y t N e N t λλ--=-5.05.56.06.57.07.58.08.59.0tl n Y 1(t )图9、半对数坐标下短寿命正电子成分衰变时间谱线性拟合结果：LnY 2(t) ＝ B*t(道) + A parameter Value Error------------------------------------------------------------ A 33.71988 0.70013 B -0.18014 0.00466------------------------------------------------------------ R SD N P------------------------------------------------------------ -0.99369 0.12941 21 <0.0001------------------------------------------------------------所以短寿命11115.5512Bτλ==≈-（道） 根据时间刻度关系ΔT (ns) ＝ 0.05268*V(道)，得2292.4τ≈ps综上分析：正电子在Al 样品中的短湮灭寿命约为292.4ps ，长寿命约为1.62ns 。