正电子湮灭
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。
正电子湮没技术
息有利于现场测量特点，在固体物理、材料科学及 物理冶金和化学等领域得到了越来越广泛旳应用。
正电子发展历史
❖ 1939年狄拉克从理论上预言正电子旳存在 ❖ 1932年安德森，1933年Blackett和Occhian Line从试验上观察到正电子
旳存在
1 d
2 d
I1
f
1
2 2
f d f d
I2
1 2
f
d
（9）
低缺陷浓度近似
❖ 当缺陷浓度很低时，和都很小，由式（4） 和（7）可近似求得如下成果：
❖ 热化后旳正电子处于正电子导带带底旳基态， 即非局域旳布洛赫态，并服从玻尔兹曼分布：
f
(E , T
)
(m
kBT
)3 2
exp(
E
kBT )
正电子在固体物质中旳捕获
❖ 在热扩散阶段，正电子波函数可能会与晶格 中旳点阵缺陷交迭。因为不具有带正电原子 实旳点阵空位是正电子旳吸引中心，假如吸 引势足够强，正电子波函数会局域到缺陷处 形成局域态或称作正电子捕获态，直到与缺 陷处旳电子湮没为止。
❖ 空位型缺陷涉及： 空位 刃型位错 空位团 微孔洞等。
空位
刃位错点阵示意图
堆垛层错缺陷
晶粒间界
缺陷旳表达符号
点缺陷名称
点缺陷所带有效电荷
×
中性
·
正电荷
’ 负电荷
缺陷在晶体中所占的格位
❖ 点缺陷名称：空位缺陷用V，杂质缺陷则用该杂 质旳元素符号表达，电子缺陷用e表达，空穴缺陷 用h表达。
❖ 缺陷符号旳右下角旳符号标志着缺陷在晶体中所 占旳位置：用被取代旳原子旳元素符号表达缺陷 是处于该原子所在旳点阵格位上；用字母i表达缺 陷是处于晶格点阵旳间隙位置。
正电子湮没寿命谱在材料科学中的应用
正电子湮没寿命谱在材料科学中的应用正电子湮没寿命谱（positron annihilation lifetime spectroscopy, PALS）是一种研究物质内部空位和微观结构的非破坏性表征技术。
它利用正电子和负电子之间的湮灭过程，探测材料中正电子的寿命特性，得到关于材料空位和缺陷的信息。
在材料科学研究中，正电子湮没寿命谱具有广泛的应用，如材料缺陷诊断、微观结构表征、材料性能研究等领域。
一、正电子湮没寿命谱的基础原理正电子湮没寿命谱是基于正电子和负电子相遇时发生湮灭的过程实现的。
正电子是带正电荷的电子的反粒子，具有很高的动能和易于运动的特点。
正电子湮灭就是指正电子和负电子相遇后消失的过程，同时会产生两个γ光子。
当正电子在物质中的能量足够低，处于几电子伏特的水平时，它将与材料中的电子形成一个束缚态，这个过程我们称之为电子-正电子对的形成。
那么，正电子在被材料中活跃的空位捕获后形成类似原子态的寿命，寿命结束时，正电子和电子相遇发生湮灭。
正电子和负电子相遇的湮灭过程，释放出了两次能量相等, 频率为511 KeV 的γ射线，这些γ射线的能量被用来确定正电子和负电子的湮灭位置。
二、正电子湮没寿命谱在材料缺陷诊断中的应用在材料科学中，正电子湮没寿命谱有广泛的应用，应用最为广泛的领域之一是材料缺陷诊断。
材料中的缺陷局限在空间结构中，可以通过正电子湮没寿命谱进行精确的检测和表征。
考虑到正电子的动能和大小，只有当正电子可以和空位相遇时，才能发生湮灭。
因此，正电子湮没寿命谱可以检测材料中的空位和缺陷。
如材料中的空穴、氢气包裹和晶粒边界等，都可以通过正电子湮没寿命谱进行检测。
正电子湮没寿命谱可以测试材料的缺陷密度，缺陷类型和缺陷深度等信息。
对于材料的缺陷诊断，正电子湮没寿命谱具有很高的检测灵敏度。
三、正电子湮没寿命谱在材料微观结构表征中的应用除了材料的缺陷诊断，正电子湮没寿命谱还可以用于材料的微观结构表征。
正电子湮没寿命谱可以测量材料的密度、晶体结构和晶粒尺寸等参数，从而了解材料的物理性质。
核分析课设：正电子湮没辐射角关联
主要用途与发展动态
正电子湮灭辐射的角分布测量对于金属辐照损伤的研究也 22 2 很灵敏。钼样品是放在中子通量达 10 cm 的反应堆中进 行中子照射。通过正电子湮灭辐射角关联曲线测量表明： 辐照后的钼样品角关联曲线变窄了很多。这种变化可以借 助于理论（空洞形成）作定量的估算。
主要用途与发展动态
正电子湮没机理
正电子可以在晶格中自由扩散,直至与电子湮没,这叫做自 由态湮没； 也可以被带有等效负电荷的晶格缺陷或空穴 所捕获(束缚)而停止扩散,最后在缺陷中湮没,称为缺陷捕 获(束缚)态湮没。
在气体、液体中和某些固体(如结构疏松的聚合物)的表面, 还可能束缚一个电子,形成正负电子共存的正电子素的束缚 暂稳态,其结类似于质子和电子构成的氢原子,而它的核 心为极轻的正电子,其原子量只有氢的1/920,结合能为氢的 1/2,然后再产生湮没。
正电子湮没机理
正电子与电子相互作用而湮没时，可以产生一个光子、两个光子或 三个光子。发射单个光子时，要求有第三者（原子核或原子内层电子） 存在，吸收反冲动量，这一过程的相对几率很小，可忽略。若正电子和 电子的自旋反平行，则他们在湮没时发射两个方向相反的γ光子。若正 电子和电子的自旋相互平行，则在湮没时发射三个光子。产生三个光子 的湮没几率却远小于产生两个光子的湮没几率。根据计算，双光子湮没 几率与三光子湮没几率之比为372:1。
生物组织中主要含有碳、氮和氧分别存在发射正电子的核素11C、 14N和15O。如果利用这些放射正电子的核素合成有生理关系的标记化 合物，如11Co, 11Co2 等，引入生物组织中，通过正电子与组织器官 的相互作用，然后对发射的γ射线进行测量或照像，就可以研究生物 组织器官的新陈代谢，组织化学成分，血液循环，病理过程等课题。 由于所使用的这些放射性核素的半衰期都不长，在人体中的照射量很 小，因此不会或者很少造成对人体的损伤。由于以上个方面的特点， 正电子湮灭技术对医学研究将成为很有发展前途的一项技术。
正电子湮没参量及其所反映物质信息的探讨
正电子湮没参量及其所反映物质信息的探讨正电子湮没技术（PES）是一种比传统测量方法更精确和更灵敏的分子物理实验手段。
它以超低能量的正电子来测量表面分子的特性，可以提供从几何结构到物质状态的全方位的如谱数据和信息。
正电子湮没的参量，如位能、湮没行为、湮没深度等，是PES实验中最重要的几个参量。
它们可以提供有关物质结构、动力学和化学性质的重要信息，从而为研究分子物理化学等方面提供重要的信息。
首先说明一下正电子湮没位能（IP），它是正电子与原子核的相互作用的能量。
IP的大小可以反映元素的化学结构和电子配对，并反映了物质的电子结构和化学布局。
通常情况下，IP的大小会随着原子的原子序数的增加而增加，并且具有化学稳定性的趋势。
正电子湮没行为（EA）也可以反映物质的电子配对和化学活性。
EA的大小取决于原子核周围的空间结构，在湮没前面该原子上有多少个电子，而且这些电子的能量配置是怎样的。
此外，湮没深度（ED）也可以反映物质的结构信息，ED定义为正电子湮没过程中，正电子全部湮没掉所需要的能量。
ED可以用来区分不同物质，并反映出其内部结构的变化。
ED的值大小可以用来判断不同物质的反应情况。
正电子湮没参量可以用不同的方法测量，常用的有传感器及电敏元件、X射线等几种技术。
无论是使用传感器及电敏元件，还是X射线技术，测量PES参量的基本原理都是电子的结构和能量的变化。
传感器及电敏元件技术可以用来测量正电子湮没行为和正电子湮没深度，而X射线技术则可以用来测量正电子湮没位能。
由于PES技术可以提供解析度极高的信息，因此在不同的研究领域中都有着重要的应用。
在分子化学和物理化学研究中，PES参量可以提供有关于物质的位置和活动的准确信息；在生物化学研究中，它可以为蛋白质活性酶的结构功能关系提供重要的线索；于材料分子科学领域，PES参量可以提供有关分子结构和物理性质的信息，从而为材料分子科学提供重要的基础信息。
总之，正电子湮没参量可以为化学和生物等多个不同领域提供重要的信息。
正电子湮灭谱测试
正电子湮灭谱测试
正电子湮灭谱（PES）测试是一种量子化学的实验，用于研究分子的电子结构和化学反应机理。
它通过检测正电子湮灭事件发生的能量和角度，可以测量分子电子态的能量和振动结构。
正电子湮灭谱测试的原理是，当一个正电子与分子中的核碰撞时，电子会从分子中湮灭，释放出能量。
这些能量，即电子湮灭的能量，是由正电子的能量转变为电子湮灭的角度和能量组成的。
正电子湮灭谱测试可以检测电子湮灭过程中释放的能量和角度，从而测量分子电子态的能量和振动结构。
正电子湮灭谱测试的典型实验装置包括一个正电子源，用于产生撞击分子的正电子；一个电子检测器，用于检测湮灭电子的能量和角度；一个谱仪，用于计算和显示湮灭电子的能量和角度；以及一个控制系统，用于控制测试过程。
正电子湮灭谱测试的结果可以用来研究分子的电子结构和化学反应机理。
它可以用来检测分子的振动模式，从而推断分子的结构和反应机理，以及研究物质的性质。
此外，正电子湮灭谱测试还可用于探索物质结构的变化，以及研究新的材料和分子的性质。
总之，正电子湮灭谱测试是一种量子化学的实验，用于研究分子的电子结构和化学反应机理。
它可以检测电子湮灭的能
量和角度，从而测量分子电子态的能量和振动结构。
研究人员可以利用正电子湮灭谱测试探索分子的结构和反应机理，以及研究新的材料和分子的性质。
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；
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)。
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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。
在含损伤材料中，位错、空位等缺陷表现为负电荷，由于库仑引力，在材料中扩散的正电子会因吸引而被捕获，停止扩散，正电子在缺陷中停留一段时间之后就会湮灭。
正负电子在湮没时会放出两个1８０°背向的５１１ｋｅＶγ光子。
实际上，正负电子在湮没时一般都非静止状态，因此由正负电子组成的质心系本身在实验室系统下仍具有一个随机的速度，这个速度的大小和方向都是不确定的，根据被分析物体状况的不同而具有某种确定的分布。
由于该速度的存在，在实验室观察到的湮没γ光子的能量将不再是５１１ｋｅＶ，而是略大或略小，表现为多普勒展宽。
与内层电子和价电子相比，处在缺陷内的电子密度和动量都较小，因此正电子在湮没之后放出５１１ｋｅＶγ光子的多普勒展宽也较小。
相反，如果材料中不存在缺陷，则正电子更容易被内层电子所捕获，而内层电子的速度较大，因此多普勒展宽较大。
可见，用适当的参数描述谱线形状的变化，可获取有关缺陷效应的信息，实现无损评估。
由于正电子在物质中的射程很短，仅为毫米量级，所以采用放射源的方法只能对材料的表面进行分析，无法对材料的内部缺陷进行检测。
这使得正电子湮没分析对大体积物体的检测受到了限制。
为克服采用放射源时正电子湮没测试不适合于大体积物体检测的缺点，光致正电子湮没技术得以发展。
这种技术利用高能Ｘ射线产生正电子，由于高能Ｘ射线具有很强的穿透性，因此即使是大体积的物体，Ｘ射线也可在其深处产生正电子，适合于对大体积的材料进行无损测试与评价。
测试方法主要有正电子寿命测量、湮没γ角关联测量和湮没谱线多普勒增宽三类。
正电子寿命测量法通常用２２Ｎa作正电子源，源强为几微居里到几十微居里。
测试设备类似核能谱学中常用的系统，称之为正电子寿命谱仪，谱仪时间分辨率一般为３×1０－１０ｓ左右，最好的已达１.７×１０－1０ｓ。
２２Ｎａ放射的正电子入射到测试样品中，同其中
的电子发生湮没，放出γ射线。
用１．２７ＭｅＶ的γ光子标志正电子的产生，并作为起始信号，５１１ｋｅＶ的湮没辐射γ光子标志正电子的“死亡”，并作为终止信号。
两个信号之间的时间就是正电子的寿命。
在凝聚态物体中，自由正电子湮没的平均寿命在１～５×１０－１０ｓ范围内。
双γ角关联方法利用长狭缝角关联测量系统，该系统的正电子源通常为６４Ｃｕ，２２Ｎａ，５８Ｃｏ，测量时相对于固定探头以Ｚ方向为轴转动另一探头，测出符合计数率随角度的分布，就可以得到电子在某个方向上的动量分布。
该方法要求高精度的机械设备和强源（几十毫居里的点源），典型的角分辨力为０.５mｒａｄ。
有些工作采用多探测器系统可作两维动量分布的测量。
测量多普勒增宽谱使用高能量分辨力Ｇe（Ｌｉ）或高纯锗半导体探测器，测量湮没辐射的能谱。
能量分辨力可达１ｋｅＶ（对8５Ｓｒ，５１４ｋｅＶ的γ射线）左右。
这种方法的优点是只需用几微居里的弱源，获取数据快，适用于动态研究。
缺点是获取的数据粗糙，对湮没电子动量的分辨不如角关联试验好，典型情况下差四倍。
该技术在固体物理中应用最广泛，可用来研究晶体缺陷（空位、位错和辐照损伤等）、固体中的相变、金属有序－无序相变等。
在化学中可用于研究有机化合物的化学反应、鉴定有机物结构中的碳正离子、研究聚合物的微观结构等。
正电子湮没无损测试技术可用来研究物质微观结构及其变化，其实质是用线性加速器的光束来穿透材料。
在测试过程中，产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点（正电子），被缺陷吸引而与该区域的负电子发生碰撞，两种电荷质点湮没放出的伽玛射线能谱（γ光谱）可显示出清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。
根据这些γ光谱响应数据和正电子系统的分析方法，通过采用重合寿命法不仅可获得有关缺陷集中数据，而且也可获得缺陷的形式和尺寸数据，获得定量疲劳或脆裂损坏估计值。
正电子湮没无损测试技术能检测机械、结构第二层材料的疲劳失效，是非破坏性检验中确定原子层的结构完整性、疲劳和脆裂问题的
一项重要技术。
传统的无损检测方法，如涡流和Ｘ射线法，仅在可见裂纹或者缺陷已扩展到裂纹发生阶段之后是有用的。
而正电子湮没测试技术能在裂纹发生之前检测一个原子层的疲劳、脆裂及材料晶格损坏。
此技术在航空方面也有重要应用，美国某公司开发的光致正电子湮没无损测试技术，可有效地检测机翼中埋在第二层内的疲劳损伤，这是无损检测技术的一项重要进展。
在一次翼梁试验中，对在试样的第二层锥度紧固件孔内的一个已知损伤进行了分析。
对损伤及未损伤部位进行了测试，发现两者的疲劳值有明显差异，而其中的钛合金层的厚度变化对测试值并无影响。