正电子湮没寿命谱测量
正电子湮没寿命谱测量
工程物理系工物22 方侨光 2002012041
【实验概述】
1928年，Dirac预言了正电子的存在；1932年，C.D.Anderson证实了正电子的存在。
近20年来，正电子湮没技术得到了迅猛的发展，在固体物理、金属物理和材料科学领域得到了广泛的应用。
正电子湮没技术可以分为寿命测量、角关联测量和线形测量，本实验进行的是寿命测量。
【实验原理】
1、正电子湮没寿命
从放射源发射出的高能正电子射入物质中后，首先在极短时间内（约10-12s以下）通过一系列非弹性碰撞减速，损失绝大部分能量至热能，这一过程称为注入与热化。
热化后的正电子将在样品中进行无规扩散热运动，最后将在物质内部与电子发生湮没。
从正电子射入物质到发生湮没所经历的时间一般称为正电子寿命。
由于湮没是随机的，正电子湮没寿命只能从大量湮没事件统计得出。
在寿命测量中，最常用的正电子源是22Na放射源。
当它发生β+衰变时，主要产生动能为0-540keV 的正电子并几乎同时发射能量为1.28MeV的γ光子。
因此，可以将此γ光子的出现作为产生正电子的时间起点，而0.511MeV湮没γ光子的出现即是正电子湮没事件的终点。
这段时间间隔便可以近似地看作正电子的寿命。
利用时间谱仪对每个湮没事件都可以测得湮没过程所需的时间，对足够多的湮没事件（约需106次）进行记录，就得到了正电子湮没寿命谱。
可见，所谓测量正电子湮没寿命实际上就是测量一次湮没事件中有关联的两个不同能量的γ光子出现的时间差；将发射1.28MeV的γ光子作为时间的起始信号，而把发射0.511MeV 的γ光子作为终止信号。
2、实验仪器
正电子湮没寿命谱测量快一快符合系统
（1）塑料闪烁探测器
塑料闪烁探测器由塑料闪烁体及光电倍增管组成。
当γ光子射入塑料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。
（2）恒比甄别器（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。
（3）时幅转换器
将CFD 输出的起始信号与另一个CFD 输出的终止信号之间的时间差线性地转换为一脉冲的幅度。
其测量原理如下：时间分析器相当于一个恒流源在电流开关K 的控制下对电容C 充电；起始信号使开关K 接通，而终止信号使K 断开。
根据电学基本知识，电容C 上的电压幅度V 与充电时间t 的关系为
x c t C I C Q V ==
上式表明，由于I 和C 都是恒定的，输出脉冲的幅度正比于两个信号的时间差。
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。
由时间分析器输出的信号可直接送入微机多道分析器（接在ADC IN 上），由后者经过模数转换后按时间差存贮在相应道址的存贮器中。
利用延时器还能对时间谱仪进行时间标定。
（4）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址中。
在多道分析器中道址与时间或能量（在本实验中为时间）相对应作为横坐标，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、实验步骤
（1）延时调节：先按右图接好电路，调节延时旋钮，记录示波器中方波位置以及相同时间内MCA 的计数。
作出二者的关系曲线，确定计数最大时的方波位置。
（2）能窗调节：调节延时旋钮是方波位于（1）中确定的的位置。
调节CFD 的上下阈值旋钮，确定分别记录1.28MeV 和0.511MeV 的γ光子所对应的能窗。
（3）显示寿命谱：将实验电路按照实验仪器中的图接好，此时在MCA 上
记录到的便是正电子的寿命谱。
（4）道宽测量：通过延时调节，观测峰的位移，可计算每条道相当于多少时间。
从而可得到正电子的寿命。
【实验结果】
1、延时调节部分
拟合曲线如下图所示：
可见，峰值点大约在2.7左右。
2、能窗调节
3、正电子能谱
由于系统不稳定，始终无法得到正电子能谱，故而取用之前同学做过的一个结果来做数
直线方程为y=-95.76x+4145.7。
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。
正电子在物质中德湮灭寿命
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。
正电子湮没寿命谱测量.
正电子湮没寿命谱测量1930年Dirac 从理论上预言了正电子的存在和1932年Anderson 在观察宇宙线中发现了正电子之后，揭开了研究物质和反物质相互作用的序幕。
1951年Deutsch 发现了正电子和电子构成的束缚态—正电子素的存在更加深了对正电子物理的研究工作，同时，也开展了许多应用研究工作，形成了一门独立的课题正电子湮没谱学。
随着对正电子和正电子素及其与物质相互作用特性的深入了解，使正电子湮没技术在原子物理、分子物理、固态物理、表面物理、化学及生物学、医学等领域得到广泛应用，并取得独特的研究成果。
它在诸如检验量子电动力学基本理论、研究弱相互作用、基本对称性及天体物理等基础科学中也发挥了重要作用。
同时，随着人们对正电子湮没技术方法学上研究的深入进展，使这一门引人注目的新兴课题得到更快的发展。
经过本实验的训练，可望初步掌握基本原理、实验测量技术、数据处理和分析，以利今后应用正电子湮没技术于实践中去。
一 实验目的1. 了解正电子湮没寿命谱的形成原理，学会测量仪器的使用和获取正电子湮没寿命谱。
2. 初步掌握使用计算机解谱的数学方法和应用解谱结果来分析样品的微观结构。
二 实验原理1．正电子与正电子湮没正电子（+e ）是电子的反粒子，它的许多基本属性与电子对称。
它与电子的质量相等，带单位正电荷，自旋为 21。
它的磁矩与电子磁矩大小相等，符号相反；正电子遇到物质中的电子会发生湮没。
这时，电子与正电子消失，产生若干γ射线。
湮没过程是一个量子电动力学过程，这里只列出若干要点和主要的结果。
正电子与电子湮没时，主要有三种方式：单光子湮没、双光子湮没和三光子湮没。
设上述三种湮没过程的截面分别为γσ、γσ2和γσ3，它们之间的关系为 a ≈γγσσ23； 42a r ≈γσσ （1）其中a 是精细结构常数⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==13712hc e a 。
由此可见，双光子湮没的概率远远大于三光子湮没和单光子湮没的概率。
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20eR 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。
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。
正电子湮没寿命谱测量
可见，峰值点大约在 2.7 左右。 2、能窗调节 能量 1.28MeV 0.511Me19
3、正电子能谱 由于系统不稳定， 始终无法得到正电子能谱， 故而取用之前同学做过的一个结果来做数 据处理。原始数据如下： 通道 计数 通道 计数 389 0 401 2 390 0 402 2 391 1 403 4 392 0 404 5 393 0 405 5 394 0 406 12 395 1 407 15 396 0 408 29 397 0 409 52 398 2 410 70 399 0 411 77 400 1 412 103
【实验原理】
1、正电子湮没寿命 从放射源发射出的高能正电子射入物质中后，首先在极短时间内（约 10-12s 以下）通 过一系列非弹性碰撞减速，损失绝大部分能量至热能，这一过程称为注入与热化。热化后的 正电子将在样品中进行无规扩散热运动， 最后将在物质内部与电子发生湮没。 从正电子射入 物质到发生湮没所经历的时间一般称为正电子寿命。 由于湮没是随机的， 正电子湮没寿命只 能从大量湮没事件统计得出。 在寿命测量中，最常用的正电子源是 22Na 放射源。当它发生β+ 衰变时，主要产生动能 为 0-540keV 的正电子并几乎同时发射能量为 1.28MeV 的γ光子。因此，可以将此γ光子的 出现作为产生正电子的时间起点， 而 0.511MeV 湮没γ光子的出现即是正电子湮没事件的终 点。 这段时间间隔便可以近似地看作正电子的寿命。 利用时间谱仪对每个湮没事件都可以测 得湮没过程所需的时间，对足够多的湮没事件（约需 106 次）进行记录，就得到了正电子湮 没寿命谱。 可见， 所谓测量正电子湮没寿命实际上就是测量一次湮没事件中有关联的两个不同能量 的γ光子出现的时间差； 将发射 1.28MeV 的γ光子作为时间的起始信号， 而把发射 0.511MeV 的γ光子作为终止信号。 2、实验仪器