试验报告—正电子在物质中的湮寿命测量—吴香奕谭万斌周健欣剖析

1、正电子在物质中的湮没寿命测量吴香奕 1，谭万斌 1，周健欣 1（1 四川大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610065 ）摘 要：电子在物质中的飞行时间和距离与物质材料内部的电子密度，空间结构直接相关。 正电子和电子与 材料的相互作用的机理相同，但正电子在损失完能量后会与材料内的电子发生湮没，产生特殊能量光子使 得其在材料中的飞行时间更易测量。所以为了探测材料内部的电子密度和空间结构，通过研究正电子在其 物质中的湮没寿命，可以给出相应的结果。本实验采用22Na 放射源来提供正电子，用闪烁体探测器探测到22Na放射源放出正电子的极短时间内放出的1.28MeV的光子为寿命起点，正电子湮没产生的

2、0.511MeV的光子为寿命终点，利用快符合电路系统测量湮没寿命，以此推测材料的电子密度和空间结构。关键词： 正电子;湮没;寿命中图分类号 ： 文献标志码： 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 a

3、nd sensitive way for study of solids'constructions and22distributions of electrons. This experiment use Na 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 li

4、fetime. When the detector find the photo in 0.511MeV, we take this moment as the end of the positronlifetime. Though the measurement system and the multichannel pulse analysis, the experiment gives the positron lifetime spectrum, to analyze the sample 's constructions and distributions of electr

5、ons.15Key Words: Positron; Annihilation; Lifetime正电子湮没技术主要用于正电子无损 检测技术， 它的发展是建立在物理学和材料 学等学科的基础上的， 它能给出材料中缺陷 的位置、 种类和数量等信息， 比常用的宏观 或细观损伤判据更灵敏， 可方便、 快速及高 灵敏探测两维缺陷分布， 是研究材料缺陷和 结构的重要手段， 因而对设备的维护和安全 具有重要的意义。 在工程中的应用也越来越 广泛。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

6、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。 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。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。1 正电子和正电子与物质的相互作用1.1 正电子正电子是轻子，只参与电磁相互作用。 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，方向相反。产生方式：1 ）能量大于 1.02MeV 的? 光子与物质发生电子对效应。（2）放射性元素的3

7、 +衰变（3）核反应1.2正电子与物质的相互作用由放射性元素的衰变特性可知，正电子来自放射性元素的3 +衰变，即：在正电子淹没实验中的正电子一般采用 22Na放射性同位素的3 +衰变得到。（1）自由湮没：指正电子慢化后以自由 态与电子发生湮没，放出两个方向相反的 0.511MeV的？射线，有1/372的几率放出 3个光子，极小的几率放出1个或4个光子。根据狄拉克推导的双光子湮没截面的 非相对论极限，得出正电子的湮没寿命由正 电子所在处的电子密度决定，这就是利用正 电子湮没研究物质微观结构的主要依据。湮没放出的两个光子之间的夹角取决 于与正电子发生湮没的电子的动量。根据湮没光子的角分布可以研究电

8、子的动量分布 和测定金属的费米能。（2）生成电子偶素后湮没：在某些介 质中，正电子和电子会形成类似氢原子结构 的束缚态，称为电子偶素（缩写为Ps）。Ps分为p-Ps和o-Ps两种，仲态电子偶素 p-Ps 寿命为0.125ns,放出2 丫射线，正态电子偶 素o-Ps寿命很长，为142ns,放出3 丫射线。 o-Ps和物质原子碰撞或受磁场作用很容易 淬灭，并放出2 Y。所以，正电子湮灭主要有三种方式：单 光子湮灭，双光子湮灭及三光子湮灭，三种湮灭过程的截面（T 1、6 2及6 3有以下关系： （T 1 :6 2= a 3,6 3：6 2= a （ a 为精细结构常数，a =1/137），由此可知双

9、光子湮灭的 截面远大于另外两种湮灭截面。通过观察湮没辐射来研究正电子在材 料中的湮没，发现湮没寿命与材料的电子密 度有关，在致密介质中，寿命值在0.1 0.5ns 间变化。正电子在晶格中一般为自由湮没， 一旦介质中出现缺陷（如空位，位错，微空 洞），缺陷中电子密度较低，由于库伦作用 力，正电子更容易被捕获以后再湮没。束缚态正电子的寿命一般大于自由态正电子的 寿命。材料的缺陷线度越大， 正电子越容易 被捕获，寿命越长，故寿命的长短反映了缺 陷的大小和种类。 缺陷的浓度越高，相应长 寿命成分的相对强度也越大， 长寿命成分的 强度反映了缺陷的浓度。因此对正电子寿命谱的研究和测量，求解寿命谱中正电子在

10、介质中的湮没寿命值 和对应的强度，可以为材料的微观结构，缺 陷类型，缺陷浓度提供很多信息。2实验设计方案2.1实验原理实验中，我们采用22Na放射源，Al为湮 没材料。22Na放射性同位素通过3 +衰变放出 正电子后，处于激发态的子核（寿命仅3ps）几乎立刻退激放出能量为 1.28MeV的特征丫 射线。正电子与退激产生的 丫射线可被视为 同时生成。即1.28MeV的丫射线被探测到的 时刻可看做正电子的起始时刻。当产生的正电子射入晶体时，通过与晶体中的电子或离子发生非弹性碰撞而损失 能量，迅速慢化为热正电子（能级为eV量级）；热化的正电子与电子结合发生湮没， 放出两个方向相反的0.511MeV的

11、丫射线。即 探测到0.511MeV的?射线的时刻作为正电 子的终止时刻。其间的时间间隔就是正电子 在该物质中的湮没寿命。2.2实验框图及框图解释两个探测器一个用来探测起始信号，一个用来探测终止信号。当两个探测器输出的 信号时间间隔在一定范围内时，认为其是有效信号，开启时幅转换器，记录经过延时器 延时以后的间隔时间。并将间隔时间输入多 道进行统计。恒比甄别器既具有时间信息的拾取和 分析功能，又有能量选择功能。它既给出定 时脉冲，由TAC将起始和终止定时脉冲间 经过延时后的的时差转换成相应幅度的脉 冲；又输出经过特定能窗选择的分析脉冲， 两路对同一湮没时间进行快符合。为了避免噪声对于符合电路的干扰

12、，降低偶然符合，恒比甄别器中的预甄别器阈值需要调节到合适范围。测量起始1.28MeV光子的探测器后接甄别器，为了排除噪声及 湮没光子的干扰，阈值应大于0.53MeV。测 量0.511MeV光子的探测器后接甄别器，为 了排除噪声及起始光子干扰，阈值应调节在0.23MeV-0.53MeV 之间。图1快Y -Y符合寿命谱仪表1.几个3+放射性核素的性质半克期 叭愛爱分支比（M）评随丁 （MeV）16年0.5489U7671天0,48)5叱U12.8 +U0.6519少量279天1.89卵少电其中22Na是实验中最常用的正电子元，这 是因为，它的半衰期较长，为2.6年，不需要经常更换，适合长期实验；并

13、且能比较方 便地制成适合于正电子寿命谱测量所用的 源；比较便宜；它的能量为1.28MeV的伴随 Y射线很适合于作为寿命谱的起始信号。22Na衰变产生的正电子能谱连续分布，峰值为178eV,最大值为 0.545MeV。衰变纲图如下：实验器材：样品材料Al60Co放射源和22Na放射源各一个高压电源一个BaF2闪烁体探测器两个恒比甄别器583两个展宽器一个快符合电路（414）一个延迟箱（DB463一个时间幅度转换器（TAC556） 一个 多道分析系统一套NIM机箱（2500） 一个 信号发生器一个示波器 一个图2.22Na的衰变纲图基姦3.2探测器的选择表2.几种无机闪烁体的性质3实验仪器的选择光

14、产额"光蛊诚财间优值丿（光子 子ft?keV） /ns keV!）3.1正电子源的选择1.80.8轲28iO2740Nil(TI)3冃250GSO琏醴礼）&60BGO93002. 25L75常见的正电子源：利用由回旋加速器通过核反应制备的：11c、13n、15o、18f：半衰期很短，广泛用于 核医学。另外，具有3 +衰变的几个放射性核素及其 性质如下：从上表中可以看出 BaFa的时间优值远 高于其他闪烁体。另外目前最广泛用于时间 测量的也是BaF2。虽然塑料闪烁体的时间响应优于无机 闪烁体，但其光产额低，产生的信号幅值小。 所以最终采用BaF2闪烁体探测器。 3.3甄别器的选

15、择583恒比定时甄别器，既对快信号做恒 比定时，又对信号幅度进行选择。其定时点与幅度无关，能消除幅度变化引起的时间游 动，而不能消除达峰时间变化所引起的时间 游动。然而，闪烁体探测器的输出脉冲幅度 是变化的，但脉冲的上升时间差别并不大， 所以利用恒比定时电路， 更能满足实验测量 要求。它对提高时间谱仪系统的时间分辨率 起着关键作用。另外恒比甄别器中包含预甄别器， 可以 用来调节能窗，既能减少噪声的干扰， 又能 够对能量进行选择。3.4符合电路的选择选择快快符合而不是快慢符合，快快符 合电路比快慢符合电路有两个明显的优点：一、由于省去两个慢的能量选择通道，因此电路结构简单，成本降低，使用和维修方

16、便。二、由于采用快符合技术，分辨时间明显减小。这种电路可用于较强的放射源，提高计 数率，缩短实验的累积时间，这有利于减少定时漂移，提高时间分辨率。3.5时间幅度变换器的选择时间信息变化有计数式时间-数码变换、游标尺计时器、和时间幅度变换等方法。 其中时幅变换法是最常用的一种。这是由于它具有时间道宽可以做的很小，测时精度 高，道宽和测量范围容易改变，变换时间短 等优点。4实验操作步骤4.1材料的准备(1)在正电子实验中为了保证正电子在样品 中湮没而不穿出，要求样品厚度应为正电子 在其材料中射程的3-5倍。所以准备两片一定厚度的样品材料Al，保证正电子在其中能够湮没。 然后试验系统搭建 时，将放射

17、源置于两片 Al材料中间。 准备一个60Co放射源，用来做时间刻度. 4.2恒比甄别器的阈值调节探测器强別器|打來機SC A I OUT寒道分析器 |按如图连接仪器：分别从探测器的打拿 极和阳极取出信号，将慢信号接入多道分析 器输入接口，将快信号输入恒比甄别器的输 入端口，在多道分析器门控输入端末端接入 甄别器单道的输出信号经过展宽器以后的 输出信号。门控先设置为不符合(of )状态，得 出全能谱。然后将符合方式置于符合状态，此时慢 信号能否进入多道受到甄别器上下阈值的 影响。当快信号的幅度，落在恒比甄别器的 上下阈值之间的时候，多道分析器的门打 开，慢信号进入多道分析器进行计数，否则不打开，

18、不能被多道记录。调节甄别器的上下阈值与慢信号的原 始能谱比较，使其只显示与1.28Mev和0.511Mev的丫光子的峰位对应的能谱。阈值的选择要综合考虑计数率和能量 分辨率。以下是调节阈值过程中看到的几个 能谱。(1)起始道(1.28MeV)甄别器输出信号与 慢信号符合输出的能谱全能谱：» *B8!ITfata0.50-0.70:IB.0.46-0.70:0.50-1.201.5 1 故：终止道甄别器的上下阈值选为0.60-1.164.3系统的搭建故：起始道甄别阈的上下阈值选为0.30-0.70.(2)终止道(0.511MeV)甄别器输出信号 与慢信号符合输出的能谱原始能谱：将实验器

19、材按照实验原理框图搭建，4.4延时调节延时箱的作用在于选择延迟时间，使得时间幅度转换器（TAC ）工作在线性良好的 区域，故需要选择最佳的延迟时间。在本实验中，我们用60Co放射源在22Na能窗条件下测量。改变延时箱的延迟时间分 别测量寿命谱，记录每个延迟时间下对应峰 面积内360s内的总计数，记录在表一如下:延 时（04811222334ns)26048260计32333233323数1811281059294336662640表1峰面积计数随时间延时的变化线性较好。另外，考虑到多道分析器的线性， 寿命谱峰位最好在屏幕的1/3处，因此我们选用的延迟时间为 14ns。4.5参数的设置下阈上阈起

20、始道(1.28MeV)0.400.70终止道(0.511MeV)0.601.16符合分辨时间：40 ns延时箱：延迟时间14ns多道增益：81924.6读取数据将系统的参数按上述描述设置，多道符合选择off,开始测量正电子寿命谱。测量时 间为 247993s（大约 69h）,采集了 1.00274X 106个数据，峰位道址约为3000,以下为测得的寿命谱：以延迟时间为横坐标， 峰面积总计数为 纵坐标，画出延时和计数之间的折线图，观 察找到波动较小的区域4.7时间的刻度以上所测得的是一个恒比甄别器输出 的起始信号和另一个恒比甄别器输出的终计数400止信号的时间差，即湮没寿命加上所选的延 迟时间，

21、再加上系统固有的延时，所得到的 总的时间差，经过时间幅度转换器线性转换 成一个脉冲幅度，通过多道分析器在不同道 址上分别记录不同幅度的脉冲的个数所得 到的谱。其中道址代表幅度， 需建立起道址 与时间的对应关系，即时间刻度，才能得到真正的寿命谱。本实验中，以60Co放射源代替22Na放 射源，仪器连接，能窗均不变，逐渐改变终 止道在延时箱上的延迟时间，测量并记录不延时（ns）由图可知，当延迟时间在8-28ns区间时,同延迟时间所对应的峰位道址。结果如下表 所示:计数随延迟时间的变化较小，时幅转换器的延111111112时234567890(ns)道222333333数68912467961829

22、5174557772810表2峰位道址随时间延时的变化作图拟合（下图为Eviews8拟合出的结果）多道分析器多道增益 8192,延迟时间为0ns）由matlab拟合得:2223B102,600 2.800 3,000 3h200 3JOO 3,600 3,600 4.000CHANNEL:1Results用最小二乘法拟合得到延迟时间与峰位道址的函数关系（8196道）:Delay time=0.00627 x channel-4.6988196 道时，每一道为 0.00627± 3.36X 105ns 4.8时间分辨率测量谱仪分辨率是谱仪系统性能指标的重 要参数。在本实验中，我们采用6

23、0Co放射源在22Na的能窗条件下，对60Co发生衰变 后产生的两个丫光子做符合测量来得到系 统的时间分辨率。60Co发生衰变后产生的两个能量分别 为1.17MeV和1.33MeV的级联 丫光子，可 认为是同时发生。测到的时间谱近似为一个 高斯曲线。取高斯分布半高处的全宽度（FWHM ）为谱仪的时间分辨率。FWHM值越小表示时间分辨率越好，它的正确测量 将直接影响湮没寿命谱的数据处理。一般要求正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率在 200-300ps.下图为多道显示的时间谱（测量时间720s,Gener al in o del GauE e 1 :£(x) =(r (at-bl >/

24、cl) "2)CoeEfi ci ent s (wi th 95% confi deuce bouiLds.):al =13 2(13.佩13.32)bl -757.9C757. 7“75S. 1)cl 二26 1 4(25.26.Goo dness of fi t:SSE： 676.2R-s quar e: 0.8933Adjusted Rsquare : 0. 8933EMSI： 0 2374半高宽：FWHM=43.536 时间分辨率：R=5.74% 将半高宽道转换为时间：由上面的时间刻 度可知每道对应的时间为0.0063 ns，0.0063*43.536 ns =0.274 n

25、s= 274 ps，所以符 合正电子寿命测量的时间分辨率的一般要 求。5解谱由于解谱软件 POSFIT只能解谱4096道的，但我们测的时候设成了8196道，我们小组先用 C语言将8192道转成了 4096道，C程序如下:#rncucfe#incrude <stdlfb.h>tnt m,nT>0;int a2；char c;FILE in/oul,ff(in =fop en("cApcse+.C h rf*, urb'r)=NUL L) printfif'can't open this rnffteAn11); exTt(O)："以貝

26、读方式打开一二J註劃文件rftCouWiopen ("u、>posfrn_K Gh nw,'rt)w)=NUL L) prfnttfcan't open this outfileAn"); exkt(O),”为写r陵磁左一牛一庭制文件fceek(rnF0LF2);n=ftell(in); /求梧辂入文件从支:件厘到文件头的宇节数33312=32+8192*4+512 printfV輸入文件的宁节数nsvwriid(in);wFirte(!feof(rn)>if (i<=31|F>=32800)F/W32 和心厅 复嗣粘贴fputct1

27、igetc(rn h out);刃取字廿为单 P else ir(i%8=O"中W吕192斗毎七个宁节取一ifclYeadf 电 4左“>3l=al+32;fwrite(an Hou t;卄：printfr,%tftna,i);feeek(outFDL,2);m=1tell0Lit>；曲求输出文件从文件廂到文件头的字节数16928=32+4096*4+512 printf(" 出文件的宁 T7=%dWTm;reiose(ini);fclose(out);将8096道谱转成了 4096道谱（用白立新老师编写的MCA4K查看如下）HI».iIC.k把評GL

28、: IMb* It : lbl-4.11iL 计 丹：l»G? Kll1 "«E4i -ljUL： IMD.4 t9.¥.LI If；ife4i>*S： -4ML41 I IMH ffE：Hiveti'm：s«ii et： z疋时：m tm hl71：也 uivr? *n：n| omw «i :p. th再用POSFIT解谱输出文件如下:ITERATION CYCLE NO 1 COMPLETED1POSI T RO NF IT AtRSIONM S9. JOBTIME 11 ：4Sc55W-R-09ftftftftft

29、tttftftftAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAft AAAAAft AftAAAAfl fttt# Aft ftftftft tftftftNO1-1L T I 8 Z A G2 0 0 1 0 0 1TIME SCALE NS?CHANNEL :0.012BREARWGE STRTSINCH. 1 WD ENDS IN CH 1000 FITRGE STRTSINCH 20DENDSlNCH 7S0RESOLUTION FWHM (忖占):0 2200FUNCTION 1NTENSITIES(%) : 100.0000SHIFT百(MS) :0 0000INITIAL

30、TIME-ZERO (CH MOI 52 0000GP航剛ETERS LIFETIMES(NS) :0.150QG 0.40000B/KGROUND FIXED TOME FROM CH750TO CH 1000 =1 4462NO SOUR C E CORRECTION艸#理#貼#斡艸轴财曲F I忖ALRESULTS 供斛林轉料桝樹卅艸 L T I B Z A G 2001001CONVERGENCE OBTNED FTER 14ITERATIONSVARIANCE OF THE FIT = 2.953 WITH STANDARD DEVIATION 0 052CHI-SQUjSRE-214

31、3.56 WITH 726DEOREESOF FREEDOM SGNIFICWCEOF IMPERFECT MODEL = 100 00%LIFETIMES(NS) :0,1923 0,9927STD DELATIONS :0 0007 0 0086INTENSITIES : 85.5349 14.4651STD DEVIATIONS :0.1678 0.1 S78BACKGROUND COUNT啟H般NEL :1.4462STD DELATIONS : METIME-ZERO CH邮NEL忖UMBER : 32.9717STD DELATIONS ;0 0275TOTALEA FROM FIT : 4 9647fiE+05 FROM T/J0LE : 4 9975SE+05tf尊林獻f仲髀if附糊眼 P O S I T R O .N F I T尊仲料他仲黠加*廊血1TIMEF0RTHISJ08. 0.44 SECONDS.正电子在铝（Al ）中湮没的寿命谱解谱结果如下表:寿命成分12寿命值0.19230.9927标准偏差0.00070.0086份额85.534914.4651标准偏差0.16780.1678计数在 7000 以上，峰总计数在 106 以上， 才能得到较好的分析结果。6 结