實驗報告—正電子在物質中的湮壽命測量—吳香奕、譚萬斌、周健欣

1、正電子在物質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 物理科學與技術學院，四川 成都 610065 ）摘 要：電子在物質中的飛行時間和距離與物質材料內部的電子密度，空間結構直接相關。 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的電子發(fā)生湮沒，產生特殊能量光子使 得其在材料中的飛行時間更易測量。所以為了探測材料內部的電子密度和空間結構，通過研究正電子在其 物質中的湮沒壽命，可以給出相應的結果。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放出的1.28MeV的光子為壽命起點，正電子湮沒產生的

2、0.511MeV的光子為壽命終點，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構。關鍵詞： 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 a

3、nd sensitive way for study of solidsconstructions 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 lifetim

4、e. 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 electrons.Key Wo

5、rds: Positron; Annihilation; Lifetime正電子湮沒技術主要用于正電子無損 檢測技術， 它的發(fā)展是建立在物理學和材料 學等學科的基礎上的， 它能給出材料中缺陷 的位置、 種類和數量等信息， 比常用的宏觀 或細觀損傷判據更靈敏， 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 結構的重要手段， 因而對設備的維護和安全 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、 電子動量密度有關的問題，

6、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 品一般不需要特殊制備， 其制樣方法簡便易 行。正電子湮沒技術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 術作為一種新型的應用核分析技術， 已廣泛 應用于材料科學、 物理、 化學、 生物、醫(yī)學、 天文等領域。1 正電子和正電子與物質的相互作用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。產生方式：1 ）能量大于 1.02MeV 的? 光子與物質發(fā)生電子對效應。（2）放射性元素的3 +衰變（3）核反應1.

7、2正電子與物質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3 +衰變，即：在正電子淹沒實驗中的正電子一般采用 22Na放射性同位素的3 +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 電子湮沒研究物質微觀結構的主要依據。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。根據湮沒光子的角分布可以研究電子的動量分布 和測定金屬

8、的費米能。（2）生成電子偶素后湮沒：在某些介 質中，正電子和電子會形成類似氫原子結構 的束縛態(tài)，稱為電子偶素（縮寫為Ps）。Ps分為p-Ps和o-Ps兩種，仲態(tài)電子偶素 p-Ps 壽命為0.125ns,放出2 丫射線，正態(tài)電子偶 素o-Ps壽命很長，為142ns,放出3 丫射線。 o-Ps和物質原子碰撞或受磁場作用很容易 淬滅，并放出2 Y。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（T 1、6 2及6 3有以下關系： （T 1 :6 2= a 3,6 3：6 2= a （ a 為精細結構常數，a =1/137），由此可知雙光子湮滅的 截面遠大于另

9、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)現湮沒壽命與材料的電子密 度有關，在致密介質中，壽命值在0.1 0.5ns 間變化。正電子在晶格中一般為自由湮沒， 一旦介質中出現缺陷（如空位，位錯，微空 洞），缺陷中電子密度較低，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中的湮沒壽命值 和對

10、應的強度，可以為材料的微觀結構，缺 陷類型，缺陷濃度提供很多信息。2實驗設計方案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3 +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的特征丫 射線。正電子與退激產生的 丫射線可被視為 同時生成。即1.28MeV的丫射線被探測到的 時刻可看做正電子的起始時刻。當產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合發(fā)生湮沒， 放出兩個方向相反的0.511MeV的丫射線。即 探測到0.5

11、11MeV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時，認為其是有效信號，開啟時幅轉換器，記錄經過延時器 延時以后的間隔時間。并將間隔時間輸入多 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 經過延時后的的時差轉換成相應幅度的脈 沖；又輸出經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

12、器中的預甄別器閾值需要調節(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，閾值應調節(jié)在0.23MeV-0.53MeV 之間。圖1快Y -Y符合壽命譜儀表1.幾個3+放射性核素的性質半克期 叭愛愛分支比（M）評隨丁 （MeV）16年0.5489U7671天0,48)5叱U12.8 +U0.6519少量279天1.89卵少電其中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，不需要經常更換，適合長期實驗；并且能比較方 便地制成適合

13、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 Y射線很適合于作為壽命譜的起始信號。22Na衰變產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：實驗器材：樣品材料Al60Co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 一個圖2.22Na的衰變綱圖基姦3.2探測器的選擇表2.幾種無機閃爍體的性質3實驗儀器的選擇光產額光蠱誠財間優(yōu)值丿（光

14、子 子ft?keV） /ns keV!）3.1正電子源的選擇1.80.8軻28iO2740Nil(TI)3冃250GSO璉醴禮）&60BGO93002. 25L75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3 +衰變的幾個放射性核素及其 性質如下：從上表中可以看出 BaFa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，但其光產額低，產生的信號幅值小。 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

15、時，又對信號幅度進行選擇。其定時點與幅度無關，能消除幅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 起著關鍵作用。另外恒比甄別器中包含預甄別器， 可以 用來調節(jié)能窗，既能減少噪聲的干擾， 又能 夠對能量進行選擇。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，因此電路結構簡單，成本降低，使用和維修方便。二、由于采用快符合技術，分辨時間明顯減小

16、。這種電路可用于較強的放射源，提高計 數率，縮短實驗的累積時間，這有利于減少定時漂移，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式時間-數碼變換、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。 準備一個60Co

17、放射源，用來做時間刻度. 4.2恒比甄別器的閾值調節(jié)探測器強別器|打來機SC A I OUT寒道分析器 |按如圖連接儀器：分別從探測器的打拿 極和陽極取出信號，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過展寬器以后的 輸出信號。門控先設置為不符合(of )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，否則不打開，不能被多道記錄。調節(jié)甄別器的上下閾值與慢信號

18、的原 始能譜比較，使其只顯示與1.28Mev和0.511Mev的丫光子的峰位對應的能譜。閾值的選擇要綜合考慮計數率和能量 分辨率。以下是調節(jié)閾值過程中看到的幾個 能譜。(1)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： *B8!ITfata0.50-0.70:IB.0.46-0.70:0.50-1.201.5 1 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：將實驗器材按照實驗原理框圖搭建，4.4延時調節(jié)延時箱的作用在于選

19、擇延遲時間，使得時間幅度轉換器（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360s內的總計數，記錄在表一如下:延 時（04811222334ns)26048260計32333233323數1811281059294336662640表1峰面積計數隨時間延時的變化線性較好。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。4.5參數的設置下閾上閾起始道(1.28MeV)0.400.70終止道(0.511

20、MeV)0.601.16符合分辨時間：40 ns延時箱：延遲時間14ns多道增益：81924.6讀取數據將系統(tǒng)的參數按上述描述設置，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 1.00274X 106個數據，峰位道址約為3000,以下為測得的壽命譜：以延遲時間為橫坐標， 峰面積總計數為 縱坐標，畫出延時和計數之間的折線圖，觀 察找到波動較小的區(qū)域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計數400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，經過時間幅度

21、轉換器線性轉換 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的脈沖的個數所得 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，測量并記錄不延時（ns）由圖可知，當延遲時間在8-28ns區(qū)間時,同延遲時間所對應的峰位道址。結果如下表 所示:計數隨延遲時間的變化較小，時幅轉換器的延111111112時234567890(ns)道222333333數689124679618295174557772810表2峰位道址隨時間延時的變化作

22、圖擬合（下圖為Eviews8擬合出的結果）多道分析器多道增益 8192,延遲時間為0ns）由matlab擬合得:2223B2,600 2.800 3,000 3h200 3JOO 3,600 3,600 4.000:110ResultsCHANNEL用最小二乘法擬合得到延遲時間與峰位道址的函數關系（8196道）:Delay time=0.00627 x channel-4.6988196 道時，每一道為 0.00627 3.36X 105ns 4.8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。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 后產生的兩個

23、丫光子做符合測量來得到系 統(tǒng)的時間分辨率。60Co發(fā)生衰變后產生的兩個能量分別 為1.17MeV和1.33MeV的級聯 丫光子，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據處理。一般要求正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率在 200-300ps.下圖為多道顯示的時間譜（測量時間720s,Gener al in o del GauE e 1 :(x) =(r (at-bl /cl) 2)CoeEfi ci ent s (wi th 95% confi deuce

24、 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半高寬：FWHM=43.536 時間分辨率：R=5.74% 將半高寬道轉換為時間：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 POSFI

25、T只能解譜4096道的，但我們測的時候設成了8196道，我們小組先用 C語言將8192道轉成了 4096道，C程序如下:#rncucfe#incrude tnt m,nT0;int a2；char c;FILE in/oul,ff(in =fop en(cApcse+.C h rf*, urbr)=NUL L) printfifcant open this rnffteAn11); exTt(O)：以貝讀方式打開一二J註劃文件rftCouWiopen (u、posfrn_K Gh nw,rt)w)=NUL L) prfnttfcant open this outfileAn); exkt(O)

26、,”為寫r陵磁左一牛一庭制文件fceek(rnF0LF2);n=ftell(in); /求梧輅入文件從支:件厘到文件頭的宇節(jié)數33312=32+8192*4+512 printfV輸入文件的寧節(jié)數nsvwriid(in);wFirte(!feof(rn)if (i=32800)F/W32 和心廳 復嗣粘貼fputct1igetc(rn h out);刃取字廿為單 P else ir(i%8=O中W呂192斗毎七個寧節(jié)取一ifclYeadf 電 4左“;3l=al+32;fwrite(an Hou t;卄：printfr,%tftna,i);feeek(outFDL,2);m=1tell0Lit

27、；曲求輸出文件從文件廂到文件頭的字節(jié)數16928=32+4096*4+512 printf( 出文件的寧 T7=%dWTm;reiose(ini);fclose(out);將8096道譜轉成了 4096道譜（用白立新老師編寫的MCA4K查看如下）HI.iIC.k把評GL: IMb* It : lbl-4.11iL 計 丹：lG? Kll1 E4i -ljUL： IMD.4 t9.LI If；ife4i*S： -4ML41 I IMH ffE：Hivetim：sii et： z疋時：m tm hl71：也 uivr? *n：n| omw i :p. th再用POSFIT解譜輸出文件如下:ITER

28、ATION CYCLE NO 1 COMPLETED1POSI T RO NF IT AtRSIONM S9. JOBTIME 11 ：4Sc55W-R-09ftftftftfttttftftftAAAAAAAAAAAAAAAAAA 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 7

29、S0RESOLUTION FWHM (忖占):0 2200FUNCTION 1NTENSITIES(%) : 100.0000SHIFT百(MS) :0 0000INITIAL 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#斡艸軸財曲F I忖ALRESULTS 供斛林轉料桝樹卅艸 L T I B Z A G 2001001CONVERGENCE OBTNED

30、FTER 14ITERATIONSVARIANCE OF THE FIT = 2.953 WITH STANDARD DEVIATION 0 052CHI-SQUjSRE-2143.56 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 :1.4

31、462STD DELATIONS : METIME-ZERO CH郵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.正電子在鋁（Al ）中湮沒的壽命譜解譜結果如下表: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0.16780.1678計數在 7000 以上，峰總計數在 106 以上， 才能得到較好的分析結果。6 結果分析 當熱化的電子速度遠小于光速時， 狄