正电子湮没实验方法_lx-1

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。

铝纳米晶的正电子湮没研究本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！1 引言纳米晶材料具有明显不同于粗晶材料的物理和化学性能, 如高自扩散率、高延展性、声子比热容增强、磁性改变. 这些优异性能与其本身具有的体积比相当大的界面微观结构有关. 纳米晶的界面处通常存在大量缺陷, 如空位、空位团、微孔洞等,而缺陷的大小和浓度与制备纳米晶的工艺等因素有关.正电子湮没寿命谱已广泛应用于研究纳米晶材料晶界的微观缺陷[5−13], 提供缺陷的类型和浓度等信息. 已有的文献报道主要集中于纳米晶Fe,Cu, Pd, Ag 等微结构以及热稳定性的研究. 目前仅有曾小川利用正电子湮没技术研究了不同制备工艺对制备的铝纳米粉体缺陷的影响, 尚缺乏相关制备工艺对铝纳米晶的缺陷影响的研究.本文拟采用自悬浮定向流-真空热压法制备铝纳米晶, 并运用正电子湮没寿命谱分析技术研究铝纳米晶在压制过程中缺陷变化情况, 着重分析压力变化对材料缺陷状态的影响. 在通过压制纳米粉体制备纳米晶过程中, 不同的压力势必影响样品中缺陷的类型及其浓度. 这些微观结构的改变将影响材料最终的物理化学性能. 因此, 微观结构的研究对于材料的生产和应用有重要的指导意义.2 实验样品制备以纯度为% 的铝丝为原料, 采用电磁感应加热-自悬浮定向流法制备出铝纳米粉末颗粒,并将所制备的铝纳米粉末移至真空手套箱中. 在惰性气体(高纯氩气)保护下, 称取一定量的铝纳米粉, 装入直径为15 mm的硬质合金模具中, 密封后取出, 移入真空热压块体制备设备中, 待真空至真空度优于× 10−3Pa后升温, 在相应的温度(300◦C)和压强(0—1 GPa)下保压1 h, 制备出5个不同密度的铝纳米晶体(按照密度从低至高分别为1—5号样品).性能表征本实验采用阿基米德原理(以无水乙醇为介质)测定铝纳米晶体的密度(测试温度为◦C);采用D/max-IIIA 型X射线衍射仪(XRD)进行测试, 以CuKα (λ = Å)为X射线源, 扫描范围2θ = 30◦—90◦; 正电子寿命谱是在常温下利用快-快符合正电子寿命谱仪测量, 采用22NaCl正电子源, 测量寿命谱时用两片相同的样品夹住正电子源成三明治结构. 每个样品测量8次, 每一个寿命谱的总计数都在106以上, 并且都采用PATFITP 软件进行3个寿命分量拟合. 另外也将纯铝进行退火后进行正电子湮没寿命谱测试.3 结果与讨论XRD分析利用X射线衍射, 测量了铝纳米晶体的XRD谱图(见图2). 由布拉格公式, 可以推出XRD谱出现的5个铝的特征峰, 从左到右分别对应面心立方(FCC)结构Al的晶面指数(111), (200), (220),(311), (222). 假定衍射线的宽化仅由晶粒尺寸造成, 扣除仪器因素引起的几何宽化, 通过Scherrer公式计算得出5个铝纳米晶体样品的平均晶粒尺寸约为48 nm, 晶粒尺寸没有明显变化. 可见在300◦C温度下, 不同压制压强对制备的样品的晶粒尺寸基本没有影响.正电子湮没寿命分析正电子寿命谱的三寿命分量实验制备的5个铝纳米晶的正电子湮没寿命谱由三分量构成: 短寿命τ1为177—214 ps,其对应强度I1为%—%; 中间寿命τ2为352—390 ps, I2为53%—67%; 长寿命τ3为1113—2366 ps, I3为%—%. 寿命和对应强度的具体值与压制压强有关.压制压强对正电子寿命谱的影响铝纳米晶的平均正电子寿命与压强有关: 随压强增加, 平均正电子寿命τm(τm=τ1I1+ τ2I2+ τ3I3)大体趋势是降低的, 即由311 ps降至301 ps. 由于平均正电子寿命τm与三种类型缺陷(类空位、空位团和微孔洞)的总体积尺寸相关,图4 表明缺陷的总体积随压强的增大而减小.显微硬度纳米金属块体材料的显微硬度属于结构敏感量, 不仅与材料本身的微观状况(晶粒大小, 制备过程和制备方法)有关, 而且还与缺陷及其大小有关.表面气孔等缺陷的存在会显著降低显微硬度. 增大压力可提高样品密度以及减小缺陷尺寸和数量, 从而可望提高样品硬度. 图9为铝纳米晶的显微硬度与压制压强的关系, 可见随着压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 从而使其显微硬度提高.4 结论正电子湮没寿命测试表明自悬浮定向流-真空热压法制备的铝纳米晶的微观缺陷明显不同于粗晶纯铝, 其缺陷主要为类空位以及空位团, 而微孔洞的含量很少. 铝纳米晶微观缺陷结构与压强的变化规律为: 压制压强(P)低于GPa时制得的纳米晶, 空位团随压强的增加而逐渐转变为类空位;在GPa P GPa时, 各类缺陷发生消除; P GPa时, 各类缺陷进一步发生消除.随着压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 缺陷的尺寸和数量相应地减少,从而增加其显微硬度.本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！。

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。