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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。
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。
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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。
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。
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。
第28卷 第12期 核 技 术 V ol. 28, No.12 2005年12月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2005国家自然科学基金项目（No.59895152）资助第一作者：郭建亭，男，1938年出生，1962年毕业于北京钢铁学院，材料学，研究员 收稿日期：2004-04-13，修回日期：2004-06-03正电子湮没技术测量冷却方式对Zr 在Ni 3Al 中扩散行为的影响郭建亭 李玉芳 熊良钺（中国科学院金属研究所高温合金研究部 沈阳 110016）摘要 测量了在Ni 3Al(Zr)合金经高温均匀化处理后，在空冷和水冷条件下的正电子寿命谱。
结果表明，Ni 3Al(Zr)合金经高温均匀化后，随即进行空冷时，随着Zr 含量的增加，正电子在合金中的寿命谱特征参数降低，捕获率K 降低。
表明Zr 原子扩散到晶界，并在晶界偏聚。
而合金经高温均匀化后水冷时，合金的正电子寿命谱特征参数随着Zr 含量的增加几乎没有变化。
由于冷却速度较快，Zr 原子来不及扩散到晶界上，而以固溶方式存在于Ni 3Al 基体中。
关键词 正电子湮没，Ni 3Al ，Zr ，水冷，空冷，扩散 中图分类号 0571.1, TG111.6, TG146.1+5富含Ni 的多晶Ni 3Al 中加入微量的硼，可以显著改善合金的在室温下的塑性，并使断裂方式由沿晶变为穿晶[1—4]。
一般认为，硼原子偏聚到晶界上，抑制了Ni 3Al 合金的环境脆性[5]。
添加适量的Zr 不但能提高亚化学计量比Ni 3Al 合金的塑性，而且能提高过化学计量比（x (Al)≥25%）Ni 3Al 合金的室温塑性[6]。
研究发现，在富Ni 和富Al 的Ni 3Al 合金中，Zr 都能偏聚到晶界[7,8]。
Zr 的塑化作用与其在晶界的偏聚有关[8]。
因此，Zr 在晶界的偏聚量的多少将对Ni 3Al 合金的力学性能产生很大的影响。
对不同的热处理工艺，Zr 原子在Ni 3Al 晶界处的偏聚量不同。
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。
本科生毕业论文（设计）题目正电子湮没寿命测量学院物理学院专业核工程与核技术学生姓名孙世超学号********** 年级2009级指导教师梁勇飞教务处制表二Ο一三年五月二十日正电子湮没寿命测量专业：核工程与核技术学生：孙世超指导教师：梁勇飞摘要正电子寿命测量实验是大学核电子学实验课程的主要内容，而很多文献资料中具体实验过程的描述相对较少。
实验中用22Na为放射源Al为湮没材料，测量22Na的级联辐射和淹没光子之间的时间差作为正电子在Al中的淹没寿命。
主要研究正电子寿命测量实验中具体的试验方法和过程，包括延时调节，阈值调节，能量刻度，时间分辨率测量，以及数据分析等内容。
关键字正电子湮没寿命阈值分辨率英文摘要Positron lifetime measurement experiments are the main content of university nuclear electronics experimental course , and the description of the experiment process in the document literature is relatively small. was used as a radioactive source，and Al was used as Annihilation material.The interval between the occurance of cascade photons and the occurance of Submerged photon is been measured as Positron annihilation lifetime.the experiment mainly research in experimental operation and process,including the adjustment of delay time,threshold adjustment ,energy calibration, measurement of Time resolution and experimental data analysis.目录摘要 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 - 英文摘要------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 -第一章引言 ------------------------------------------------------------------------------------------- 3 - 第二章正电子与正电子湮没概述----------------------------------------------------------------- 4 - 第一节正电子与正电子淹没 ------------------------------------------------------------------ 4 - 第二节正电子在介质中的行为 --------------------------------------------------------------- 4 - 第三节正电子湮没寿命谱 --------------------------------------------------------------------- 5 - 第四节正电子湮没谱学------------------------------------------------------------------------ 5 - 第章实验原理----------------------------------------------------------------------------------------- 6 - 第一节实验原理及框图 ----------------------------------------------------------------------------- 6 - 第二节仪器介绍 -------------------------------------------------------------------------------- 7 -2.1时幅转换器 ----------------------------------------------------------------------------- 7 -2.2恒比定时甄别器------------------------------------------------------------------------ 8 -2.3快符合电路 ----------------------------------------------------------------------------- 8 -2.4多道分析器 ----------------------------------------------------------------------------- 9 - 第四章实验内容 ------------------------------------------------------------------------------------ 9 -1.阈值调节---------------------------------------------------------------------------------------- 9 -2.延时调节------------------------------------------------------------------------------------- - 12 -3.参数设置------------------------------------------------------------------------------------- - 13 -4.读取数据------------------------------------------------------------------------------------- - 13 -5.时间刻度------------------------------------------------------------------------------------- - 14 -6.时间分辨率测量 ---------------------------------------------------------------------------- - 15 -7. 数据处理 ----------------------------------------------------------------------------------- - 16 -讨论对实验寿命值产生影响的若干问题------------------------------------------------ - 18 -1. 背散射--------------------------------------------------------------------------------- - 18 -2. 能窗设置------------------------------------------------------------------------------ - 19 -3. 统计误差------------------------------------------------------------------------------ - 19 - 致谢 -------------------------------------------------------------------------------------------------- - 20 - 参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------- - 21 -第一章引言1930年Dirac预言了正电子的存在，Anderson于1932年在宇宙射线中发现了正电子，揭开了研究物质与反物质的序幕，正电子素的发现加深了对正电子物理的研究，也形成了一门独立的课题正电子淹没谱学。
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。
正电子湮没技术主要是利用双光子湮没。
设正负电子湮没时动量近似为零，则湮没后，正负电子的全部静止质量转变为2个γ光子的能量，总动量仍应保持为零。
因此两个光子将沿着相反方向射出，且带有相同的511 keV 能量。
对于非相对论速度运动的非极化正、负电子，Dirac 计算了产生双光子湮没的截面γσ2v c r /202πσγ= （2）其中0r 是电子经典半径，c 是光速，v 是正电子的速度。
自由正电子的湮没率依赖于γσ2和湮没位置附近的电子密度。
若介质每立方厘米体积中的电子数为e n ，则湮没率λ由下式给出e e cn r n 202πυσλγ==（3）正电子寿命定义为 λτ1=（4） 因此，测量正电子寿命可以得到有关电子密度的信息。
电子密度愈大湮没率愈大，正电子寿命愈短，反之亦然。
2．正电子在介质中的行为 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22Na 、58Co 、64Cu 、68Ge 等。
在正电子湮没谱研究中最常用的同位素是22Na ，它放出的正电子最大动能为0.545 MeV ，半衰期为2.6年。
正电子射入样品后的行为，可分两个阶段，即热化阶段和扩散湮没阶段。
在热化阶段，具有很高动能的正电子射入介质后，与原子分子发生一系列非弹性碰撞，能量迅速从keV 量级减至热运动能量，即小于1 eV 。
这一过程所需时间很短，一般为几个皮秒（ps ）。
由于正电子动能损失主要发生在热化阶段，所以，正电子在样品中注入的深度，主要由热化阶段决定。
正电子在金属中的射程R 通常为20～300μm 。
在实验中，样品应足够厚，以保证正电子不会穿透样品，否则正电子与周围介质湮没，将干扰实验结果。
样品的最小厚度应为（3～5）R ，它依材料不同而异，当然与放射源的种类也有关。
热化后的正电子在介质中自由扩散，此乃扩散阶段，最后与电子湮没。
在固体中，这一阶段持续时间约为100～10 000 ps 。
正电子寿命是由这一过程的持续时间决定的。
因为热化阶段时间相对扩散湮没阶段时间很短，因此，实验上可把从测得的正电子入射时刻算起，到正电子湮没为止的时间间隔看作正电子的寿命。
在金属中，正电子自由态湮没的典型寿命值为170 ps （铝）。
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（如空位、位错、微空洞等），情况就将不同，因为在缺陷处电子密度较低，且呈负电性，由于库仑力作用，正电子容易被缺陷捕获，以后再湮没，这就是正电子的捕获态湮没过程。
由于缺陷中总电子密度较低，于是正电子寿命较长。
例如束缚于铝空位中的正电子，其寿命值约为240 ps 。
通常总有f d ττ>，这里脚标d 和f 分别表示正电子的束缚态和自由态。
缺陷的线度越大，d τ越大。
理论估计包含五个单空位的铝空位团，其寿命值约为350 ps 。
因此，正电子的寿命反映了介质中缺陷的大小和种类。
另一方面，缺陷浓度越高，当然正电子被捕获的机会越大，则相应的长寿命成分在寿命谱中所占的相对强度也越大。
因此，长寿命成分的相对强度能反映缺陷的浓度。
3．正电子素及其湮没正电子在气体、液体和某些固体中能形成一种亚稳态——正电子素（记为Ps）。
它是正电子在热化过程中，从环境中捕获一个电子而形成相互束缚着的电子—正电子对。
它类似于氢原子，构成电中性体系。
随正电子和电子的自旋取向的反平行或平行，正电子素存在两种状态，即单态正电子素（自旋反平行），记为P-Ps和三重态正电子素（自旋相互平行），记为O-Ps。
在真空中P-Ps的本征寿命为1.25×10–10s；O-Ps的本征寿命为1.4×10-7s。
由此可知，O-Ps的寿命比P-Ps的寿命长三个数量级。
但是，在几乎所有的介质中，或在强磁场中，都能发现O-Ps的寿命比本征寿命要短许多。
在凝聚态中，O-Ps的寿命可缩短到几个纳秒（10-9s）或更小。
这主要是存在着使O-Ps 寿命缩短的猝灭过程。
猝灭有四种主要形式：拾取猝灭、转换猝灭、磁猝灭和化学猝灭。
4．正电子湮没寿命谱测量原理实验用放射源22Na，其衰变纲图如图1所示。
该源发生+β衰变放出一个正电子后几乎同时（仅迟3 ps左右）还发射一个能量为1.28 MeV的γ光子。
因此，测量1.28 MeV的γ光子与正电子湮没后放出的γ光子（0.511 MeV）之间的时间间隔，就可得到正电子寿命。
对每个湮没事件都可测得湮没过程所需时间。
对足够多的湮没事件（~106个）进行统计，就可得到一个正电子湮没寿命谱。
图1 Na22衰变图5．数据处理方法一般情况下，实际样品中的正电子湮没寿命成分有许多种，但由于仪器时间分辨本领的限制，能顺利分解出的寿命成分最多只有四个左右时间谱仪的时间分辨曲线，即对一个瞬发事件的响应，可以借助于60Co放射源进行测量。
因为它的1.17 MeV和1.33 MeV两个光子几乎是“同时”发射的，用寿命谱仪对这两个γ光子的时间间隔进行测量，可以得到近似于高斯分布的曲线，即⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=22)(exp1)(σπσTttP（5）式中2σ是标准偏差，T是谱仪的时间零点。
由此可以得到用半高度处的全宽度表示的时间分辨率tδ为σδ⋅=2ln 2t（6）理想的寿命谱可用几个指数衰减成分的叠加来表示∑=-=N i t i i i e I t S 1/*)(ττ （7）式中N 为寿命谱的成分个数，i I 为第i 个寿命成分的强度，i τ为相应成分的湮没寿命。
但由于仪器有时间分辨函数的影响，实测谱为⎰∞∞-''-'=t d t t P t S t S )()(*)( （8）它是理想寿命谱与分辨函数的卷积。
由实测的S （t ）和P （t ）函数，可用去卷积方法求出S *(t )。
现在将（5）式和（7）式代入（8）式中，积分后得到实验寿命谱与各个成分的关系式为⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡---⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=∑=στστσττ)(2141exp 2)(0120T t erf T t I t S i N i i i i i （9）其中dy e x erf xy ⎰-=022)(π是标准高斯函数。
采用非线性最小二乘法，将（9）式与实验测得的寿命谱进行最佳拟合，即可求出寿命谱成分的寿命值i τ及相应的强度i I 。
三 实验装置正电子湮没寿命谱测量装置的核心单元部件是快一快符合系统，它主要由美国EG&G 公司电子学NIM （Nuclear Instruments Module ）插件组成。
图2为正电子寿命谱测量系统框图，主要分为三部分：用于探测γ光子的塑料闪烁体光电倍增管探测器，用于测量两次事件时间差的快一快符合时间谱仪和用于显示并记录脉冲幅度分布的计算机多道分析器。
图2 正电子湮没寿命谱测量系统框图1．塑料闪烁体光电信增管当γ光子射入塑料闪烁体内时发生康普顿效应，所产生的反冲电子的能量被闪烁体吸收而发射闪烁光，这种闪烁光很微弱且持续时间很短，利用光电倍增管把微弱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．光电倍增管是由一个光阴极和多个倍增电极（又称为打拿极）以及阳极构成．在阳极与阴极之间加高压，在各打拿极上由分压电阻给出一级比一级高的电位。
为了使时间谱仪有较高的分辨率，要求选择闪烁体输出高且发光衰减寿命短的闪烁体。
光电倍增管要求对光信号的响应快且光阴极的灵敏度高．为安全起见，光电倍增管通常处于负高压工作状态，即阳极接地，阴极加负高压。
2．快—快符合时间谱仪由于待测的两次发射γ光子事件的时间间隔一般为几百皮秒（ps ），常规的时间测量手段难以胜任。
为解决这个问题，快一快符合时间谱仪采取了两项主要技术：（1）时间幅度转换器（TAC ：time to amplitude converter ）：将时间差转换成电脉冲幅度，通过对电信号幅度的测量完成测定时间的任务；（2）恒比甄别器（CFD ：constant fraction discriminator ）：确定或甄别信号的相关性，使得所接收的电信号是需要测量的时间差。
光电倍增管探测器的基座有三个接头：一个用于高压输入，另外两个分别是阳极和打拿极的信号输出。
从其中一个探测器的阳极上有某个γ光子的发射信号经过恒比甄别器（ORTEC 583）之后进入时间幅度转换器（ORTEC 567）的START 输人端；从另一个探测器的阳极上有一个γ光子的信号经过一个恒比甄别器和延时器（ORTEC DB463）之后进入时间幅度转换器的STOP 输入端．从时间幅度转换器输出的脉冲电信号，其幅度正比于这两个输入信号的时间差。
恒比甄别器是快——快符合时间谱仪中决定时间分辨率的关键部件之一。
因为光电倍增管输出脉冲的幅度和上升时间随脉冲有变化，直接用于触发一电子学线路时触发时刻会发生抖动，为了解决这个问题，采用恒比甄别器对光电倍增管的脉冲输出进行整理，它的作用是在每个阳极脉冲时间的一个恒定点（例如不管脉冲幅度多大，都是在脉冲上升至峰值的1/3处）上产生一个信号，使输入到时间幅度转换器的脉冲起始／终止时间与光电倍增管脉冲输出的起始／终止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，而只取决于γ光子发射的时刻。
