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1、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
2、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Y光子，发射单个光子或三个光子的湮灭过程，但几率极小。卩+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0.511M
3、eV的y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R g n2cn，其中c是光速，为电子经典半径,0 e0n为物质的局域电子密度。所以正电子的湮灭寿命t g丄，当物质结构的发生变 ene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变化, e 正电子湮灭寿命也随之发生改变。(2) 测量正电子寿命的实验原理常用的卩+源是22Na源，它的衰变纲图如图1所示。22Na首先发射e+，衰变 到22Ne的激发态，此激发态的激发能为1
4、280keV，寿命约为3x10-12so 22Ne发射 1275keV 的 y 射线退激到 22Ne 的基态。在时间谱仪的分辨时间为 10-10s 时，可以 认为衰变过程的e+和y射线是同时发射的。因此，测量正电子寿命时，1275keV 的Y射线可作为e+诞生的时标信号，而e+湮灭时放出的两个511keV的y光子， 可作为e+湮灭的时标信号。测量正电子产生和湮灭的时标信号之间的时差，即得 正电子寿命。图 1 、 22Na 的衰变纲图(3) 固体中的正电子湮灭寿命分析在晶格完整的金属内部，正电子湮灭是自由态湮灭，正电子寿命谱基本上可1用单指数函数描述，即Y(t) = Ne-At，湮灭寿命t二。0
5、A通常的实验中，正电子寿命谱包含有几个指数衰减成份，正是由于金属晶格 中存在缺陷。当金属中出现单空位缺陷时，正电子被缺陷捕获后不再自由扩散， 缺陷处的电子密度较低，因此正电子的寿命增长。nY (t)=工 N e 一九/0jj=1解谱时需要从最后一个时间成分开始反解。由于A八An ,当t足够大时,12Y(t)显N0 e-7，取对数有InY(t)沁InN -A t，求斜率即得到九和t。类推,0 n0nnn nY(t) N e-Ant 沁 Ne-An-1tln Y(t) 一N e-Ant丿u lnN -a t.0n0n-1，0n0 n-1n-1 ；Y(t)-兰 N e-Ajt u N e-At0 j
6、01，j=2lnnY (t) - Y N e-Aj 0 jj=2u ln N01-A t1；逐项迭代，最终得到各个湮灭成分的寿命t、TT。12n图 2 、测量正电子寿命的时间谱仪原理图四、实验步骤：Q按图2所示线路图连接仪器，预热10min,打开微机，进入多道UMS；Q将60Co放射源置于样品架上，调节探头I和II的工作电压和放大倍数， 使康普顿谱的半高约在700-800道。探头I高压量程取为2keV,高压调节钮读 数8.4，探头II高压为1500+300V；Q调节I和II路单道的阈值和道宽，取半高点为N0,道宽对应的多道宽度 为AN,使AN/ N0945%。根据两路各自的测量结果，对I路选择
7、阈值为404 道, 道宽332道，对II路选择阈值为410道，道宽336道；Q用延迟线单元对时幅变换器进行时间刻度，延迟时间分别取16ns、20ns、 24ns、28ns、32ns,测量峰位道址，通过线性拟合得到时间刻度；取延迟时间16ns,测量有能选时60Co的瞬时符合谱，与无能选时的符合 谱比较时间分辨率，观察能选对分辨时间的影响；固定I路的符合单元延迟时间，调节II路的延迟时间，用定标器每次计 数30s，测量Nc-td曲线，确定II路的最佳延迟时间；换上22Na源，分别找到慢道1275keV的丫峰和快道511keV的丫峰，调 节各自单道的阈值和道宽，使道宽对峰位半高点的比值AN/N940
8、%，符合后作 为能选信号输入时幅变换器的“选通”端；开始测量正电子的湮灭寿命，测量时间约为10000s，使峰值计数累计到 7000 以上，打印正电子的湮灭时间谱及每道计数。拟合出长短两个寿命，长寿命取 30-40 道数据，短寿命取约 20 道数据；Q将放射源放回铅盒内，降下高压，关闭电源，归整仪器。五、实验结果和分析 （1）利用 60Co 射线刻度时幅变换器5 个不同延迟时间的测量谱如图 3 所示：表 1、时幅变换器的时间刻度延迟/ ns1620242832峰位道址133.80209.42285.47362.17437.09FWHM7.768.548.408.779.03图 4、时幅变换器的时
9、间刻度曲线线性拟合结果：T (ns) = B*V +AParameter Value ErrorA8.95585 0.03065B0.05268 1.00445E-4RSD N P0.99999 0.02412 50.00012)能选对时间分辨率的影响：使用60Co射线测量，延迟时间取为16ns，有能选的测量时间谱如图5所示表 2、有、无能选下系统的时间分辨率参数峰值FWHM分辨率无能选133.807.765.8%有能选136.197.165.3%由表 2 可见，加入能选之后，系统地时间分辨率得到了一定的提高。3)符合单元的最有延迟时间选择：表 3、计数与符合单元的延迟时间的关系延迟/Us计数
10、延迟/Us计数延迟/Us计数01182.22183.82290.5982.32303.92701.01052.42434.02491.51072.62444.12481.71072.72454.22541.8902.722514.32471.91372.82684.42092.01372.92394.52132.021573.12274.61832.041783.32374.71372.081833.52384.81082.11983.72244.997图 6 、计数 Nc 与符合单元的延迟时间 td 的关系曲线由图6可见曲线的半高点位于td=2.0us和4.7us处，故取最佳延迟时间Td=(
11、td1+td2)/2=3.3us（4）正电子湮灭寿命测量：用I路作为快道记录1280keV的y射线，单独测量得康普顿峰的右侧半高点 道址为N0=740，调节单道的阈值和道宽，使计数起始道址为406,道宽334；用II路作为快道记录511keV的y射线，单独测量得康普顿峰的右侧半高点 道址为N0=252，调节单道的阈值和道宽，使计数起始道址为126，道宽126；按图2所示同时测量两路的信号，得到的时间谱如图7所示。可以明显看出 时间谱中至少存在一快、一慢两个衰减时间成分。Y （t）二 N exp（九 t） + N exp（九 t）01 1 02 2A.首先分析慢成分：取 t 的时间道为 172-
12、211 道，有In Y （t） = In N 九 t02 2表 4、长寿命正电子成分的衰变计数道数Y (t)道数Y (t)道数Y (t)道数Y (t)172921827219253202311731051836219347203411748618452194442043517587185581955320530176801866319657206191778318753197462073317863188591983920826179641895319945209241806719057200352102918192191472014421124图 8、半对数坐标下长寿命正电子成分衰变时间谱线
13、性拟合结果：LnY(t) = B*t (道)+ AParameter Value ErrorA 10.138170.30132B -0.032480.00157R SD N P -0.9592 0.11255 39 0.0001所以长寿命t =丄=丄沁30.7882 (道)2九-B2根据时间刻度关系AT (ns) = 0.05268*V(道)，得t 沁 1.62ns2B.再分析快时间成分：取t的时间道为14(0-160道，有、ln VY(t) N e-)= ln N 九 t02 01 1表 5、短寿命正电子成分的衰变计数道数Y (t)道数Y (t)道数Y (t)140597114714381545481415154148123215550014240921499921564071433352150865157397144264315176115834714522211527251593341461841153656160311图 9 、半对数坐标下短寿命正电子成分衰变时间谱线性拟合结果：LnY2(t) = B*t(道)+ A parameter Value ErrorA33.719880.70013B-0.180140.00466RSD N P-0.99369 0.12941 21 0.0001所以短寿命
