正电子湮灭实验报告xxx

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，湮没过程中发射的丫光子，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?，在100-250ps，少数几咱碱金属的f值超过300ps；捕获态正电子寿命d比相同介 质的自由态正电子寿命f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值。 2根据Dirac理论，发生双光子湮灭的几率为Rnn0cne，其中c是光速1, r0为电子 经典半径，ne为物质的局域电子密度。所以正电子的湮灭寿命ne，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ne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B+ ._._. %._ .实验中用的正电子一般来自放射性同位素的衰变，能发射正电子的放射性同位素有22Na、58Co、64Cu、68Ge等，常用的源是22Na源，它放出的正 电子最 大动能为0.545MeV半衰期2.6年。它的衰变纲图如下所示。图1、22Na的衰变纲图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。介质中 正电子从热化结束到湮没这一时间间隔的长短与介质的微观结构密切相关，但正电子 进入介质后的热化时间只需几个ps，它与热化结束到湮没这段时间相比，可以忽略不计。正电子湮没寿命的实验测量原理如下：22Na首先发射e，衰变到22Ne的激发 态，此激发态的激发能为1275keV,寿命约为3x 10-12S。22Ne发射1275keV的丫射 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 和丫射线是同时发射的。因此，测量正电子寿命时，1275keV的丫射线可作为e 诞 生的时标信号，而e 湮灭时放出的两个511keV的丫光子，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。实验设备：测理正电子寿命的实验装置称为正电子寿命谱仪。目前常用用的有快-慢符合系统和快-快符合系统，本实验采用-快符合系统1.寿命谱仪的组成22Na、60CO 放射源，各1个周压电源型号5562个BaF2闪烁体探测器2个恒比微分甄别器型号5832个快符合电路型号414A1个延时器型号DB4631个时幅转换器型号5661个NIM机箱型号25001台多道分析器1个PC机12.寿命谱测量快-快符合电路图2、快-快符合电路整体工作过程：当放射源22Na放出的1.28MeV的丫光子被起始道闪烁探测器 所探测，从阳极输出信号经恒微分甄别器后，进入时间幅度转换的起始道；与这个 1.28MeV的丫光子“同进”放出的正电子进入待测样品，经某一段时间后 湮灭，放 出0.511MeV的丫光子被终止道闪烁探测器探测到，产生终止信号，经 恒比微分甄别 器进入时间幅度转换器的终止道。当两信号的时间差在时间幅度转 换器的量程内 时，可转换出一个电压脉冲幅度正比于两信号时间差的脉冲。实验步骤1. 恒比微分甄别器阈值设定阈值设定电路如下：图3、恒比微分甄别器阈值设定按如图所示的电路连接：分别从探测器的打拿极和阳极取出信号，阳极 信号经过恒比 微分甄别器后输出方波作为多道的门信号，则多道显示的为打拿极的能谱，调节甄别 器阈值，使多道只显示1.28MeV和0.511MeV的丫光子 反冲电子的能谱。对于起始道，只允许接收1.28MeV的丫光子信号，其对应的反冲电子能量 在0-1.06MeV间，为排除0.511MeV的丫光子信号，则其能区选在0.53- 1.06MeV间；而终止道0.511MeV的丫光子反冲电子能量在0-0.341MeV间，但 其不可能完全排除1.28MeV的丫光子影响，一般选择能区0.23-0.34MeV间。2. 进行谱仪的时间刻度在已定的工作条件下，将60CO放射源放在两个探头的中间位置，调节延 迟 器上的延迟时间，分别测量在不同延时下60C。的瞬时符合谱。记录下该谱的峰 位中心道址。3. 选取最佳延迟时间调节不同的延迟时间，记录在相同时间条件下测得的谱的峰位计数，取 峰位 最稳定延迟时间作为最佳延迟时间，在最佳延迟时间下进行瞬时符合谱及寿命谱 的测量。4. 测量60Co源的瞬时符合谱，确定谱仪的分辨时间由于60Co源很容易获得，且级联发射的1.17MeV和1.33MeV两条丫射线。 因中间能级的寿命很短（小于10-12秒），故此两个丫光子可被认为是同一瞬时 发出的。在已选定的最佳延迟时间等工作条件下，测量60CO两个丫光子的时间 谱，得到一个高斯型的曲线，即称为瞬时符合谱，60CO瞬时符合谱的半宽度FWH来表征时间谱仪的分辨时间大小。5. 测量样品的正电子寿命谱将60Co源换成夹着两个Al片的22Na源，在已选定的最高压、恒比微分 阈 值、最佳延迟时间等条件下测量正电子在Al中湮灭的寿命谱。在已选定的工作条件下测量该样品的正电子寿命谱。为满足统计精度要求， 每个谱的总计数在106个以上。6. 谱数据处理使用解谱程序，调整解谱参数，以获得满意的合理结果。实验数据处理1. 恒比微分甄别器阈值设定由实验报告中的电路调节阈值，使起始道和终止道分别接收 1.28MeV和 0.511MeV的丫光子产生的脉冲信号，用甄别器对幅度进行选择，让满足条件 的 信号通过。起始道阈值：0.41.31终止道阈值：0.40.62. 对谱仪进行时间刻度4000350030002顽15001000500延时（ns）481216峰位道址58698413831789延时（ns）20242836峰位道址2192259129883789时间刻度拟合方程：y= 100 15 lt+186.13则每道所对应的时间为9.99ps。3.选取最佳延迟时间在多道中，预设测量时间为1000s，在不同延迟时间条件下峰位的计数随道数的变化:延时（ns）0481216计数032503854延时（ns）2024283236计数4547375450由于60Co源在所选定阈值下的计数较低，峰位计数随延时的变化不明显，则将最佳延迟时间选在12ns24ns这段较为稳定的时间段中，选择最佳延迟时间为4. 测量啪源的瞬时符合谱9t-就件广城存MCAum-Tm 11畚地 查剖*Jig 0Mt IUMH，丽打即 AjRt 。福味胃些r IDCiII 叫,31 德11DG 1 lf:DniAMK总 魅M ftMi2如弟t!柬.壁中心if：?7in *耳#羊eihek 耳村南时rifin& U加宜酎粕！ buu * 衅 sum H *t MUIM JUf 而 X HUH Ml ：1版券,利用解谱程序:ITERATION CYCLE NO 1 COMPLETEDP O S I T R O N F I T . VERSION MAR 89 . JOB TIME 11:26:39 01-JUN-13*No 1-1*3 00 1 0 0 1TIME SCALEAREA RANGENS/CHANNEL0.0100STARTS IN CH. 1 AND ENDS IN CH.1000STARTS IN CH. 50 AND ENDS IN CH. 800FIT RANGERESOLUTION FWHM (NS)FUNCTION INTENSITIES (%)SHIFTS (NS)INITIAL TIME-ZERO (CH.NO):PARAMETERS LIFETIMES (NS)BACKGROUND0.2200100.00000.000052.0000G0.1500G 0.4000G 1.2880GFIXED TO MEAN FROM CH. 750 TO CH. 900S O U R C E C O R R E C T I O N19.7815# F I N A L R E S U L T S #CONVERGENCE OBTAINED AFTER 28 ITERATIONSVARIANCE OF THE FIT =2.372 WITH STANDARD DEVIATION 0.052CHI-SQUARE = 1764.58 WITH 744 DEGREES OF FREEDOMSIGNIFICANCE OF IMPERFECT MODEL = 100.00 %LIFETIMES (NS):0.07140.27661.4059STD DEVIA TIONS :0.00310.00230.0102INTENSITIES (%):3.896567.031929.0716STD DEVIA TIONS :14.926087.652627.2744BACKGROUNDCOUNTS/CHANNEL:19.7815STD DEVIA TIONS :MEANTIME-ZEROCHANNEL NUMBER:71.3924STD DEVIA TIONS :136.4187TOTAL-AREAFROM FIT :6.18341E+05FROM TABLE6.17848E+05# P O S I T R O N F I T #TIME FOR THIS JOB: 0.60 SECONDS.实验结论在解谱程序中设置了寿命谱包含三种寿命成份，解谱得三种寿命成份分别为:0.0714ns， 0.2766ns，1.4059ns。