1、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(FH45
2、1) 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 光子，发射单个光子或三个光子的湮灭过程，但几率极小。+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
3、时，发生湮灭，放出两个 0.511MeV 的 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 ，其中 c 是光速，r 0为电子经20eRrcn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 ，当物质结1en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。（2） 测量正电子寿命的实验原理常用的 +源是 22Na 源，它的衰变纲图如图 1 所示。 22Na 首先发
4、射 e+，衰变到 22Ne 的激发态，此激发态的激发能为 1280keV，寿命约为 310-12s。 22Ne 发射 1275keV 的 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 射线是同时发射的。因此，测量正电子寿命时，1275keV 的 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 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。2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用
5、单指数函数描述，即 ，湮灭寿命 。0()tYtNe1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。 01()jntjjYtNe解谱时需要从最后一个时间成分开始反解。由于 ，当 t 足够大12n时，取对数有 ，求斜率即得到 和 。类0()ntYtNe0ln()lnYtNtn推， ，10nt te；011ln()lntnntet，1002()jnttjjYtNee0012l()lnjntjjYtNeNt；逐项迭代，最终得到各个湮灭成分的寿命 、 。12n3（4） 电
6、子学插件的线路框图图 2、测量正电子寿命的时间谱仪原理图四、实验步骤：按图 2 所示线路图连接仪器，预热 10min，打开微机，进入多道 1UMS；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， 2使康普顿谱的半高约在 700-800 道。探头高压量程取为 2keV，高压调节钮读数 8.4，探头 II 高压为 1500+300V；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 3度为 N，使 N/ N045%。根据两路各自的测量结果，对 I 路选择阈值为 404道，道宽 332 道，对 II 路选择阈值为 410 道，道宽 336
7、道；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 416ns、 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 5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 6数 30s，测量 Nc-td 曲线，确定 II 路的最佳延迟时间；4换上 22Na 源，分别找到慢道 1275keV 的 峰和快道 511keV 的 峰，调 7节各自单道的阈值和道宽，使道宽对峰位半高点的比值 N/N040%，符合后作为能选信号
8、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 8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；将放射源放回铅盒内，降下高压，关闭电源，归整仪器。 9五、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/ ns 16 20 24 28 32峰位道址 133.80 209.42 285.47 362.17 437.09FWHM 7.76 8.54 8.40 8.77 9.0310150
9、20250303504045041618202242628303234 T Linear Fit of Dat1_TT /nsV图 4、时幅变换器的时间刻度曲线线性拟合结果：T (ns) B*V +A Parameter Value Error-A 8.95585 0.03065B 0.05268 1.00445E-45-R SD N P-0.99999 0.02412 5 0.0001-（2）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 133.80 7.76
10、5.8%有能选 136.19 7.16 5.3%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/s 计数 延迟/s 计数 延迟/s 计数0 118 2.2 218 3.8 2290.5 98 2.3 230 3.9 2701.0 105 2.4 243 4.0 2491.5 107 2.6 244 4.1 2481.7 107 2.7 245 4.2 2541.8 90 2.72 251 4.3 2471.9 137 2.8 268 4.4 2092.0 137 2.9 239 4.5 2132.02
11、 157 3.1 227 4.6 1832.04 178 3.3 237 4.7 1372.08 183 3.5 238 4.8 1082.1 198 3.7 224 4.9 9760 1 2 3 4 520406080101201401601802020240260280Nctd /usNc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=(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 射线，单独测量得康普顿峰的右侧半高点道址为 N0=7
12、40，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 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。 011022()exp()exp()YtNttA 首先分析慢成分：取 t 的时间道为 172-211 道，有 02ln()ltt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）172 92 182 72 192
13、 53 202 31173 105 183 62 193 47 203 41174 86 184 52 194 44 204 35175 87 185 58 195 53 205 30176 80 186 63 196 57 206 19177 83 187 53 197 46 207 337178 63 188 59 198 39 208 26179 64 189 53 199 45 209 24180 67 190 57 200 35 210 29181 92 191 47 201 44 211 24170 180 190 20 2102.83.03.23.43.63.84.04.24.4
14、.64.8 lnY Liear Fit of Dat2_lnYlnY2(t)t图 8、半对数坐标下长寿命正电子成分衰变时间谱线性拟合结果：LnY1(t) B*t(道) + A Parameter Value Error-A 10.13817 0.30132B -0.03248 0.00157-R SD N P-0.9592 0.11255 39 0.0001-所以长寿命（道）2130.782B根据时间刻度关系 T (ns) 0.05268*V(道)，得ns2.68B再分析快时间成分：取 t 的时间道为 140-160 道，有2001ln()lntYtNeNt表 5、短寿命正电子成分的衰变计数道
15、数 Y（t）道数 Y（t）道数 Y（t）140 5971 147 1438 154 548141 5154 148 1232 155 500142 4092 149 992 156 407143 3352 150 865 157 397144 2643 151 761 158 347145 2221 152 725 159 334146 1841 153 656 160 311140 145 150 15 1605.05.6.06.57.07.58.08.59.0tlnY1 Liear Fit of Dat2_lnY1lnY1(t)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：L
16、nY2(t) B*t(道) + A parameter Value Error-A 33.71988 0.70013B -0.18014 0.00466-9R SD N P-0.99369 0.12941 21 0.0001-所以短寿命（道）15.12B根据时间刻度关系 T (ns) 0.05268*V(道)，得ps29.4综上分析：正电子在 Al 样品中的短湮灭寿命约为 292.4ps，长寿命约为1.62ns。六、实验讨论：（1） 实验中采用的是 1275keV 的 信号作为时幅变换器 TAC 的起始时间信号，511keV 的 信号作为 TAC 的终止时间信号。但实验中， 22Na 的 +射
17、线并不会全部打在 Al 片上湮灭，而且，在 Al 片中湮灭产生的 511keV 射线是各向同性发射的，因此只有一定立体角内的 射线才进入探测器。这两个因素的综合效果是 511keV 射线的探测效率较低，在探测系统上表现为 1275keV 的时间开始信号比 511keV 的时间终止信号多很多，时幅变换器很多时间内处于开门后的空转状态，而这期间的电子学噪声、1275keV 射线的反散射等因素可能导致在没有 511keV 的终止信号的情况仍有输出，引入了统计误差。对此的解决放法是采用 511keV 信号作为起始时间信号，而将 1275keV 的信号经过延迟线延迟后作为时间终止信号，从而减小偶然符合带来误差。此时多道测量的时间轴与真实的时间轴方向相反，以选定的延迟时间为基准，将时间轴反向变换就能得到真实的时间分布谱。（2） 样品的放置的设计。应该选择将 Al 片置于 22Na 源靠近测量511keV 射线的 II 路闪烁体一侧。这样 e+在 Al 中湮灭产生的 511keV 射线可以穿过 Al 片进入探测器，而绝大多说 +射线将被 Al 箔阻止，避免了 +射线直接进入探测器而在闪烁体内湮灭产生 511keV 射线信号而带来的误差计数。
