正电子湮没寿命谱仪

正电子湮没寿命谱仪正电子的发现与正电子源三种实验方法正电子寿命谱仪的调整正电子寿命谱仪的指标测量实际应用正电子的发现•自从1930年由英国物理学家P.Dirac从理论上预言了正电子的存在，以及1932年美国物理学家C.D.•Anderson在宇宙射线中发现了正电子的存在以后[1]，正电子湮没谱学(PositronAnnihilationSpectroscopy，PAS)首先在固体物理中得到了应用，并在六十年代后期得到了飞速发展。它已在材料科学，特别是缺陷研究和相变研究中发挥了重大的作用。•正电子是电子的反粒子，除所带电荷与电子相等，符号相反之外，其它特性均与电子相同。正电子进入物质后遇到电子会发生湮没，同时放射两个或三个湮没γ光子。用核谱学方法探测这些湮没辐射光子，可以得到有关物质微观结构的信息。利用正电子湮没谱学研究材料具有许多优点。它提供了一种非破坏性的探测手段，因为信息是由穿透材料湮没辐射所带出的。它不需要特殊的样品制备。另外，在某些应用中，它还可以做原位研究，如在升温过程中的化学反应动力学过程等等。实验证明，正电子湮没谱学是研究金属、半导体、高温超导体、高聚物等材料中的微观结构、电荷密度分布、电子动量密度分布极为灵敏的工具。正电子源—22Na正电子从发射到湮没过程示意图•正电子与电子碰撞时会发生湮没现象，这时质量转变成能量。v大多数情况下，正电子—电子对（简称为湮没对）湮没后变成两个γ光子。•v若湮没时湮没对静止，则根据能量守恒与动量守恒可知，两个光子将沿180°相反方向射出，每个光子的能量为：•E0=moC2-Eb/2•式中m0电子静止质量，C为光速，Eb是正电子—电子之间的束缚能，一般只有eV数量级，与m0c2这一项相比很小，通常略去不计。所以正电子湮没放出的每个γ光子的能量为：Eo≈moC2•代入具体数值可以求褥湮没辐射的每个γ光子的能量为：•Eo≈51lkeV≈O．51IMeV正电子湮没寿命谱测量、2γ湮没角关联、湮没能量的Doppler展宽.三种实验方法多普勒展宽测量Cu形变前后的正电子湮没Doppler展宽曲线正电子湮没寿命谱仪调整方法•确定探测器高压电压•能量刻度•横比甄别器阈值能量刻度•时间刻度•测量指标--时间分辨率系统初始设置•此系统为快符合时间系统，设置时间范围为：10ns~100ns;•TAC--时-幅度变换器分析范围：100ns•延迟器设置：对起始道总的延迟：64ns•对终止道总的延迟：96ns•CFD延迟设置：•CFDelay=1.1（上升时间）-0.7ns•电缆线固有延迟：50ps/cm•取40cm电缆接在CFD的CFDelay端确定起始道、终止道探测器高压电压•将放射源60Co装到放射源插槽内，将二个探头（起始道和终止道）放置在尽可能贴近放射源的位置，阳极输出通过50Ω电缆接到350MHz示波器上，示波器在此输入端要有50Ω的终端匹配。调整负高压到探头在50Ω负载上达到≈3Vp-p值的负极性信号。脉冲宽度（上升时间10%到下降时间10%）10nS左右。卡住高压电位器度盘，记下此时的高压值。系统连接与探测器阳极输出信号•能量刻度连接图示波器察看探测器阳极信号横比甄别器过零监测用22Na放射源做能量刻度起始道/停止道能量刻度的计算公式根据能谱图找出A点数据和B点数据，算出22Na511KeV的康普顿边缘340KeV(E1)所在道数ChE1和1280KeV(E2)的康普顿边缘1062KeV所在道数ChE2。ChE1=(A-B)/2+B；ChE2=B/2求出能量刻度斜率K=(E2–E1)/(ChE2-ChE1)=(1062KeV-340KeV)/(ChE2-ChE1)；(单位为KeV/Ch)其中ChE2为（E2）1062KeV对应的道数;ChE1为(E1)340KeV对应的道数。刻度值1062KeV/ChE2(E2)应与340KeV/ChE1(E1)基本相同，差值在1%左右，如差值＞5%时，需查找原因，解决能量线性问题，更换光电倍增管或电压前置放大器通常可以解决这个问题。下一步就要求出平均零点能量ao=(a2+a1)/2，单位KeV。a2=KxE2对应的能量，单位为KeV；a1=KxE1对应的能量，单位为KeV。最终得到能量刻度公式为：E=ao+KChn；式中Chn为多道中任意道数。CFD—恒比甄别器对横比甄别器的阈值做能量刻度起始道/停止道恒比甄别器上、下阈值的能量刻度调整将恒比甄别器的下阈调到(LLD)-2000mV,上阈调到最大，测谱，得到如图5所示的谱图，在计数C/2处的道址为ChE3,此处的能量值E3为:E3=ChE3xK+a0;单位为KeV。起始道/停止道恒比甄别器阈值的幅度/能量为E3/下阈的阈值,即每mV对应的能量值：LLD/E3为恒比甄别器下阈的能量刻度，单位为mV/KeV。起始道/停止道恒比甄别器的上阈ULD能量刻度方式同下阈刻度，只是此时将下阈LLD调到最小，上阈调到-2000mV。同样得到E3和ULD/E3。时间刻度系统连接•时间刻度系统连接时间刻度•仅将起始道探头的阳极信号接到起始道恒比甄别器的输入端（Input）,恒比甄别器的两个输出端（Timingoutputs）分别接到两组延时器，操作方法及系统设置：•延时器初始设置起始道延时64ns;终止道延时:84ns，收集一个谱，峰道计数≥2000计数，记此•峰道数Ch0，和T0=终止道延时时间-起始道延时时间,改变停止道的延时时间T1(一般为1、2、或4ns),再收集一个谱，峰道计数≥2000计数，记下此峰道数Ch1。此时的时间刻度系数TC为：•Tc=ΔT/ΔCh单位为ps/Ch(10-12秒/每道)•ΔT-----T1-T0单位为ps（10-12秒）•ΔCh--------Ch1-Ch0单位为Ch(道数)快-快符合正电子湮没寿命谱仪测量连接时间分辨率测量•延时器设置：起始道延时64ns;终止道延时:84ns•时-幅变换器设置：分析范围100nS;工作方式：INT(内触发)•起始道恒比甄别器设置：能量范围：800KeV(下阈)—1150KeV(上阈)•停止道恒比甄别器设置：能量范围：700KeV(下阈)—1000KeV(上阈)•起始道/停止道恒比甄别器功能开关设置：DIFF(微分)；CF(恒比甄别)设置•纳秒级快符合器设置：符合时间20—40ns•高压电源设置：负极性，多道分析器设置：多道的谱长设置为2048/4096道•塑闪探测器设置：起始道的探头与终止道的探头放置在同一直线上•60Co放射源放置位置：放置在起始道探头和终止道探头之间。时间分辨率测量•在完成了系统设置之后，系统开机预热30分钟测量60Co的时间谱，累计峰计数达到5000以上。停机、寻峰、显示出此时的半高宽度(FWHM)，乘以时间刻度系数Tc,即为谱仪系统在60Co能量窗条件下的时间分辨率。•R=FWHMxTc（单位为ps），结果应符合≤200ps。如达不到此指标，需仔细检查系统接地，和电缆线连接是否正常，如不正常，搞好接地和更换信号电缆。快-快符合正电子湮没寿命谱仪测量连接对于塑料闪烁探头，起始道应该让多道分析器能排除能量为0．51IMeV，射线产生的终止信号，所以通常选取583的下甄别阈只能允许通过康谱顿反冲电子的能量在0.53～1．06MeV范围内的信号，成为2：1动态。而终止道要完全排除1．28MeV信号的干扰是不可能的，因为它与0．511MeV的康普顿反冲电子能量谱有重叠的部分，一般选取能窗为0．23～0．34MeV，3：2动态也就能很好地去除1．28MeVy射线的自身散射符合和两个0．511MeV，射线符合的假事件了。上面所介绍的起始道能窗0.53～1．06MeV，终止道能窗0.23～0.34MeV是对使用正电子源Na-22，并使用塑料闪烁探测器情况而言的。一般起始能窗开在1．28MeV，射线的光电峰处，终止能窗开在0．511MeVγ射线的光电峰，由于0.511MeV光电峰计数与1.28MeV康普顿连续谱的计数相比大许多，所以1.28MeV的信号对终止道的干扰就交得很小了。正电子湮没寿命谱仪能窗设置•终止道能窗：0.23～0.34MeV•起始道能窗：0.53～1．06MeV样品一般要求•被测样品的厚度不应过厚•一般厚度要求：不能大于50微米•常用厚度为20—30微米。Fe样品中正电子寿命初步测量•在与上述相同的能窗下，用Na-22测一Fe样品寿命谱，得到谱如下图所示。Fe纳米微晶、非晶态合金的室温正电子湮没寿命谱(a))Fe超微粒;(b))纳米微晶Fe;(c))非晶态合金Fe8512B1418;(d))多晶Fe金属Na的典型正电子湮没寿命谱Cu形变前后的正电子湮没Doppler展宽曲线