核效应分析正电子湮没技术

正电子湮没技术及其应用PredictionofpositronExistenceofpositronspredictedbyPAMDiracin1928fromrelativistictheoryofelectrons.英国物理学家P.Dirac(1902---1984)Dirac’sequationimplies:positronmass=electronmasspositroncharge=+ePredictionofantimatterDiscoveryofantimatterAnderson(1932)discoveredthepositronpredictedbyDiracDiscoveryofantimatterPositivelychargedelectronsdetectedincosmicrayspassingthroughacloudchamberimmersedinamagneticfieldAcloudchamber(Wilsonchamber)wasnormallyusedatthattimetodetecttracksofchargedparticles.Itcontainedasupersaturatedvapour.Whenachargedparticleentersthechamber,itcollideswithairoralcoholvapouratoms,producingfreeions(ionisationprocess).Vapourinthechambercondensesaroundthesefreeions,formingdroplets.Thedropletsarewhatformthetrail.ExpansiontypecloudchamberOriginalWilsonchambercloudchamberTracksofparticlesinthecloudchamberParticletrackcanbephotographed.Cloudchambercanbeplacedinamagneticfield,thusallowingthemeasurementoftheparticlemomentumwhichisinverselyproportionaltothecurvature(曲率)ofthetrackinthemagneticfield.Particlemomentumcomponentperpendiculartothefieldisp(MeV/c)=0.310-3B(gauss)r(cm)whereristheradiusofcurvature.Differenttypesofparticleswillleavedifferenttrails.Alphaparticles,whicharerelativelyheavy,willproducestraightdensetrails(left).Slowelectronsleavewispy,irregulartrails(centre).Tracksofcosmic-rayparticlesareshownontheright.正电子的基本物理特性正电子是电子的反粒子。又称阳电子，，一般用符号e+表示。两者除电荷符号相反外,其他性质（静止质量、电荷的电量、自旋）都相同。正电子的来源（Sourceofpositron）放射性核素的正β+衰变energypositronbdecayEg=1277keV22Na宇宙射线中的正电子电子对效应(Paire+-e-Production)KEKE0MeVcmhe02.122minApassingphotoncanbeperturbedbytheEM-fieldofanatom,causingthephotontodecayintoandelectron(e-)andapositron(e+).Electromagneticenergyisconvertedintomatter(massenergy).Thisiscalledpaircreation.Chargeconserved:0e-+e+Energyconserved:Minimumphotonenergy(hνmin)iswhen)()(22KEcmKEcmEEhEeegMomentumconserved:nucleusnucleusppppp'gNucleusrequiredtoconservelinearmomentum.(agammaray)能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。能量转化成质量M=E/C2M＋γ→M+e++e-1.02MeVmeme基本条件：Eγ1.02MeV电子对效应(续上)正-负电子云雾室径迹图正电子湮没(PositronAnnihilation)正电子进入物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电子相遇而湮没。正电子与电子相遇，两者同时消失而产生γ射线的过程成为正电子湮灭过程。这是质量转化成能量的过程。正电子湮灭与电子对产生是正反物质表现出的两个相反过程。即质量转化成能量的过程和能量转化成质量的过程。这是质能等效原理（E=MC2）的见证。PositronAnnihilation(MasstoEnergy)PairProduction(EnergytoMass)正电子与电子相互作用发生湮灭时，主要是发射双γ射线；而发射单个γ射线，只有当存在能吸收反冲动量的第三者（粒子）时，才有可能，发射单个γ射线的几率是很小的；据计算，发生三个γ射线湮灭按自旋平均的截面，只是发生两个γ射线湮灭的截面的0.27%。所以，正电子与电子湮灭时，主要是产生双γ射线的发射。实验证实，湮灭产生的两个γ射线具有严格的同时性和其直线性；两个γ射线的能量完全相等（为511KeV），发射方向完全相反。gg'0EEandKEKEMeVcmhe51.02minAnelectron(e-)andapositron(e+)cancollide,destroyingoneanotheranliberatingenergyintheformofaphoton.Matter(massenergy)isconvertedintoelectromagneticenergyThisiscalledpositronannihilation.Chargeconserved:e-+e+0Energyconserved:Minimumphotonenergy(hνmin)iswhen'')()(22gghhEEKEcmKEcmEEeeMomentumconserved:pppgNonucleusrequiredtoconservelinearmomentum.(agammaray)PositronAnnihilationProcess正电子湮灭率（λ）：高能正电子与介质原子周围的电子单位时间内产生湮灭的几率。λ的倒数即正电子的平均寿命τ。对双光子效应理论推导有：λ=πr02cne=4.52×109ρZ/A（s-1）r0=e3/(mec2)为电子经典半径；ne为正电子所在处介质的电子密度；c为光速；ρ、Z、A分别为吸收物质的密度，原子序数和原子量。由表达式可以看出，湮灭几率λ与正电子的速度无关。通过测量λ就能直接求出正电子湮灭时它所在处物质的电子密度ne，因此，正电子能够用作检验介质中电子密度的一种检验粒子。湮灭信息反映物质中电子的动量分布。发生湮灭时，正电子已被充分热化，能量为0.01eV量级，但物质中电子的能量为几个eV量级。因此，在实验室坐标系统中，电子对的动量值(实际为电子的动量，正电子动量几乎为零)不等于零，湮灭后产生的两个γ光子的运动方向，将会偏离其共直线。由动量守恒定律有(θ角非常小(〈10))：θ≈PT/m0C(1800–θ)角为实验室坐标系统中两个γ光子之间的夹角；PT为电子的动量P在垂直于光子发射方向上的分量。由此测得的角关联曲线能够描述物质中被湮灭的电子的动量分布。P湮灭对的动量光子的动量光子的动量2γ湮灭过程中动量守恒的矢量图湮灭辐射光子能量的多普勒移动。湮灭时正负电子对的运动还会引起在实验室系统中所测得的湮灭光子能量的多普勒移动。通常频率漂移可以表示为：△ν/ν=VL/CVL为湮灭时，正负电子对对于其质心的纵向速度，它等于PL/2m0而光子的能量正比于它的频率。因此，能量为m0C2的光子的多普勒能量移动应为：△E=(VL/C)E=CPL/2由此式可看出，测量湮灭辐射光子能量的变化量，也能够反映物质中电子的动量分布。正电子湮没的实验技术正电子湮没的实验方法：1)正电子湮没寿命谱；2)正电子湮没辐射角关联谱；3)多普勒展宽谱；4)慢正电子束技术。正电子湮没的实验设备1)正电子寿命测量正电子谱学实验通常使用正电子源是22Na，其衰变纲图如图所示。伴随着正电子发射有一个起始信号，这就是生成核22Ne退激时发出的1.28MeV的g光子。正电子在样品中湮没后发出的能量为0.511MeV的g光子是湮没事件的终止信号。正电子源22Na的衰变纲图正电子的寿命即为起始信号和终止信号之间的时间间隔，可用核电子学中的时间谱仪来测量。正电子寿命谱仪有两种，即快--慢符合谱仪和快--快符合谱仪。快--慢符合谱仪比较复杂，且谱仪计数率比较低。近年来人们都采用快--快符合谱仪，它具有调节方便，计数率高等优点。常用的快--快符合谱仪如图所示。快--快符合正电子寿命谱仪框图正电子源夹在两片相同的样品之间，并置于两探头中间。探头由BaF2晶体(或塑料闪烁体)、光电倍增管XP2020Q及分压线路组成。恒比定时甄别器(CFDD)具有两种功能，既可以对所探测的g光子进行能量选择，又可在探测到g光子时产生定时信号。调节CFDD(ORTEC583)的能窗，使两探头分别记录同一个正电子所发出的起始和终止信号--1.28MeV和0.511MeV的光子。时间幅度转换器TAC(ORTEC566)将这两个信号之间的时间间隔转换为一个高度与之成正比的脉冲信号输入多道分析器MCA(ORTEC919)。MCA所记录的即为正电子寿命谱。谱仪时间分辨率一般为3×10-10s左右，最好的已达1.7×10-10s。正电子寿命谱仪双γ角关联方法可参见长狭缝角关联测量系统示意图，这是一维长狭缝角关联测量系统示意图。正电子源通常为64Cu、22Na、58Co，测量时相对于固定探头以Z方向为轴转动另一探头,测出符合计数率随角度的分布,就可以得到电子在某个方向上的动量分布。该方法要求高精度的机械设备和强源(几十毫居里的点源)，典型的角分辨率为0.5mrad。有些工作采用多探测器系统可作两维动量分布的测量。2)双γ角关联方法3)多普勒能移测量电子--正电子对的运动会引起湮没辐射在能量上的多普勒移动。用高能量分辨本领的固体探测器可以探测正电子湮没辐射的多普勒展宽。多普勒展宽谱仪的实验装置如图所示。正电子湮没辐射多普勒展宽测量装置源--样品夹心结构与寿命测量中所用的相同。高纯锗探头测到的湮没信号经逐步放大后输入多道分析器MCA，得到湮没辐射的能谱。多普勒展宽谱仪的计数率与角关联系统相比差不多大一百倍，收谱时间短，一般用5Ci的正电子源测量一小时就足以满足统计精度。然而，缺点是此系统的分辨率不够高。目前Ge探测器最好的能量分辨在511KeV处为1KeV，相当于4mrad的等效角分辨率，这比角关联装置的分辨率大约差一个数量级。另外，这种系统还会出现电子学稳定性问题，因此稳谱器是必不可少的。多道分析器(ORTEC919)所带的数字稳谱器可以大大抑制系统的电子学漂移。由于多普勒展宽谱的能量分辨率较差，我们常用线型参数法来分析多普勒展宽谱的变化。常用的有S和W参数。S参数定义为511KeV峰中央的面积A