（粒子物理与原子核物理专业论文）正电子湮没寿命谱数据处理方法研究.pdf

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e x p o n e n t i a lf u n c t i o nf i t t i n go f t h ep a l sh a sb e e na t t e m p t e d t h el i f e t i m e s a n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gi n t e n s i t yo fe a c hc o m p o n e n tw e r ea t t a i n e d c o m p a r e d w i t ht h ef i t t i n gb yt h el e a s ts q u a r e sm e t h o d ，( l t 9 ) g af i t t i n gd o e s n tl e a dt o l o c a lo p t i m u m ，a n dd o e s n tn e e da n ye x p e r i e n t i a li n i t i a lv a l u e ，b u tn e e d sm u c h m o r et i m e t h e p u l s e dp a l si sg o tb y t h et e c h n i q u eo ft h ec h o p p e ra n db u n c h e r m o s t s a m p l e sa r en e g m i v e l y b i a s e da n dal o to f b a c k s c a t t e r i n gp o s i t r o n sw i l lr e t u r nt o t h es a m p l ea g a i na n da n n i h i l a t ei n s i d et h es a m p l e s ，w h i c hi n d u c eo n eo rm o r e s a t e l l i t ep e a k sa tt h et a i lo ft h ep a l s f o rt h es a m p l e sw i t hl o n gp o s i t r o n l i f e t i m e ，t h es a t e l l i t ep e a k se x i s ti nt h ec o m p o n e n t so ft h ep o s i t r o n s l i f e t i m e s ， w h i c hs e r i o u s l yi n f l u e n c et h ei n f o r m a t i o no ft h es a m p l ea n a l y s i s c o n s i d e r i n g t h ep o s i t r o n se n e r g ya n da n g l ed i s p e r s i o n ，am u l t i - t i m er e s o l u t i o nf u n c t i o n d e l a ym e t h o di su s e dt or e m o v et h es a t e l l i t ep e a k t a k i n gu s eo ft h em a t l a b f i t t i n g ，w eg e tt h et i m er e s o l u t i o no ft h es a t e l l i t ep e a k sa n dt h e i rq u o t i e n t b a s e d o nt h i sr e s u l t ，t h ed a t ao ft h em o d i f i e dl i f e t i m es p e c t r o s c o p yc a nb ec o r r e c t e d , m g e n e t i c o f c h i n a 目录 i i i 第一章正子湮没谱学和论文选题。l 1 1 正电子与正电子湮没l 1 1 1 正电子与正电子湮没1 1 1 2 正电子源3 1 1 3 正电子在介质中的行为3 1 1 4 正电子素及其湮没4 1 2 正电子湮没谱学5 1 2 1 正电子湮没寿命谱( p a l ) 一6 1 2 2 湮没丫射线多普勒增宽能谱6 1 2 3 双丫角关联( a c a r ) 8 1 3 慢正电子束技术9 1 4 论文选题主要内容及意义10 第二章正电子湮没寿命谱测量及数据分析1 1 2 1 概述1 1 2 2 常规正电子湮没寿命谱1 1 2 2 1 测量原理1 l 2 2 2 快慢符合正电子湮没寿命谱仪11 2 2 3 快快符合正电子湮没寿命谱仪1 2 2 2 4 谱仪时间分辨率的标定1 4 2 3 脉冲寿命谱1 4 2 3 1 前言。1 4 2 3 2 测量原理1 5 2 3 3 慢正电子寿命谱仪的三个指标一1 7 2 3 4 基于北京慢正电子强束流的寿命谱仪。1 7 2 4 寿命谱的数据分析1 8 2 4 1 数学模型18 i v llllll。l。l 2 4 3 用道计数表示的正电子湮没寿命谱。2 0 2 4 5 源本底扣除2 1 2 4 6 统计分析。2 2 第三章遗传算法解析正电子湮没寿命谱2 3 3 1 遗传算法简介。2 3 3 1 1 遗传算法的特点和应用2 3 3 2g a 与现有的几种解谱程序的比较2 4 3 3 遗传算法参数设定2 4 3 3 1 初始种群产生2 5 3 3 2 个体适应度计算2 5 3 3 3 选择、交叉与变异参数2 6 3 - 3 4 终止条件2 6 3 3 5 运行参数2 7 3 3 6 程序流程图和主程序2 7 3 4 结果和讨论2 9 3 5 结论31 第四章脉冲寿命谱卫星峰修正3 2 4 1 脉冲寿命谱存在的问题3 2 4 1 1 实验现象一3 2 4 1 2 卫星峰成因3 3 4 2 去除脉冲寿命谱卫星峰3 4 4 2 1 模型假设3 4 4 2 2 解决方案一3 6 4 3 结果与讨论3 8 4 4 结论4 1 结论与展望4 3 参考文献4 4 致谢4 8 攻读学位期间发表论文情况一4 9 v 广西大学硕士掌位论文遗传算法用于正电弓e 重酒，争命谱的解析及饿化 第一章正子湮没谱学和论文选题 1 1 正电子与正电子湮没 1 1 1 正电子与正电子湮没 正电子( e + ) 是电子( e ) 的反粒子，d i r a c 于1 9 3 1 年首先在理论上预言了它的存 在，时隔不久( 1 9 3 2 年) 即被a n d e r s o n 在宇宙射线中观察到1 捌，从而证实了d i r a c 预 言的正确性。作为电子的反物质，它的基本属性与电子对称，二者具有相同的质量、电 荷量和自旋，但所带的电荷和磁矩相反，如表1 1 所示。1 9 4 9 年d e b e n e d e t t i 等【3 j 在研 究正电子进入物质后的行为时，发现热化的正电子与物质中的电子湮没，产生两个基本 共线的丫光子，这一发现揭开了用正电子湮没技术研究固体材料的序幕。 表1 - 1 正电子和电子的基本量【4 】 t a b l e 1 1t h eb a s i cp h y s i c a lq u a n t i t i e so fp o s i t r o na n de l e c t r o n i c 正电子进入物质后，先会通过电离碰撞，电子空穴产生，声子散射等过程慢化， 热化，然后与物质中的电子发生湮没，并按爱因斯坦的质能转换关系 e 2 = p 2 c 2 + 碡c 4( 1 1 ) 变成丫光子的现象，这个现象称为正电子湮没。根据e + 每对湮没后发射光子的数目不同， 可分为单光子湮没、双光子湮没和多光子湮没。以双光子湮没为例，如果e + e 。对湮没前 是静止的，按( 1 1 ) 式，湮没后所产生的两个丫光子的能量均为5 1 1 k e v 。图1 1 是e + 吒- 双光子湮没示意图。 _ t i卜r。prrit rrrp*t龟，。 广西大掌硕士掌位嵌咒戈 嗣l 传算法用于正电号畸重圣5 b 等命谱的解析及冒巴，叱 o _ _ u _ - o 嬗9 u 小孕小 图1 - 1 正负电子的双光子湮没 f i g1 - 1t w o - p h o t o na n n i h i l a t i o nm o d e o fe l e c t r o n - p o s i t r o n 设单光子湮没、双光子湮没和三光子湮没三种湮没过程的截面分别为盯，、仃：，和 盯，理论上可以证明它们之间的关系为【2 1 争孑 口4 ( 1 2 ) 盯2 ，盯2 ， 、7 其中a 是精细结构常数口= 上4 n - 6 0 h c = 击。由此可见，发生单光子和多光子湮没的概率远 远小于双光子湮没的概率。正电子湮没技术主要是利用双光子湮没。 d i r a c 曾用量子力学证明【5 】，对于非相对论速度运动的非极化正、负电子，产生双光 子湮没的截面盯：， c r 2 ，= 斫c v( 1 3 ) 其中，o 是电子经典半径，c 是光速，v 是正电子的速度。自由正电子的湮没率依赖于仃：， 和湮没位置附近的电子密度。若介质每立方厘米体积中的电子数为，则湮没率五由下 式给出 允= 0 2 ，以e d = 忍0 2 c p( 1 4 ) 正电子寿命定义为 f 2 了 ( 1 5 ) 五 、- 7 因此，测量正电子寿命可以得到有关电子密度的信息。电子密度愈大湮没率愈大，正电 子寿命愈短，反之，亦然。 2 而且能较方便地制成适合于正电子寿命谱测量所用的源( 源强为f l i _ t c i 几十p c i ) ；它的 能量为1 2 8 m e v 的伴随丫射线很适合于作为寿命谱的起始信号。球a 衰变产生的正电 子能谱连续分布，峰值为1 7 8e v ，最大值为0 5 4 5m e v ，其衰变纲图如图1 - 2 所示。 珠a 耄彰警v 2 ：n e 上 基态 图1 _ 22 2 n a 的衰变纲图 f i g1 - 2t h ed i s i n t e g r a t i o no f2 2 n aa t o m 1 1 3 正电子在介质中的行为 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，该过程遵 循动量和能量守恒原理。 在热化阶段，具有很高动能的正电子射入介质后，与电子、声子以及晶体缺陷等发 生一系列非弹性碰撞，这一过程所需时间很短，一般为几个皮秒( p s ) ，能量迅速从k e v 广西大学强炙士掌位论文遗传算法用于正电日q 星没寿命谱的殚譬析及优化 量级减至热运动能量，即小于l e v 。 由于正电子动能损失主要发生在热化阶段，所以，正电子在样品中注入的深度，主 要由热化阶段决定。正电子在金属中的射程r 通常为2 0 3 0 0 p m 。在实验中，样品应足 够厚，般最小厚度应为( 3 5 ) r ，但依材料不同而异，以保证正电子不会穿透样品， 否则正电子与周围介质湮没，将干扰实验结果。 热化后的正电子在介质中自由扩散，在固体中，这一阶段持续时间约为l o o 1 0 0 0 0 p s ，并与电子湮没，这就是正电子的扩散湮没阶段，正电子寿命就由这一过程的 持续时间决定的。 热化后正电子动量相对介质中的电子而言比较小，可以忽略，因而正电子湮没谱携 带着人们通常所关注的介质中电子动量的信息。如前所述，通过正电子寿命谱又可以得 到有关介质中电子密度的信息，进而可以获得微观缺陷的信息。这就是正电子谱用于材 料微结构研究的理论基础。 图1 3 为正电子从放射源强a 发射到湮没的过程以及三种常用的正电子谱( 寿命谱、 多普勒展宽谱、角关联谱) 的示意图。 图l - 3 正电子从发射到湮没过程示意图 f i g1 - 3t h es c h 锄a t i co f p o s i 觚me n l i s s i o n 锄da n n i h i l 撕o np r e s s 1 1 4 正电子素及其湮没 c 2 正电子在气体、液体和某些固体中能形成一种亚稳态正电子素( 记为p s ) 。它 是正电子在热化过程中，从环境中捕获一个电子，由电磁相互作用形成的亚稳定束缚态， 4 g - 西大掣啊页士掌位论文遗传算法用于正n t , 号嚏豺啊争命谱的解析及优化 类似于氢原子。随正电子和电子的自旋取向的反平行或平行，正电子素存在两种状态， 即单态正电子素( 自旋反平行) ，记为p p s 和三重态正电子素( 自旋平行) ，记为o p s 。 在真空中p p s 的本征寿命为1 2 5 x 1 0 - 1 0 s ；0 p s 的本征寿命为1 4 x l o 。s 。由此可知，o p s 的寿命比p p s 的寿命长3 个数量级。 但是，在几乎所有的介质中，或在强磁场中，都能发现o p s 的寿命比本征寿命要 短许多。在凝聚态中，o p s 的寿命可缩短到几个纳秒( 10 母s ) 或更小。这主要是存在着 使o p s 寿命缩短的猝灭过程。猝灭有四种主要形式：拾取猝灭、转换猝灭、磁猝灭和 化学猝灭。 1 2 正电子湮没谱学 正电子湮没谱学方法( p a s ) 是研究材料缺陷的重要的实验手段睁1 0 1 ，正电子入射 到材料中遇到电子会发生湮没产生几个丫光子，该过程遵从动量、能量守恒定律，考虑 到热化后的正电子能量很小( 0 0 2 5 e v ) ，相对于介质中的电子而言可以忽略，因而研究 湮没辐射的光子能量便可以获得介质中电子的动量信息。价电子的动量可以反映材料的 能带结构信息，核心电子的动量则可以反映湮没位置的元素信息( 原子在组成物质时， 外层电子发生共有化，核心电子仍保持元素的信息) ，因而通过分析湮没光子的能谱可 以得出湮没位置的元素信息以及能带结构中的费米面信息【1 1 。1 5 1 。正电子从产生到在材料 中发生湮没所经历的时间称为正电子寿命，正电子寿命越大周围电子密度越小，正电子 寿命往往反映其所湮没环境的尺寸信息。 正电子谱学的各种测量方法正是基于以上两种信息而发展起来的，随着技术的进 步，正电子实验手段日趋完善，目前常用的测量方法，包括【l6 】：正电子湮没寿命谱( p a l ： p o s i t r o na n n i h i l a t i o nl i f e t i m es p e c t r u m ) ，正电子湮没一维多普勒展宽谱( d b s ：d o p p l e r b r o a d e n i n gs p e c t r u m ) ，双探头符合多普勒展宽谱( c d b ：t w o d e t e c t o rc o i n c i d e n c ed o p p l e r b r o a d e n i n gs p e c t r u m ) ，正电子湮没角关联谱( a c a r ：a n g u l a rc o r r e l a t i o no fa n n i h i l a t i o n r a d i a t i o n ) ，正电子寿命一动量关联谱( a m o c ：p o s i t r o na g e m o m e n t u mc o r r e l a t i o n ) ，以及 慢正电子技术( s p b t ：s l o wp o s i t r o n - b e a mt e c h n i q u e ) 。除此之外还有，电子偶素飞行时间 测量( p s - t o f ：p o s i t r o n i u mt i m e - o f - f l i g h tm e a s u r e m e n t ) ，正电子俄歇谱( p a e s - p o s i t r o n a u g e re l e c t r o ns p e c t r o m e t e r ) ，扫描正电子显微镜( s p m ：s c a n n i n g p o s i t r o nm i c r o s c o p e ) 等。 5 遗传算法用于正电子湮溜 命谱的解析及优化 1 2 1 正电子湮没寿命谱( p a l ) 正电子在完整晶格中的湮没一般是自由湮没，一旦介质中出现缺陷( 如空位、位错、 微空洞等) ，情况就将不同，因为在缺陷处电子密度较低，且呈负电性，由于库仑力作 用，正电子容易被缺陷捕获，以后再湮没，这就是正电子的捕获态湮没过程。一般来说， 束缚态正电子的寿命乃大于自由态正电子的寿命r r ，而且缺陷的线度越大，乃越大。 例如束缚于铝单空位中的正电子，其寿命值约为2 4 0p s 。理论估计包含五个单空位的铝 空位团，其寿命值约为3 5 0p s 。因此，正电子的寿命反映了介质中缺陷的大小和种类。 另一方面，缺陷浓度越高，当然正电子被捕获的机会越大，则相应的长寿命成分在寿命 谱中所占的相对强度也越大。因此，长寿命成分的相对强度能反映缺陷的浓度。测量正 电子在介质中的湮没寿命谱，通过求解寿命谱得到正电子在介质中的湮没寿命值及其相 应的相对强度，就能得到介质微结构中缺陷类型和缺陷浓度的相关信息。因此，正电子 湮没寿命谱的测量，能提供许多有关材料的微结构信息，在正电子湮没测量中技术中占 有重要位置。 近年来正电子寿命谱技术，由于慢正电子束技术实质性的发展，使得其能用于材料 的表面和界面结构的研究，获得材料三维结构的信息。 1 2 2 湮没丫射线多普勒增宽能谱 ( 1 ) 一维多普勒展宽谱( d b s ) 在正电子和电子湮没的过程中，遵守能量守恒和动量守恒原理，电子正电子对所具 有的动量( 因而也就具有动能) ，按质能方程( 1 1 ) 转变为湮没光子的能量。可以证明， 这时两个湮没光子的能量分别变成互= 5 1 l k e v + 只c 2 和最= 5 1 l k e v p l c l 2 ( 如图1 3 所示，式中最是电子正电子对的动量的纵向分量) ，y 能谱上5 1 1 k e v 峰就会被展宽， 这就是正电子湮没的多普勒展宽谱，它主要反映的是介质中湮没电子的动量信息。具有 高能量分辨本领的高纯锗( 肿g e ) 探头可以探测正电子湮没辐射的多普勒展宽，电子 正电子的湮没信号经放大后输入多道分析器( m c a ) ，得到湮没辐射的丫能谱。图1 5 示出了多普勒展宽谱仪的实验装置。 多普勒展宽谱的分析，最常用的方法为线型参数分析法【1 7 1 。线形参数主要有日参 数、矽参数、s 参数和d 参数，形和s 为常用参数，s 参数定义为0 5 1 1 m e v 峰中心区 的计数与峰总计数之比s = 4 以，s 参数的变化主要反映正电子与低动量电子即价电子 6 遗传算法用于正电号埋没寿命谱的解析及优化 ( 在金属中为传导电子) 湮没的信息。矿参数定义为谱两翼区计数与峰总计数之比 形= 句a o ，矿参数的变化则反映了正电子与高动量芯电子湮没的信息。如图1 - 6 ( a ) 所 示。芯电子更多地携带着原子的元素信息，因而形参数更敏感于湮没位置的化学环境 变化。例如在有空位型缺陷的地方，电子密度更多是来自周围原子的价电子贡献，芯电 子出现几率变小，导致s 参数变大。图1 - 6 ( b ) 所示的就是这种情况。 ：z 2 h l a 鲁o u f o e 图1 5 正电子湮没多普勒展宽测量装置 f i g1 - 5p o s i t r o na n n i h i l a t i o nd o p p l e rb r o a d e n i n gm e a s u r e m e n td e v i c e 遗传算法用于正电寺笆星铀涛命谱的解析及优化 ( 2 ) 二维符合多普勒展宽谱( c d b ) 如上所述，多普勒展宽谱的翼区主要来自正电子与内壳层电子湮没的贡献，翼区的 特征更多的反映着湮没位置的化学态信息，但是相对于价电子而言，内壳层电子的湮没 几率要小得多，采用普通的单探头测量由于其较低的峰谷比( 1 0 2 ) ( 主要由1 2 8 m e v 丫光子的康普顿散射引起) ，只能得到有限的内壳层电子动量信息。而二维符合多普勒展 宽技术，则是通过对正电子湮没后的两个0 5 1 1 m e v 信号，进行时间和能量的相关性判 断( 只有同时产生，能量在0 5 1 1 m e v 附近的信号才被接收) ，排除偶然符合、降低本 底，使得信噪比相对于传统的多普勒展宽谱测量提高3 个数量级，因此在提取内壳层电 子的动量信息方面更具优势【1 9 2 0 。 1 2 3 双丫角关联( a c a r ) 如果e + e 。湮没对初始动量尸不为零，湮没光子不仅产生多普勒能移厶e ，而且两个 光子的方向也要偏离共直线( 图1 7 所示) ，产生一个偏角臼。角关联技术通过测量湮没事 件随目的分布，可以得到介质中电子动量分布的信息。 图1 - 7 双光子湮没过程动量守恒矢量图 f 电1 7n e m o m e n t u mc 0 璐删士i i i lm ep o s “r o n 锄m i i m i o np r o c c s s 实验中常用的双丫角关联测量系统是一维长狭缝角关联测量装置，主要由三部分组 成：核测量部分、自动化控制部分和机械部分，图1 8 给出了装置原理图。正电子源通 常为u 、讯a 、5 8 c o 。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( 某一日偏角) 上的动量分布。一维 角关联装置所测物理量与多普勒展宽谱测量相似，但具有更好的分辨率，属于精细测量， 典型的角分辨率为0 5 m r a d 。但这种装置要求高精度的机械设备，而且测量周期长、所 需正电子源的强度大( 几十m c i 的点源) 。 8 1 3 慢正电子束技术 常规正电子测量方法，是利用放射源发射的高能正电子直接进入材料中进行研究， 例如强a 放射源，放出的正电子能量从o 0 5 4 m e v 连续分布，在晶体s i 中的注入深 度从表面到体内大约为0 4 m m 处，因此无法得到样品的表面信息，只能测量三维体材 料的体效应。随着材料制备工艺的不断发展，材料尺寸也越来越小，如何研究薄膜 ( l i m a ) 材料微结构信息例如多层膜界面反应等，变得尤为重要。 慢正电子束是由正电子源衰变产生的高能正电子或直线加速器高能电子轰击靶材 产生的高能正电子经过慢化体利用正电子表面发射现象，获得能量约e v 量级的低能正 电子，再通过磁场的聚焦、输运、加速，获得单色、能量可调的正电子束流( 能量一般 在o - - 3 0 k e v 范围内) 【2 心纠。慢正电子束技术具有能量单色性及连续可调等优点，同时 具有正电子湮没谱对缺陷及原子尺度微结构变化的灵敏性，因此通过改变正电子束流注 入能量，可以分层测量不同深度正电子湮没的寿命或丫光子能谱，得知固体内部局域电 子密度和动量分布，从而得到近表面、薄膜和界面微结构和相变的许多信息。慢正电子 束技术已成为表面和界面结构研究的重要手段之一。此外，由于正电子质量小，能量低， 对材料检测来说它是一种无损探针，因此近年来也有很多人开展了慢正电子束用于在线 9 j 。西大掌司n b 学位试踅欠遗传算法用于正电刁畸篁曲，争命谱的解析及优化 检测的研究。慢正电子束技术正不断地展现出它的广阔前景。 随着慢正电子束技术进一步的发展，不断涌现出很多基于该技术的测量手段，将 慢正电子束技术与正电子湮没谱学结合起来，就有慢正电子寿命谱测量方法( p a l ) ， 遗传算法用于正电日屯量涠，争命谱的搿i 析及优化 2 1 概述 第二章正电子湮没寿命谱测量及数据分析 正电子湮没谱学是无损探测金属、半导体、高温超导体、高聚物等材料中微观结构 缺陷、电荷密度分布、电子动量密度分布的灵敏工具。通过测量每个正电子从产生到在 材料中发生湮没所经历的时间，统计足够的湮没事件，就可以得到正电子湮没寿命谱【1 6 1 。 由于测量中存在着随机误差和系统误差，线性良好的寿命谱仪得到的寿命谱是理论谱 ( 不同缺陷状态的指数衰减函数的叠加) 与仪器分辨函数的卷积，经数据拟合后，得到 各组分寿命及其相应强度，从而可知正电子在材料中的湮没状态以及材料内部电子密度 分布的信息，寿命值大小反应样品缺陷处电子密度分布，即反应缺陷的种类，强度反应 样品中缺陷的浓度。 2 2 常规正电子湮没寿命谱 2 2 1 测量原理 常规正电子寿命实验测量原理如下：实验通常使用半衰期为2 6 年的正电子源硝a ， 它衰变产生的正电子能谱连续分布，正电子从产生( 以探测到能量为1 2 8 m e v 的光子为 标志) 到它遇上电子并发生湮没( 以产生能量为5 1 1 k e v 的了光子为标志) 所经历的时间， 用f 来表示，称为单个正电子的寿命。测量1 2 8 m e v 丫光子与该正电子湮没后放出的 5 1 1 k e v l , 光子之间的时间间隔，就可以得到正电子的寿命闭。制备样品时，同一条件的 样品制成两块，以便把放射源夹在两块样品之中，形成“样品源一样品的三明治结构， 以保证全部正电子都在待测样品中湮没。统计足够多的湮没事件( 通常选用1 0 6 个事件 数) ，就可得到一个正电子湮没寿命谱，通过解寿命谱，可得到材料内部电子密度分布 信息。 2 2 2 快慢符合正电子湮没寿命谱仪 中科院高能物理研究所的正电子寿命谱仪是快慢符合谱仪，图2 1 给出探测装置的 遣传算法用于正电刁q 星葛睁争命谱的解析及优化 电子学原理框图，寿命谱当前使用的闪烁体为b a f 2 晶体，两个b a f 2 闪烁体探测器分别 对称地置于样品两边。每个恒比微分甄别器( c f d d5 8 3 ) 不仅可以对所探测的丫光子从能 量上进行分析选择，同时还可以对信号进行定时。两个恒比微分甄别器，通过不同的能 窗选择分别挑出1 2 8 m e v 丫信号作为起始信号和0 5 1 1 m e v 丫信号作为终止信号，起始 信号与延迟后的终止信号的时间差被时幅转换器( t a c ) 转换为一个幅度与之成正比的 脉冲信号输入多道分析器o 订c a ) ，多道分析器根据脉冲幅度储存到不同的道上，接收到 一个起始信号和终止信号并转换为多道分析器中的一个计数作为一个湮没事例，一个寿 命谱是由许多( 1 0 6 ) 湮没事件所组成。快慢符合通过对探测器所输出的慢信号进行更 为严格的能窗选择以得到更高的信噪比。 图2 - l 快慢符合正电子寿命谱仪电子学原理框图 f 喀2 一le l e c t r o n i c sb l o c ko ff a s t - s l o wc o i n c i d e n c ep o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r o m e t e r 2 2 3 快一快符合正电子湮没寿命谱仪 核谱学中常用的快快定时符合正电子寿命谱仪的框副2 7 j ( 图2 2 所示) ，主要分为 三部分：用于探测，光子的塑料闪烁体光电倍增管探测器，用于测量两次事件时间差的 快一快符合时间谱仪和用于显示并记录脉冲幅度分布的计算机多道分析器，省掉了快慢 符合正电子湮没寿命谱仪中的慢道电路部分，使用两个恒比定时单道分析器替代了两个 恒比定时甄别器。恒比定时单道分析器既能对快信号定时，又能对信号幅度进行选择， 起始道的恒比定时单道分析器能窗( 上、下阈) 被调整到适合于接受1 2 8 m e v 的丫光子 1 2 图2 - 2 快- 快符合正电子寿命系统 f i g 2 - 2e l e c t r o n i c sb l o c kd i a g r a mo f f a s t 击s tc o i n c i d e n c ep o s i t r o n 图2 3 是快快符合正电子寿命系统各部分输出信号。 ( 1 ) 厂 圆广五忑一 i 厂 ( 4 ) r 广一 c + 产生时起始甄别器的输出信号 ( 1 ) 符合信号 ( 2 ) 定时信号 c + 湮没时终止甄别器输出信号 ( 3 ) 符合信号 ( 4 ) 定时信号 遗传算法用于正电刁屯星葛b 簪命谱的解析及优化 2 2 4 谱仪时间分辨率的标定 时间分辨率是衡量谱仪性能的重要指标，通常采用瞬发源6 0 c o 进行标定，图2 4 显 示了6 0 c o 的衰变纲图。6 0 c 0 以只有0 7 p s 的时间间隔衰变出两个能量分别为1 1 7 m e v 和1 3 3 m e v 的丫光子，1 3 3 m e v 丫比较接近z z n a 的起始道1 2 8 m e v 信号，1 1 7 m e v 则 与2 2 n a 的终止道o 5 1 1 m e v 偏离甚远，因而终止道实际探测到的只是1 1 7 m e v 丫的康 普顿散射，因而用6 0 c o 源在n a 窗条件下测量的分辨率代替正电子寿命测量时实际的分 辨率有一定的近似性。 2 3 脉冲寿命谱 2 3 1 前言 c o 兀，2 = 5 2 6 年 图二4 砷c o 的衰变纲图 f i g 2 4t h ed i s i n t e g r a t i o no f 6 0 c oa t o m 正电子湮没寿命谱的测量和分析是正电子湮没谱学中的常用方法，它可以给出材料 缺陷的种类和数量的信息。由于放射源产生的正电子的能量过高( m e v 量级) ，在样品 中的注入深度比较深( 约几百l m a ) ，只能应用于三维体材料，无法应用于表面、近表面 和界面的研究。随着聚束和斩波( b u n c h i n g c h o p p i n g ) 技术的发展，常规实验室的慢正 电子束流可以实现时间分辨测量的实验( 分辨率约2 0 0 p s ) ，并可以应用正电子寿命谱实 验方法来研究薄膜材料的表面、亚表面及界面性质【2 8 n - q 以弥补常规寿命谱仪在这方面的 不足之处。 慢正电子束技术具有能量单色性及连续可调等优点，同时具有常规正电子湮没谱学 对缺陷及原子尺度微结构变化的灵敏性，将慢正电子束技术与寿命测量技术结合起来， 就是慢正电子寿命谱测量方法，它可以分层探测固体内部局域电子密度和动量分布，从 1 4 j * - 西大砻页士掌位论文遗传算法用于正电刁毡望葛匕：争命谱的解析及优化 而得到近表面、薄膜和界面微结构和相变的许多信息，所以，它已成为这方面测量研究 的重要手段之一。 2 3 2 测量原理 在利用慢正电子束流的情况下，即使用2 2 n a 作为正电子束流的初级正电子源，2 2 r , r a 放出的正电子和同时发出的1 2 8 m e v 的特征 r 射线已失去关联，无法再以它作为正电子 寿命测量的起始信号。因此，利用慢正电子束流测量正电子寿命的过程中，无法再用常 规寿命谱仪的定时方法。国际上现有的获得慢正电子湮没寿命测量起始信号的方法是利 用二次电子刚和微束团化p o l 两种方法。 正电子束流入射到样品上，会产生二次电子，可以利用二次电子作为时间起始信号， 将湮没y 射线作为正电子寿命测量的终止信号。但是二次电子的能量分布较宽，时间分 辩率较差。 微束团化将正电子束流微脉冲化( p u l s e dp o s i t r o nb e a m ) 3 0 , 3 1 1 。使用如图2 5 所示 的装置，将准直流化( d c ) 的慢正电子束流转换成脉冲宽度为1 0 0 。2 0 0p s ，重复频率在 5 0 m h z - - 一2 0 0m h z 的脉冲正电子束流。脉冲正电子束流打到样品后发生湮没。以湮没产 生的0 5 1 1 m e v 丫光子作为起始信号，以下一个斩波( c h o p p e r ) 或聚束( b u n c h e r ) 的时 间零点作为终止信号( 斩波信号是周期性信号，两个斩波信号之间无非只有一个固定的 时间间隔) ，来实现寿命测量的目的。由此可见，微束团化方法的时间分辨率显然比二 次电子法高得多，通过改变正电子脉冲时间间隔，可以实现短寿命成分到长寿命成分的 测量，还可以测量样品表面发射出的电子偶素的时间特性，因此在缺陷研究方面的应用 也要广泛得多，是目前最有前途的一种方法。 图2 - 5 正电子束流微脉冲化装置示意图 f i g 2 - 5d i a g r a mo fp o s i t r o nb e a mm i c r o - p u l s ed e v i c e 在国际上现有的束团化装置中较先进的方法一般是用三个步骤来实现正电子的微 1 5 弘 卫且 遗传算法用于正电弓e 曼涠涛命谱的解析及优化 束团化，即：斩波，预聚束和聚束。 ( 1 ) 斩波器 斩波器的主要作用是将连续的正电子束流变成时间宽度可调的脉冲，同时可为寿命 谱测量提供一个时间零点；排除微束团之间的正电子，极大的提高寿命谱的信噪比和分 辨率。若将直流化的正电子束流直接通过聚束器，由于聚束信号只占总信号的一部分， 约7 0 正电子将成为束团之间的背底，只有约3 0 的正电子被调制成束团。这样不但 使寿命谱的信噪比大大降低，而且大部分正电子得不到有效的利用，所以要在聚束器前 要安装斩波器。 高能所用的是反射式斩波，反射式( r e f l e c t i o n ) 斩波器【3 1 3 2 1 ，由三个钨网组成，第一 个钨网a 采用地电位为了防止斩波装置对未达到斩波器的正电子产生速度调制作用；第 二个钨网b 连接信号发生器，当斩波信号电压高于正电子能量时，正电子被第一个和第 二个钨网之间的电场反射挡回，挡回的正电子在b 电极和直流化门电极( 1 i n e a r - s t o r a g e ) 之间运动，可以再次应用。当b 电极的电位低于正电子能量时，正电子通过斩波装置； 第三个钨网c 接负高压，将斩波所得的正电子加速到聚束器要求能量，如图2 6 。 c h o p p e r abc 一 ： d cp o s it r o nb eamli、near s t o r a g e 一 ，一_ i 吒- 一 。 图2 - 6 反射式斩波示意图 f i g 2 - 6d i a g r a mo fr e f l e c t i o nc h o p p e r ( 2 ) 聚束器 聚束器( b u n c h e r ) 的主要作用是将脉冲宽度压缩到数百p s 以下。聚束器的工作原 理是：利用一系列的高频电场狭缝，将进入聚束器高频间隙的正电子进行调制，使入射 正电子在高频场的作用下，以某一时刻为基准，相位超前的正电子被减速，相位滞后的 正电子被加速，调制后的正电子再经过一段距离的漂移后同时到达样品。这样我们就可 以得到脉冲宽度无限小，峰值电流无限大的脉冲。 1 6 遗l t - 算法用于正电弓畸重没寿命谱的解析及优化 按照工作的原理不同，聚束器可分为四类：第一类是基于速调管理论的三电极双间 隙聚束器；第二类是2 4 同轴谐振器：第三类是双缝聚束器；第四类是感应式聚束器。 我们北京慢正电子寿命谱仪上采用第一类聚束器