（粒子物理与原子核物理专业论文）正电子湮没多参数测量系统研制.pdf

br 湮没多参数测量系统 l j l 制 中闭科学技术人学博j 。学位沦丘 摘要 ，止i u 子湮没谱学( p o s i t r o na n n i h i l a t i o ns p e c t r o s c o p y ，p a s ) ，是一种研究物质结构的常川 手段。在研究吲体的缺陷方面，正电子湮没谱学有着定的优势。 传统的正屯子谱学主要包括湮没寿命谱，多普勒展宽，角关联测量等。随着止电子湮没 谱学在六十年代后期的飞速发展，人们不再满足于这几种方法，开始寻找更加有效的方法来 利j f j 上e 电子研究各种材料。在这样的要求下，各种新的测量以及符合测量的方法开始出现， 这其中包括烈多普勒展宽测量，寿命动量联合测量。正电子俄歌谱等等。这些技术往往冈 为实现的难度较大，所以在过去没有得到足够的重视。在九十年代末，随着电子学技术的发 展，这些方法逐渐受到重视，并且发挥了巨大的作用。 止电子湮没多参数测量系统，双多普勒( 2 d d b a r ) 利寿命动量关联( a m o c ) 提供 了关于固体缺陷丰富的信息，2 d d b a r 被应用于元素鉴别领域和湮没中心处化学环境识别， a m o c 可以研究p s 的形成与湮没。不同p s 态的占有率和它们之间的跃迁。这两种技术可以 更加全面地研究材料的特性。 数字化技术在粒子物理与核物理实验领域中应用r “泛。目前，由于数字化技术的发展， 出现了直接处理数字化脉冲信号的方法。这些方法特别是数字恒比定时技术，已被成功应用 上，继续研制了半数字化的正电子湮没寿命- 动量联合测量系统的原型。与以往的一些正电 子湮没双多普勒展宽测量系统以及正电子湮没寿命一动量联合测量系统不同，这两个系统从 一开始就采用了大量的数字技术，这些技术使两个系统，特别是正电子湮没双多普勒展宽测 量系统，复杂程度极大地降低，电子插件数减少到4 个( 包括高压电源) 。另一方面，数字 化技术的发展使一些离线处理技术得以实现，这些技术能够更有效地利用原始数据，得到更 多的信息。 康普顿散射轮廓测量技术也是研究材料中电子动量分布的常用方法。从实验的角度来 看，康酱顿散射轮廓测量与双多普勒展宽测量、寿命一动量关联测量有着许多共性。它们都 需要测量y 能谱，并且对能谱有很高的要求。它们的数据积累都比较慢，都需要长时间测量。 虽然康普顿轮廓测量本身并不是正电子湮没多参数测量系统的一部分，但是康普顿散射轮廓 测量的实验方法、数据处理过程给多参数测量系统如双多普勒展宽测量，寿命- 动量联合测 量有借鉴的作用。 本论文共分为五章，第一章和最后一章分别是前言和总结。 中间的三章分别讨论三套谱仪的实验、数据处理以及在这些谱仪上开展的一些工作。 第二章主要介绍的是康普顿散射轮廓测量系统。康普顿散射轮廓测量谱仪是实验室原有 的设备。第二章重点介绍康普顿轮廓；1 9 1 4 量系统的自动化改造。另外，也介绍了利用纳米材料 和聚合物单晶的康普顿轮廓测量结果。纳米材料的表面会有一些不同于体内的特性，而康普 顿轮廓虽然是平均效应，也可以对这种特性敏感。而各向异性的研究一直就是康普顿轮廓测 量的优点，这里介绍的是聚合物单晶的结果，目前康普顿轮廓对于这种大分子的各项异性的 研究还比较少。 第三章主要介绍的是般多普勒展宽谱测量系统，重点是谱仪的研制，包括谱仪的硬件， 软件，影响性能的因素和改进，其中第二二节详细地介绍了在线的数值处理和分析。对于离线 数据处理也给与一定的篇幅。另外，鉴于目前工作对于元素鉴别：【：作的意义，本章用金属单 质样品作为双多普勒展宽谱的实例。此外还给出了一些金属氧化物单晶的测量结果和分析， l f i ur 湮没多参数测量系统制 中闰科学技术人学悻箪l - 学世论之 作为研究缺陷类型的例子。 第四章主要介纠了寿命- 动量关联测姑系统，井详细讨论了计数率对能谱谱形的影响 以及对麻的改进上作，测量的实例是碳纳米管材料。 互i ! 塑鲨兰茎塑型墅墨竺业型 ! 旦型兰丝查苎兰堡! ：兰丝笙墨 a b s t r a c t t h ep a s ( p o s i t r o na n n i h i l a t i o n s p e c t r o s c o p y ) ，a sac o m m o nm e t h o dt os t u d yt h es t r u c t u r eo f m a t e r i a l s h a si t si n b o r na d v a n t a g ei nt h es t u d yo f d e f e c t si ns o l i d s o r i g i n a l l y ，t h e p a si n c l u d e s p a l ( p o s i t r o na n n i h i l a t i o n l i f e t i m e s p e c t r o s c o p y ) ，d e b s ( d o p p l e rb r o a d e n i n ge n e r g ys p e c t r u m ，o rd b a r ，d o p p l e rb r o a d e n i n ga n n i h i l a t i o nr a d i a t i o n ) ， a c a r ( a n g u l a r c o r r e l a t i o no f a n n i h i l a t i o nr a d i a t i o n ) a f t e rt h eg r e a ta d v a n c i n go f p a si n1 9 6 0 s ， r e s e a r c h e r sd o n tf e e lt h e s et e c h n i q u e sa r ee n o u g h ，a n d t h e yb e g i nt of i n do t h e rm e t h o d st os t u d y t h em a t e r i a l sw i t hp o s i t r o n a f t e rt h e i re f f o r t ，n e w t e c h n i q u e sa p p e a r e d ，s u c h a s2 d d b a r ( 2 - d e t e c t o rd o p p l e rb r o a d e n i n ga n n i h i l a t i o nr a d i a t i o n ) ，a m o c ( a g e m o m e n t u mc o i n c i d e ， a m o c ) ，p a e s ( p o s i t r o na n n i h i l a t i o ni n d u c e da u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ) ，e t c b e c a u s eo f t h e d i f f i c u l t yt or e a l i z et h e s es y s t e m s ，t h e r ei sl i t t l ea t t e n t i o no n t h e s et e c h n i q u e si nt h e i rf i r s ty e a r s i n 1 9 9 0 s ，a f t e rt h ei n p r o v e m e n to ft h ee l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，m a n ys y s t e m sa r er e a l i z e d ，a n dp l a y i m p o r t a n tr o l e si ns t u d yo f d e f e c ta n d t h es t r u c t u r eo f m a t e r i a l s i nt h e s em e t h o d s ，t h em u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ，s u c ha s2 d d b a ra n da m o c ， c a ng e ta b u n d a n ti n f o r m a t i o ni nm a t e r i a l s t h e2 d d b a ri su s e di nt h ef i e l do fe l e m e n t a l s p e c i f i c i t ya n ds t u d yo f t h ec h e m i c a le n v i r o n m e n t i nt h ea n n i h i l a t i o ns i t e ，a n da m o cc a nb eu s e d t os t u d y t h e f o r m a t i o na n da n n i h i l a t i o no f p o s i t r o n i u m ，t h e t r a n s l a t i o no f d i f f e r e n ts t a t e t h e s e t w o m e t h o d sc a nh e l pu st od i s c o v e rm o r ed e t a i l si nm a t e r i a l s d i g i t a lt e c h n o l o g yi sb ew i d e l yu s e di nn u c l e a rp h y s i c sa n dp a t i c l ep h y s i c s t o d a y , w ec a l l p r o c e s sd i g i t a lp u l s ed i r e c t l yo w e t ot h ei m p r o v e m e n t o f d i g i t a lt e c h n o l o g y t h e s ed i g i t a lm e t h o d s ， e s p e c i a l l yt h ed c f d ，a r eu s e di np a la n dt o fs p e c t r o m e t e rs u c c e s s f u l l y i tw i l lb e n e f i tp a s t o u s em u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n ta n d d i g i t a lt e c h n o l o g y an e w2 d d b a r s y s t e mi ss e tu pf o ra d v a n c e ds t u d yi nd e f e c t so f m a t e r i a l sa n da no r i g i n a l m o d e lo fa m o ci ss e t u pd e p e n d i n go nt h ee x p e r i e n c e o fb u i l d i n g2 d d b a rs y s t e mt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w os y s t e m sa n ds o m eo t h e r2 d d b a ra n da m o c s y s t e m si st h ed i g i t a l t e c h n i q u e s t h e s et e c h n i q u e sm a k et h es y s t e ms i m p l ea sw e l la sk e e pt h eh i g hp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yt h en e w2 d d b a rs y s t e m ，h a v eo n l y4n 1 mm o d u l e sc o n t r a s t i n gt h e 10o rm o r e m o d u l e su s e di nac o m m o n s y s t e m a n dt h e s et e c h n i q u e sc a l le f f i c i e n t l yu t i l i z et h eo r i g i n a ld a t a ， a n d g e tm u c h i n f o r m a t i o nf o r md a t a c o m p t o np r o f i l e i so n eo ft h em e t h o d st o s t u d ye l e c t r o nm o m e n t u md i s t r i b u t i o n i n t h e v i e w p o i n to fe x p e r i m e n t ，c o m p t o np r o f i l e m e a s u r e m e n th a sm a n yc h a r a c t e r st h e2 d - d b a r m e a s u r e m e n th a d t h e ya l lm e a s u r et h eye n e m ys p e c t r u m ，a n dh a v er i g i dr e q u e s t so nt h e s p e c t r u m i nm o s tc a s e s ，t h e ya l lh a v el o wc o u n t i n gr a t e ，a n dn e e dag r e a tn u m b e ro fe v e n t si no n e s p e c t r u m ，s ot h e ya l ln e e dal o n gt i m em e a s u r e m e n tt h o u g ht h ec o m p t o np r o f i l em e a s u r e m e n t s y s t e m i sn o ta p a r to f m u l t i p a r a m e t e r m e a s u r e m e n ts y s t e mi n p o s i t r o n a n n i h i l a t i o n ，t h e e x p e r i m e n ts e t u p ，t h ed a t aa n a l y s i sg i v et h ee x p e r i e n c ef o rb u i l d i n g 2 d - d b a r s y s t e ma n d a m o c s y s t e m t h i st h e s i sc o n t a i n sf i v e c h a p t e r s t h ef i r s t c h a p t e ra n dl a s tc h a p t e r a r ef o r e w o r da n d c o n c l u s i o ns e p a r a t e l y t h em i d d l et h r e ec h a p t e r st a l ka b o u tt h et h r e es y s t e m s ，c o m p t o np r o f i l e ，2 d - d b a r ，a m o c s e p a r a t e l y 正 u1 潭没多参数测量系统研制中固科学技术人学博卜学位论文 f h es e c o n dc h a p t e ri sc o n c e r n i n ga b o u tc o m p t o np r o f i l em e a s u r e m e n ts y s t e m m yw o r ko n t h es y s t e mi sa u t o m a t i ci m p r o v e m e n t t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e di tm a i n l yo t h e r w i s e ，t h i s c h a p t e r a l s oi n t r n d u c e dt h er e s u l t s o fm e a s u r e m e n to nt w ok i n d so fm a t e r i a l s 0 n ei s d a n o m a t e r i a l ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h es i z ee f f e c t so fn a n o - m a t e r i a l sc a na l s os t u d i e db yt h e c o m p t o np r o f i l e ；t h eo t h e ri sp o l y m e r c r y s t a l ，t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h ec o m p t o np r o f i l ei s g o o di ns t u d yo fa n i s o t r o p yo fc r y s t a lb y n o 、us e l d o ms t u d yi np o l y m e rw i t hc o m p t o np r o f i l ei s p r e s e n t e d t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e2 d - d b a r s y s t e m ，m a i n l yo nt h ed e v e l o p m e n t o nt h es y s t e m i n c l u d et h ea p p a r a t u s ，s o f t w a r e ，a l g o r i t h m ，t h ef a c t o rc a nt a k ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m a n dt h em e a n st oi m p r o v ep e r f o r m a n c e t h es e c o n ds e c t i o nd i s c u s s e st h ei n l i n ed i s p o s i n ga n d a n a l y s i so fd i g i t a l i z e dp u l s e i nd e t a i l t h eo f f i i n ea n a l y s i si sa l s od i s c u s s e di nt h i sc h a p t e rb e c a u s e i ti sai m p o r t a n tp a r to f t h es y s t e m a sai n s t a n c eo f t h em e a s u r e m e n t ，s o m ed a t ao f p u r em e t a lb e p r e s e n t e dh e r e ，a n dq u o t i e n ts p e c t r a o fs o m em e t a lo x i d eb ep r e s e n t e di n t h i sc h a p t e rf o r d e m o n s t r a t i n g t h es t u d yo f d e f e c ts p e c i f i c i t y t h ef o r t hc h a p t e ri sa b o u tt h ea m o cs y s t e m ，a n dd i s c u s st h er e l a t i o n sb e t w e e nc o u n t i n gr a t e a n de n e r g ys p e c t r u ms h a p ea n dt h em e t h o d st oi m p r o v es y s t e m sp e r f o r m a n c ei nh i 曲c o u n t i n g r a t e a n di nt h i sc h a p t e r , n a n oc a r b o nt u b ei st h ee x a m p l er e s u l to f t h es y s t e m h uf 沌没事参数洲革系统| f 二f 似 巾日利? 技术大一学博 位论亚 m u l t i - p a r a m e t e rm e a s u r e m e n ts y s t e m o fp o s i t r o na n n i h i l a t i o n 2 d d b a r a m o c 萨l u j 湮没多参数测量系统l j f 制 中同科学技术人学f 昨i 。学位论文 感谢 本论文是在导师周先意教授和叶邦角教授精心指导下完成的。他们治学严谨，诲人不倦， 教 5 育人；他们高瞻远瞩的指导，开拓而富有启发性的讨论，使学生受益匪浅，终生难忘。 特别是本论文的编写一r 作，叶邦角教授给以极火的指导，事无巨细，悉心教导，感激不胜言 表。 韩荣典教授，杨保忠教授，宫竹芳教授，翁惠民教授给以大量的指导。杨保忠教授，对 我从生活琐事至人生态度，研究方法至具体工作无不关心备至。许咨宗教授，范杨眉副教授， 杜淮江老师对于我的工作都给以大量帮所。张永明教授，孙腊珍教授，孙金华老师，沈激副 教授都多次借给我大量仪器设备。蔡维理等老师提高了实验样品。汤家骏副教授在数据采集 卡的原理和应用上给以了的帮助。安徽理工大学顾广颐副教授在康普顿散射轮廓的数据处理 上给以极大帮助。感谢老师们的爱护和帮助。 康普顿散射轮廓自动测量的电动机驱动电路主要由崔凝卓等同学完成。纳米材料散射谱 的测量中王涵、王磊、朱俊杰、李彝同学积极参加。陈祥磊等同学参加了实验室建设，并且 参加了实验室的值班工作。陈钢同学准备了纳米碳管样品。刘振宇同学参加了金属氧化物双 多普勒测量。张宪锋同学提供了寿命谱源修正的数据。冯海涛同学在数字信号处理的原理和 方法中参加了大量的讨论。刘士兴同学帮我完成了接口电路板的焊接，并在我非常困难的时 期帮我维修了一些电子学仪器。刘士涛同学帮我完成了各种铅屏蔽对实验结果影响的蒙特卡 罗模拟计算。郗传英同学参加了金属单质样品、金属氧化物单晶、有机物样品的双多普勒展 宽谱的测量，纳米碳管动量寿命关联测量，仪器参数的测量，负责编写双多普勒数据处理程 序，准备样品、设备，并且绘制了本论文中的大最图片。感谢他们的辛勤劳动。 我的父母、弟弟在我经济困难时期给以资助，思想出现波折时给以关爱。感谢他们。 感谢审稿和答辩委员会的专家、学者。 感谢在这里没有一一列举的帮助我的人。 孔伟 正 u 了湮没多参数测量采统 l j 制 中田科学技术人学博l - 学位论殳 第一章前言 2 l 世纪科学的发展将是微观与宏观的相互渗透与密切结合，凝聚态物理、材料科学等 的研究，将由现在的宏观统计方法( 包括宏观量子统计) 深入发展到物质的原子层次物性研 究，微观粒子( 颗粒、孔隙) 的量子效应越来越显示出重要作用，这些研究将对物质科学、 信息科学及计算机等学科的发展起到关键作用。 由于上述课题涉及微观体系的多粒子问题，加之材料样品在制备过程中条件复杂，且难 于精确控制，造成原子所处环境多变，微结构复杂，使得所研究的问题变得复杂而困难，必 须采用多种手段从各不同角度进行观测，再综合分析，才能获得满意的结果。探测微观信息 的手段已有不少例如各种电镜、光学显微镜、卢瑟福背散射、中子衍射、深能级瞬笈谱、 二次离子谱、光电子能谱等，虽然各自给出了许多有价值的结果，但这些方法基本上不能给 出原子尺度局域缺陷及微观物相变化的信息，也无法探测表面最外面几层原子的状况，并且 多为破坏性测量或造成较大的辐照损伤。正电子技术束恰好弥补了这些手段的不足。图1 - 1 表明了正电子谱学与其它方法之间的比较。 缺 陷 尺 寸 i a 。1 0 1 0 1 1 0 3 l l - u n l 0 1 0 1 1 0 3 l c m 深度 缺 陷 浓 度 l o 1 0 0 0 0 0 o p p m 1 ”1 0 1 0 2 t 0 3 1p - ! m 1 0 1 0 ：1 0 3 i c m 深度 圈1 - 1 正电子诺学与其他技术在研究材料中缺陷的比较 1 9 3 0 年狄拉克在理论上预言了正电子的存在【l l 。1 9 3 2 年a n d e r s o n l l - , 3 , 4 1 在宇商射线的云 室径迹j ! 片中发现了正电子( 图1 2 ) 。1 9 3 4 年k l e m p e r e r 发现了2 t 淹没辐射9 1 。1 9 4 9 年 d e b e n e d e t t i 在研究淹没辐射时发现了热化的正电子淹没后产生的两个湮没光予并不绝对地 凝线，从此拉开了用正电子研究固体的序幕i “。1 9 5 1 年d e u t s c h 7 1 测量正电子在气体中的寿 命时测到一个长寿命成分，并确定它来自e + e 束缚态，从而发现电子偶素p s 。1 9 5 3 年b e l l 和g r a h a m 发现了石英中存在两种寿命成分 8 1 。1 9 6 0 年b e l l 和j o r g e n s e n 发现正电子寿命依 赖丁- 材料n1 9 6 5 年第一次i c p a 在美国底特律举行【1 。 在这儿十年的发展中，正电子谱学取得了巨大的成绩”1 - 1 4 。正电子谱学领域也在不断拓 宽，包括了费米面研究。缺陷研究，电子偶素化学，超慢正电子等。 oo带 里! ! 望丝童叁塑型兰至竺堕型 ! 里型兰垫查叁兰堕! ：兰些堕兰 图1 - 2a n d e r s o n 的历史性照片 正电子静止质量为o 5 1 1 m e v ，真空中寿命大于l o “年1 1 5 1 。当正电子进入物质以后，一 般先会通过电离碰撞，电子空穴产生，声子散射等过程慢化、热化。一般来说，这个过程 时间非常短，特别在固体中，热化到费米能约在1 0 。1 3 秒，到热运动能量约l o “2 秒，热化后 在1 0 。5 秒即可被俘获。此后正电子将于屯子湮没。这个时间与正电子所处的状态有极大 的关系，典酗的时间是自由扩散1 0 。o 秒，单空位俘获2 1 0 1 0 秒，多空位空穴俘获4 x 1 0 “o 秒，表面态俘获4 。6 l o “o 秒。这些淫没的寿命与物质本身的性质有极大的关系。在某些物 质中，例如分子晶体和一些绝缘体中，正电子还有可能与电子形成一个束缚态，电子偶素( p s ， p o s i t r o n i u m ) 。p s 可处于两种白旋态，即单态的p - p s 态和三重态的o _ p s 态，p p s 态的平均 寿命为1 2 5 p s ，衰变成2 y 光子，而o p s 态的真空寿命为1 4 2 n s ，主要以3 y 模式衰变。在固体 中o p s 由于拾取潭没，正仲转换，化学猝灭，磁猝灭等过程，寿命在1 0 4 到1 0 4 秒。正电 “r 与电二i _ _ 湮没的产物一般是两个光子，这两个光子的夹角带有参与湮没电子横向动量分布的 信息，而它们的能量则带有参与淫没电子纵向动量的信息。正电子谱学的研究手段主要基于 测量这两个湮没光子。 对丁湮没辐射的测量有三种基本的手段。 第一种就是寿命测量，通常用“n a 同位素作正电子源，由于它在发射正电子之后的瞬 间有级联衰变的1 2 8 m e vy 光子，通过测量正电子在材料中湮没所发出的0 5 1 1 m e v y 光子与 12 8 m e vy 光子的时间关系，就可获得正电子在材料的寿命谱，通过解寿命谱，就可获得材 料内部电子密度分布信息。实验简图见图1 3 。 第二种方法就是测量o ；5 1 1 m e v y 光子的多谱勒展宽，多谱勒展宽所带来的能量漂移 e = v 。m c 2c o s o c ，这里v c 。是电子在质心系中的运动速度，目是电子运动方向与光子 发射方向的夹角。用典型的v c 。值1 0 6 m s 和0 = 4 5 。，就得到e j l 2 k e v , 使用高分辨的g e 探 测器可以探测这个展宽。实验简图见图1 3 ( b ) 由多谱勒展宽谱的线型参数，可获得材料内 部电子狰向动麓分布的信息。 i f f ur 湮没多参数测量系统研制 中国科学技术人学博f 学位论史 第j 种测量方法是测量止负电子潭没所产生的甜光f 的角关联。即测域2y 发射方向的 夹角与1 8 0 。的偏离a o = v 。c ，典型的目值是3m r a d 。实验删量简图见幽1 - 3 ( c ) 。由此 可研究电子的横向动量分布。 起始信号停止信号 p 斗 前放阿i 晰矿 ( c ) 图1 3 三种基本的实验正电子湮没测量技术 由于正也子束技术对复杂材料的分析有明显的优越性，因此有着十分广泛的应用前景， 并不断发展新技术和拓宽应用领域。正电子探针不但在基础研究中发挥了巨大的作用，同时 也在1 i 业方面有巨大的应用潜力，受到各国工业界的重视。正屯子作为探针的正电子发射断 层扫描( p e t ，p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 已经成为重要的医疗诊断设备。仅在欧州就 有几十个大学或研究所开展正电子技术的应用研究。 这三种正电子研究方法，正电子湮灭寿命谱技术、多普勒展宽技术和一维或二维角关联 技术，从不同的角度给出了材料微结构的信息。特别是第二种技术结合慢正电子技术可以 分析近表面和薄膜的微结构。但是这些方法都不能给出更加详细的微结构信息。如难以区分 不同的正电子态的湮灭特性，无法研究p s 形成与随时间的演化过程，不能给出材料内壳层 芯电子动量分布的信息等。 由于单参量测量的局效性，多参数测量是正电子实验技术发展的必然趋势。 在这些多参数的测量方法中，需要符合测量光子时间、能量、角度等物理量。对于探测 器和整个系统提出了较高的要求。在7 0 年代，多参数测量的概念不断被提出。1 9 7 3 年s i n g e r u 结合了角关联测量和多普勒展宽测量l j ”。1 9 7 6 年，m a c k e n z i e 和m c k e e 等人提出了寿命 动量关联的概念【”1 。1 9 7 7 年，l y n i l 等人提出了双多普勒测量【1 8 l 。但是由于当时条件的限制， 这些新的方法没有得到重视。 2 0 世纪9 0 年代，正电子多参数探测技术在国际上发展起来，这其中包括双多普勒展宽 1 9 1 ，d u a l s t o p 寿命谱 2 0 】，寿命一动量关联。1 等。双多普勒展宽测量( 2 d - d a b r ) 租寿命动量关 堂望塑墨兰塑型里墨竺堕型 主里型兰垫查盔兰堕! ：堂竺堡壅 联测鼍( a m o c ) 技术比原有的正电子技术( 寿命测量和多普勒展宽) 更具优势，可更有效 地研究这些复杂制各条件下的材料的微观特性。2 d - d a b r 技术就是同时测量湮灭的2 个光 子，并进行2 维作图。2 d d a b r 技术不仅可以提高谱的能量分辨率，同时本底也大大减少， 符合谱的峰谷比要大大提高( 可提高1 0 0 - 1 0 0 0 倍) 。因而可以获得核心电子动量分布信息， 可以区别e + 是与价子还是与核心电子湮没。可以实现对化学元素进行指纹鉴别2 2 , 2 3 ，特别是 可以对金属复合材料中的微量元素的鉴别和对纳米介孔复台材料中的元素的鉴别。a m o c 测量技术就是测量正电子湮灭时的寿命和多普勒展宽的关联，利用a m o c 测量技术不仅可 以获得通常的正电子寿命和多普勒展宽的信号，还可以观察不同的正电子态的占有率和它们 间的跃迁 2 4 , 2 5 】。 这两种新型的正电子关联技术是目前国际正电子界发展的趋势，它可以为凝聚态科学和 材料科学提供新的研究平台。2 d a b r 技术和a m o c 技术的实现，使人们有可能用不同于通 常光学或核磁的方法米研究材料科学与凝聚态科学。可以提供其它方法所不能提供的信息， 这种方法是一种无损和高灵敏的探测方法，可以测量参与湮没的电子动量分布和随时间的演 化过程。可以研究p s 形成和湮灭、不同正电子态问的跃迁和占有率，从而可以全面细致地 研究材料的各种微观特性，为材料与凝聚态科学的研究提供重要的实验手段。 我们选择了烈多普勒和a m o c 作为突破口，研究多参数符合测量系统。 一个探测系统可能是很多探测器的组合，系统相互之间可以有包含关系。比如角关联的 a m o c 可以把它看作是一个a m o c ，也可以看作是寿命谱，也可以是一个角关联，这种多 用途的谱仪可以提高测量效率。要对后端离线数据处理有利，这就要求各种信息以事件列表 的方式来记录数据，我们目前正是这样做的。多个探测器联合使用可以有效地利用事件，特 别是需要很高的符合计数率的时候，立体角显得非常重要。尽可能多地了解湮没光子的信息 需要多参数测量的谱仪组合和灵活的数据处理能力。 测量技术的数字化是正电子实验技术发展的另一个趋势，目前虽然在高能物理领域，符 合多参数测量已经大量地采用数字技术，但是这样的数字化的系统在正电子谱学的领域相对 较少。数字化技术目的就是要尽可能地减少对硬件的依赖，同时保留尽可能多的物理信息。 数字化技术更是多参数符台测量的需要，多参数符合测量往往造成系统复杂度增加，而数字 化技术可以有效地降低系统复杂程度。数字化技术的实现就是要将符合这类工作交给在线数 据处理程序来处理，同时一个实验的数据可以有多种分析的视角。我们正是基于这样的思想， 研制了数字化的双多普勒测量系统和半数字化的寿命动量关联系统。在这两个系统里，我 们尽量使用数字技术来代替电子器件，并且取得了一定的效果。 康普顿散射轮廓技术与正电子谱学一样，也是研究材料中电子特性的常用手段“j 。康 普顿散射轮廓测量的探测器、屯子学系统与双多普勒展宽测量非常相似。它们都是能谱测量， 并且对能谱有较高的要求。它们都需要长时间测量以满足统计的要求。它们的数据处理、物 理结果分析也有互相借鉴的地方。为了更好地开发正电子多参数测量系统，我们先进行了康 普顿轮廓测量系统的自动化改造，以获得正电子湮没多参数测量系统开发所需要的经验。 后面将分三章分别讨论这三个系统的测量，数据处理，应用的实例等问题。在讨论正电 子多参数测量系统的两个谱仪以前，将先讨论康普顿轮廓测量系统。 参考文献 【l l d i r a c ，p r o cc a m b r i d g ep h i l o s s o e2 6 ( 1 9 3 0 ) 3 6 【2 la n d e r s o ncd ，s c i e n c e7 6 ( 1 9 3 2 ) 2 3 8 【3 】a n d e r s o ncd ，p h y sr e v4 1 ( 1 9 3 2 ) 4 0 5 4 卫坐塑：! 里鲨! ：i 燮型里至竺竺型 ! 里壁堂塾娄生兰竺! ：兰垡堡竺 4 la n d e r s o ncd p h y sr e v4 3 ( 1 9 3 3 ) 4 9 l ( 5 jk l e m p e r e r + p r o cc a m b r i d g ep b i l o ss e e ，3 0 ( 1 9 3 4 ) 3 4 7 6 】6d e b e n e d e t t is ，cec o u a n a n dwrk o n n e k e r , p h y sr e v7 6 f 1 9 4 9 ) 4 4 0 【7 1d e u t s c hm ，p h y s r e v , 8 3 ( 1 9 5 1 ) 8 6 6 1 8jb e l l re ，a n d rl g r a h a m p h y sr o y 9 0 ( 19 5 3 ) 6 4 4 【9 b e l lre ，a n dmhj o r g e n s e n ，c a n jp h y s3 8 ( 1 9 6 0 ) 6 5 2 【1 0 】i c p a 6 5 p o s i t r o na n n i h i l a t i o n ，p r o c e e d i n g so f t h ei s ti n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo np o s i t r o na n n i h i l a t i o n d e t r o i t ，1 9 6 5e d i t e db yats t e w a r ta n dlor o e l l i g ( a c a d e m i c ，n e wy o r k l o n d o n ，1 9 6 71 【ll 】rnw e s t ，a d v p h y s2 2 ( 1 9 7 3 ) 2 6 3 - 3 8 3 fj 2 】s ，b e r k o , j m a d e r , a p p lp h y s5 ( 1 9 7 5 ) 2 8 7 - 3 0 6 【1 3 】p js c h u l t 弓k gl y n nr e v m o d p h y s ，6 0 ( 1 9 8 8 ) 7 0 1 - 7 7 9 1 4 】mjp u s k a ，rmn i e m i n e nr e vm o d p h y s ，6 6 ( 1 9 9 4 ) 8 4 i 8 9 7 f 1 5 jb e l l o t t ie ，mc o n i ，ef i o r i n i ，e t a i ，p l a y sl e t tb1 2 4 ( 1 9 8 3 ) 4 3 5 1 1 6 lrms i n g r u ，jp h y sc h e ms o l3 5 ( 1 9 7 4 ) 3 3 - 3 5 【1 7 】jk m a c k e n z i ea n d b t a i v l c k e c ，a p p l p h y s 1 0 ( 1 9 7 6 ) 2 4 5 【i8 】kgl y i n l ，m a c d o n a l djr ，b o l era ，f e l d m a nlc ，g a b b ejd 。r o b b i n smrb o n d e r u pea n dg o l o v c h e n k o jp h y sr e v l e t t ，3 8 ( 1 9 7 7 ) 2 4 1 ，2 4 4 【1 9 ls a k u om a t s u i j o u r n a lo f t h ep h y s i c a ls o c i e t yo fj a p a n ，6 1 ( 1 9 9 2 ) 1 8 7 1 9 8 【2 0 】h a r u os a i t o , t o s h i oh y o d o ，m a t e r i a ls c i e n c ef o r u m ，v 0 1 4 4 5 - 4 4 6 ，( 2 0 0 4 ) ，4 5 7 4 6 1 2 i 】p w e s o l o w s k i ，km a i e r , jm a j o r , c ta l ，n u c li n s t r m e t h s e cb6 8 ( 1 9 9 2 h 6 8 f 2 2 r a s o k a k n m a r , m a l a t a l o ，x l j o h o s h ，a c k r u s e m a n ，b n i e l s e n ，k gl y ，p h y s r e v , l e l i 7 7 ( 1 9 9 6 ) 2 0 9 7 2 3 】r a s o k a - k u m a r , m a t e r i a l ss c i e n c ef o r u mv o l2 5 5 - 2 5 7 ( 1 9 9 7 ) 1 6 6 - 1 7 0 【2 4 】hs t o t l ，pc a s t e l l a z , sk o c h ，j m a j o r , hs c h n e i d e r , as e e g e ra n das i e g l e ，m a t e r i a l ss c i e n c ef o r u mv o l s 2 5 5 2 5 7 ( 1 9 97 ) 9 2 9 6 2 5 】as e e g e r , r a d i a t i o np h y s i c sa n dc h e m i s t r y5 8 ( 2 0 0 0 ) 5 0 3 - 5 0 8 【2 6 豪托贾维，正电子湮没( 1 9 7 8 ) 【2 7 】郁伟中，正电子物理及其应用，科学f “版乖k ( 2 0 0 3 ) 【2 8 】c o m p t o ns c a t t e r i n