正電子湮沒多參數符合測量系統的製作方法

2023-07-18 02:48:01 1

專利名稱：正電子湮沒多參數符合測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及正電子及電子偶素湮沒測量技術，且特別涉及一種正電子湮沒多參數符合測量系統。
背景技術：
正電子煙沒譜學(Positronannihilation spectroscopy, PAS)研究方法是一種探測正電子在材料中發生湮沒後產生的Y輻射的核譜學方法，它具有高的缺陷靈敏性和原子尺度缺陷微探測的優點，可以直觀和半定量地提供材料中微觀缺陷尺寸、濃度及分布的信息，已經成為研究材料微結構以及正電子及電子偶素化學的獨特分析方法。正電子壽命-動量關聯譜(Positron Age Momentum Correlation, AM0C)探測技術是PAS中一種多參數符合的探測手段，譜儀通過對正電子湮沒壽命和動量兩種信號同時探測並進行符合，以記錄同一湮沒事例的湮沒時間和動量信息。此技術能夠展現不同湮沒壽命的正電子的湮沒動量分布，特別是能夠對2-140ns的長壽命區域內不同熱化程度的電子偶素湮沒的動量分布進行研究，區分電子偶素的不同湮沒狀態。現有技術中的AMOC譜儀通常採用三探測器的構型，如圖1所示。系統由三個探測器及相應的電子學插件構成。探測器包括兩個氟化鋇(BaF2)閃爍體探測器，和一個同軸型高純鍺(High-Purity Germanium，HPGe)半導體探測器。兩個閃爍體探測器分別用以探測正電子湮沒壽命起始和停止的時間信號，其中測量停止時間信號的閃爍體探測器與同軸型HPGe探測器相對同軸放置，以測量同一湮沒事例放出的夾角約為180°的伽馬光子。測量時，該AMOC譜儀首先將兩個閃爍體探測器的時間信號進行符合，得到正電子湮沒的時間信號，再通過雙通道多道分析器進行正電子湮沒時間與能量的符合。為使譜儀達到較高的符合計數率，正電子源緊貼起始信號閃爍體探測器。同軸型HPGe探測器與正電子源的距離由源強決定，在保證計數率的情況下可進行適當調整。在實現本實用新型的過程中，發明人發現現有技術中的上述AMOC譜儀存在如下特點上述採用三探測器幾何構型的譜儀，對正電子湮沒壽命譜時間起始和停止信號分別使用兩個閃爍體探測器進行探測，再與同軸型HPGe探測器探測的能量信號進行符合。譜儀的最終信號來自三個信號(時間起始、時間停止和能量信號)經三重符合後得到，最終符合效率為單次符合效率的乘積，譜儀最終計數率較低(約2 4CpS/l·! Ci)。實驗結果表明，在實際的樣品測量過程中，上述三探測器幾何構型的AMOC譜儀，單個樣品的測量需2至4天，樣品測量周期長。特別針對電子偶素產額較低的實驗樣品則需要更長時間。測量期間的環境溫溼度變化將使譜儀發生漂移，導致測量結果不準確。此夕卜，電絕緣性樣品經受正電子長時間測量照射後，將出現電荷積累效應，使樣品內電子偶素產額發生變化，造成測量結果失真。上述採用三探測器幾何構型的譜儀若要提高系統的計數率，可採用增加正電子源強度的辦法，但此法將增加各探測器的雜散本底及信號的偶然符合本底，同時也會對探測器造成輻照損傷。

實用新型內容為解決現有技術中的上述問題，本實用新型提供了一種高效率的正電子湮沒多參數符合測量系統。本實用新型所提供的高效率正電子湮沒多參數符合測量系統，包括一個閃爍體探測器、用於同時獲取正電子湮沒的能量信號和時間停止信號的平面型高純鍺半導體探測器、第一恆比定時甄別器、第二恆比定時甄別器、第一信號延時箱、第二信號延時箱、定時濾波放大器、時-幅轉換器、譜放大器、雙通道多道分析器；閃爍體探測器的信號輸出端連接第一恆比定時甄別器，第一恆比定時甄別器的輸出端與第一信號延時箱連接，第一信號延時箱的輸出端與時-幅轉換器連接；平面型高純鍺半導體探測器的其中一個輸出端連接定時濾波放大器，該定時濾波放大器的輸出端連接第二恆比定時甄別器，第二恆比定時甄別器的其中一個輸出端連接第二信號延時箱，該第二信號延時箱的輸出端連接該時-幅轉換器；第二恆比定時甄別器的另一輸出端連接該時-幅轉換器以為時-幅轉換器提供門信號；平面型高純鍺半導體探測器的另一輸出端連接譜放大器，該譜放大器的輸出端連接雙通道多道分析器，時-幅轉換器的輸出端也連接該雙通道多道分析器。所述閃爍體探測器和平面型高純鍺半導體探測器與正電子源之間的距離與所述正電源的源強相適應。所述正電子源的源強小於10微居，所述閃爍體探測器和平面型高純鍺半導體探測器的距離為O至3釐米。本實用新型的正電子湮沒多參數符合測量系統，通過採用平面型高純鍺半導體探測器同時測量正電子湮沒的時間停止信號和能量信號的方式，實現高效率的正電子湮沒壽命-動量關聯符合測量。選用合理的電子學框架及信號處理方式，實現了信號的準確和高效率處理，使系統最終計數率較常規AMOC譜儀提高一個數量級，為電子偶素的相關研究提供了更好的研究手段。

圖1為現有的採用三探測器幾何構型的AMOC譜儀的結構框圖；圖2為本實用新型的採用兩探測器幾何構型的正電子湮沒多參數符合測量系統的結構框圖；圖3a為本實用新型的正電子湮沒多參數符合測量系統對Ni單晶材料的測量結果譜圖；圖3b為本實用新型的正電子湮沒探測系統針對聚四氟乙烯材料的的測量結果譜圖。
具體實施方式
體現本實用新型特徵與優點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本實用新型能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本實用新型的範圍，且其中的說明及所附附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本實用新型。本發明針對現有技術中的AMOC譜儀存在的問題，建立了雙探測器幾何構型的正電子湮沒多參數符合測量系統。系統採用平面型高純鍺半導體探測器同時測量正電子湮沒的時間停止信號和能量信號的方式，減少了信號的符合次數，使系統的最終符合效率提高了 一個數量級。以下先對本實用新型中的正電子湮沒多參數符合測量系統的具體結構和工作原理進行說明。該正電子湮沒多參數符合測量系統的結構圖如圖2所示，以下結合圖2對該正電子湮沒探測系統的組成結構及其工作特點進行說明，該正電子湮沒探測系統包括一個閃爍體探測器1，用於探測正電子湮沒Y光子的起始時間信號。一個平面型高純鍺半導體探測器2，用於探測正電子湮沒Y光子的能量信號，同時提取正電子湮沒Y光子的時間停止信號。該閃爍體探測器I和該平面型高純鍺半導體探測器2與正電子源之間的距離由源強決定，源強大時則也距離適當增大該距離。在保證計數率的情況下可進行適當調整(在本案中，正電子源小於10微居的情況下為O至3釐米)。由於兩探測器距正電子源較近，使得探測器在正電子源周圍所佔空間角的比例較大，探測器的幾何探測效率提高，因此該正電子湮沒探測系統可以採用強度較小的正電子源，以降低測量本底和對探測器的輻照損傷。第一恆比定時K別器3I (Constant Fraction Differential Discriminator,CFD)、第二恆比定時甄別器32，用於獲取定時信號。第一信號延時箱41 (Delay)和第二信號延時箱42,用於進行信號的延遲處理。一個定時濾波放大器5 (Timing Filter Amplifier, TFA)具有較好的定時性能，用於將平面型高純鍺半導體探測器2的前置放大器的信號定時並成形放大。一個時-幅轉換器6 (Time-to-Amplitude Converter, TAC),用於將正電子煙沒的起始-終止時間間隔轉換為信號幅度，即時間信號。一個譜放大器7 (Spectroscopy Amplifier,Amp),用於將平面型高純鍺半導體探測器的前置放大器的信號進行成形放大，即為正電子湮沒能量信號。一個雙通道多道分析器8，用於進行模數轉換、信號的採集和符合處理，實現時間信號和能量信號的關聯測量。符合事例的信號傳輸至計算機以記錄和保存。各I旲塊的連接關係如圖2所不閃爍體探測器I的信號輸出端連接第一恆比定時甄別器31，第一恆比定時甄別器31的輸出端與第一信號延時箱41連接,第一信號延時箱41的輸出端與時-幅轉換器6連接。平面型高純鍺半導體探測器2的一輸出端連接定時濾波放大器5，該定時濾波放大器5的輸出端連接第二恆比定時甄別器32。第二恆比定時甄別器32的一輸出端連接第二信號延時箱42，該第二信號延時箱42的輸出端連接該時-幅轉換器6 ;第二恆比定時甄別器32的另一輸出端連接該時-幅轉換器6。平面型高純鍺半導體探測器2的另一輸出端連接譜放大器7，該譜放大器7的輸出端連接雙通道多道分析器8，該時-幅轉換器6的輸出端也連接該雙通道多道分析器8。在上述模塊組成和連接關係的基礎上，該正電子湮沒探測系統的工作原理如下該正電子湮沒多參數符合測量系統利用閃爍體探測器I探測能量為1. 28MeV的Y光子作為壽命譜的起始時間信號；利用平面型高純鍺半導體探測器2在探測湮沒Y光子能量信號的同時，提取其時間信號作為壽命譜的終止時間信號。由此可得到單個正電子湮沒事例的湮沒Y光子的能量信號和壽命時間信號，壽命時間信號與能量信號進行符合，實現正電子湮沒壽命-動量關聯測量。閃爍體探測器I探測得到的信號輸入第一恆比定時甄別器31，第一恆比定時甄別器31獲取正電子湮沒壽命起始的定時信號，將該定時信號發送到第一信號延時箱41，通過該第一信號延時箱41對該定時信號進行延遲處理，將處理後的定時信號作為Start (壽命起始)信號發送到時-幅轉換器6。平面型高純鍺半導體探測器2探測正電子湮沒Y光子的能量信號，並提取其時間信號作為正電子湮沒壽命停止時間信號。平面型高純鍺半導體探測器2 —方面將信號輸出到定時濾波放大器5，以對其進行成形放大，隨後使用第二恆比定時甄別器32產生正電子湮沒壽命的停止時間信號；另一方面將探測器信號發送到譜放大器7，以對信號進行放大處理，獲得正電子湮沒能量信號。該定時濾波放大器5對該高純鍺半導體探測器2輸出的壽命停止時間信號進行定時和成形放大處理，將處理後的信號發送到第二恆比定時甄別器32進一步進行定時，該第二恆比定時K別器32輸出一 Gate (為能譜信號和壽命譜信號開門，使start和stop信號有效)信號到時-幅轉換器6 ;同時該第二恆比定時甄別器32獲取該壽命停止的定時信號，並將該定時信號發送到第二信號延時箱42，經第二信號延時箱42對該定時信號進行延遲處理，將處理後的定時信號作為Stop (壽命停止)信號發送到時-幅轉換器6，產生正電子湮沒壽命的時間信號。最後，該時間信號和由譜放大器7放大處理後的能量信號輸入到雙通道多道分析器8。雙通道多道分析器8對兩路信號進行模數轉換、採集和符合處理，實現時間信號和能量信號的關聯測量。符合事例的信號傳輸至計算機以記錄和保存。本發明的正電子湮沒多參數符合測量系統，利用平面型高純鍺半導體探測器2在探測湮沒Y光子能量信號的同時，提取其時間信號作為壽命譜的終止時間信號。實驗表明，此種構型的正電子湮沒探測系統的幾何探測效率較高(計數率可達20cps/y Ci)。該正電子湮沒多參數符合測量系統測量的二維譜結果如圖3a和3b所示，以下結合該正電子湮沒多參數符合測量系統的測量結果譜，以及通過實驗產生的相應的統計數據對該正電子湮沒探測系統產生的有益效果進行說明。參見圖3a和圖3b，圖3a為採用單晶Ni材料的探測樣品的探測結果譜，單晶Ni為單質純鎳塊狀樣品，純度為99. 99%，材料中無電子偶素的湮沒。如圖3b為採用PTFE材料為探測樣品的探測結果譜，PTFE為聚四氟乙烯，PTFE乳液是一種含聚四氟乙烯高分子化學材料，它廣泛應用於包裝、電子電氣、耐腐蝕材料。在正電子注入後，PTFE中能夠形成較多的電子偶素，因而在測試結果中含有長壽命成分，參見圖3b所示的譜線十字焦點右側有較多的湮沒事例點。正電子的每一個湮沒過程都包含有時間和動量分布的信息，實驗得到的是各個湮沒方式的疊加信息。正電子湮沒時間、動量譜可表示為
權利要求1.一種正電子湮沒多參數符合測量系統，其特徵在於，該系統包括一個閃爍體探測器、用於同時獲取正電子湮沒的能量信號和時間停止信號的平面型高純鍺半導體探測器、第一恆比定時甄別器、第二恆比定時甄別器、第一信號延時箱、第二信號延時箱、定時濾波放大器、時-幅轉換器、譜放大器、雙通道多道分析器； 閃爍體探測器的信號輸出端連接第一恆比定時甄別器，第一恆比定時甄別器的輸出端與第一信號延時箱連接，第一信號延時箱的輸出端與時-幅轉換器連接； 平面型高純鍺半導體探測器的其中一個輸出端連接定時濾波放大器，該定時濾波放大器的輸出端連接第二恆比定時甄別器，第二恆比定時甄別器的其中一個輸出端連接第二信號延時箱，該第二信號延時箱的輸出端連接該時-幅轉換器；第二恆比定時甄別器的另一輸出端連接該時-幅轉換器以為時-幅轉換器提供門信號； 平面型高純鍺半導體探測器的另一輸出端連接譜放大器，該譜放大器的輸出端連接雙通道多道分析器，時-幅轉換器的輸出端也連接該雙通道多道分析器。
2.根據權利要求1所述的正電子湮沒多參數符合測量系統，其特徵在於，所述閃爍體探測器和平面型高純鍺半導體探測器與正電子源之間的距離與所述正電源的源強相適應。
3.根據權利要求2所述的正電子湮沒多參數符合測量系統，其特徵在於，所述正電子源的源強小於10微居，所述閃爍體探測器和平面型高純鍺半導體探測器的距離為O至3釐米。
專利摘要本實用新型公開了一種高效率的正電子湮沒多參數符合測量系統，通過採用平面型高純鍺半導體探測器同時測量正電子湮沒的時間停止信號和能量信號的方式，實現高效率的正電子湮沒壽命-動量關聯(Positron Age Momentum Correlation,AMOC)符合測量。系統包括一個閃爍體探測器、一個平面型高純鍺半導體探測器、第一恆比定時甄別器、第二恆比定時甄別器、第一信號延時箱、第二信號延時箱、定時濾波放大器、時-幅轉換器、譜放大器、雙通道多道分析器。通過選用合理的電子學框架及信號處理方式，實現了信號的準確和高效率處理，使系統最終計數率較常規AMOC譜儀提高一個數量級，為電子偶素的相關研究提供了更好的研究手段。
文檔編號G01N23/22GK202870004SQ201220268349
公開日2013年4月10日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者李卓昕, 王寶義, 曹興忠, 張鵬, 姜小盼, 於潤升, 魏龍 申請人:中國科學院高能物理研究所