基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统及方法，包括源室、起始伽马探测器、第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器；在放射源一侧设置样品，样品与放射源固定于源室中心；第一停止伽马探测器与第二停止伽马探测器以放射源为中心对称放置于源室外，起始伽马探测器于源室外部任意位置放置；所述起始伽马探测器负责对

【技术实现步骤摘要】
基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统及方法


[0001]本专利技术属于核谱学和核探测
，具体涉及一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统及方法。

技术介绍

[0002]正电子湮没是材料中原子级缺陷的无损灵敏探针，在材料缺陷分布及演化规律研究中具有独特优势。正电子湮没寿命测量通过测量正电子在物质中的湮没寿命，表征物质中缺陷的种类及浓度。
[0003]常规正电子湮没寿命测量中常采用两片完全相同且足够厚的样品紧密包裹
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Na放射源，形成“样品
‑
放射源
‑
样品”三明治式测量结构。
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Na放射源在衰变释放正电子时会伴随发射1.28MeV的起始伽马射线，正电子在样品中湮没时会反向产生两个0.511MeV的湮没伽马射线。通常采用一个伽马探测器探测起始伽马射线的发生时间作为正电子产生的起始时间，利用另外一个伽马探测器探测两个湮没伽马射线中一个的发生时间作为正电子的停止时间，统计起始时间和停止时间之间的时间差得到正电子湮没寿命谱。由于放射源产生的正电子具有连续能谱，在材料中具有一定的射程分布。因此，目前的测量结构对测量样品的厚度有严格的要求，需保证所有能量的正电子均在样品中湮没。然而，对于薄膜样品，正电子有可能穿透薄膜，在其他材料中湮没，将使正电子湮没寿命谱中引入测量噪声，不利于薄膜样品中微观结构的准确表征。
[0004]因此，如何准确定位正电子的湮没位置，排除薄膜样品以外材料中的正电子湮没成分，筛选出样品中的正电子湮没事例，将是基于放射源常规方法应用于薄膜样品正电子湮没寿命测量的关键。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统及方法，包括源室、起始伽马探测器、第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器；在放射源一侧设置样品，样品与放射源固定于源室中心；第一停止伽马探测器与第二停止伽马探测器以放射源为中心对称放置于源室外，起始伽马探测器于源室外部任意位置放置；起始伽马探测器负责对
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Na放射源发射正电子时级联产生的1.28MeV伽马射线进行探测，第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器分别对正电子湮没后产生的两个反向发射的0.511MeV湮没伽马射线进行探测。本专利技术通过测量两个湮没伽马射线被探测的时间差，准确定位正电子湮没位置，筛选出样品中的正电子湮没事例，突破测量样品厚度限制，实现对薄膜样品中正电子湮没寿命的测量。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统，包括源室、起始伽马探测器、第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器；在放射源一侧设置样品，样品与放射源固定于源室中心；第一停止伽马探测器与第二停止伽马探测器以放射源为中心对称放置于源室外，
起始伽马探测器于源室外部任意位置放置；起始伽马探测器负责对
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Na放射源发射正电子时级联产生的1.28MeV伽马射线进行探测，第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器分别对正电子湮没后产生的两个反向发射的0.511MeV湮没伽马射线进行探测。
[0008]进一步地，所述源室和停止伽马探测器用于筛选出样品中的正电子湮没事例；所述源室内部为真空环境，几何形状、内部空间大小以及源室壁的厚度根据具体应用场景而具体布置，需保证未进入样品的正电子在距离样品足够远的源室壁上湮没，且需满足两个湮没伽马光子被探测的时间差其中，ΔL为两个湮没伽马光子被探测的光程差，c为光速，TR1与TR2分别为第一、第二停止伽马探测器的时间分辨率；第一、第二停止伽马探测器同时探测正电子湮没后产生的两个反向发射的0.511MeV湮没伽马射线，并根据测量在样品和在源室壁湮没的两个伽马射线被探测的时间差ΔT的差异性，定位正电子的湮没位置，从而排除入射到源室壁的正电子湮没事例，只保留在样品中的正电子湮没事例。
[0009]进一步地，所述起始和第一、第二停止伽马探测器均采用具有高时间分辨的闪烁体和与之耦合的快响应的光电转换器，所述闪烁体包括BaF2、LaBr3、LYSO，所述光电转换器包括光电倍增管、硅光电倍增管。
[0010]本专利技术还提供一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统的测量方法，包括：
[0011]步骤1、起始伽马探测器探测到伽马射线后，产生起始伽马信号；第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器探测到伽马射线后，分别产生第一停止伽马信号和第二停止伽马信号；
[0012]步骤2、信号采集模块负责对起始伽马信号、第一停止伽马信号和第二停止伽马信号进行采集，并将波形数据传输至数据处理模块进行处理；
[0013]步骤3、数据处理模块对波形数据进行能量甄别、定时、湮没事例的判选以及寿命谱统计。
[0014]进一步地，所述步骤3中，对于起始伽马信号和停止伽马信号，能量阈值分别设置为1.28MeV伽马射线的光电峰和0.511MeV伽马射线的光电峰，以提高时间测量精度，排除背底环境中其他伽马的干扰，并分别经过定时后生成起始定时信号、第一停止定时信号和第二停止定时信号；在一定时间窗内，计算起始定时信号和其中一个停止定时信号之间的时间差，作为每个正电子湮没事例的寿命；只有当同时探测到起始伽马信号、第一停止伽马信号和第二停止伽马信号，且在一定时间窗内同时存在第一停止伽马信号和第二停止伽马信号时，将输出正电子湮没事例记录与否的判选信号；当有判选信号输出时，说明该事例为样品中一个有效的正电子湮没事例，将进行时间差计算；而当无判选信号输出时，说明该事例中正电子不在样品中湮没，时间差计算将被抑制，同时数据处理模块直接进入下一个事例的处理，从而筛选出样品中的正电子湮没事例。最后，将对每个有效正电子湮没事例对应的时间差进行统计，经过足够事例积累，生成正电子湮没寿命谱。
[0015]有益效果：
[0016](1)本专利技术测量结构简单，可精确定位正电子湮没位置，充分排除在薄膜样品以外的正电子湮没事例，筛选出薄膜中的正电子湮没事例，实现了薄膜样品中正电子湮没寿命的准确测量。
[0017](2)本专利技术对样品的厚度没有限制，在满足薄膜样品测量要求的同时适用于厚样品的测量。
[0018](3)本专利技术对样品的种类和数量没有限制，原则上只要样品的距离大于系统的位置分辨能力，系统均能筛选出不同位置处样品的湮没信息。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统示意图；
[0020]图2为本专利技术的测量电路示意图；
[0021]图3为信号判选时间窗示意图；
[0022]图4为停止伽马探测器采用不同直径晶体时所需源室最小半径；
[0023]图5为系统筛选在不同种类薄膜样品中正电子湮没事例时的一种测量结构示意图。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统，其特征在于：包括源室、起始伽马探测器、第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器；在放射源一侧设置样品，样品与放射源固定于源室中心；第一停止伽马探测器与第二停止伽马探测器以放射源为中心对称放置于源室外，起始伽马探测器于源室外部任意位置放置；起始伽马探测器负责对
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Na放射源发射正电子时级联产生的1.28MeV伽马射线进行探测，第一停止伽马探测器和第二停止伽马探测器分别对正电子湮没后产生的两个反向发射的0.511MeV湮没伽马射线进行探测；通过测量两个湮没伽马射线被探测的时间差，准确定位正电子湮没位置，筛选出样品中的正电子湮没事例，实现对薄膜样品中正电子湮没寿命的测量。2.根据权利要求1所述的一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统，其特征在于：所述源室和停止伽马探测器用于筛选出样品中的正电子湮没事例；所述源室内部为真空环境，几何形状、内部空间大小以及源室壁的厚度根据具体应用场景而具体布置，保证未进入样品的正电子在距离样品足够远的源室壁上湮没，满足两个湮没伽马射线被探测的时间差其中，ΔL为两个湮没伽马光子被探测的光程差，c为光速，TR1与TR2分别为第一、第二停止伽马探测器的时间分辨率；第一、第二停止伽马探测器同时探测正电子湮没后产生的两个反向发射的0.511MeV湮没伽马射线，并根据测量在样品和在源室壁湮没的两个湮没伽马射线被探测的时间差ΔT的差异性，定位正电子的湮没位置，从而排除入射到源室壁的正电子湮没事例，只保留在样品中的正电子湮没事例。3.根据权利要求1所述的一种基于位置定位的正电子湮没寿命测量系统，其特征在于：所述起始和第一、第二停止伽马探测器均采用具有高时间分辨的闪烁体和与之耦合的快响应的光电转换器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福雁，张红强，况鹏，曹兴忠，于润升，于啸天，王冕，王英杰，王宝义，魏龙，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：