CN106371132A - 用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统以及闪烁探测器 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统以及闪烁探测器。用于正电子湮没寿命谱测量的方法包括：正电子脉冲束团到达所述待测样品的时刻记录为第一时间；通过位置将所述正电子脉冲束团在所述待测样品中湮没产生的多个伽马光子信号区分开，并收集所述多个伽马光子信号，将收集到所述多个伽马光子信号的时刻记录为多个第二时间；对所述多个第二时间进行处理，得到多个第一时间差；以及对所述多个第一时间差进行统计，得到正电子湮没寿命谱。本申请的方法，能够同时测量多个正电子湮没产生的伽马光子的时间分布，提高测量效率。

Description

用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统以及闪烁探测器

技术领域

本发明涉及核谱学和核探测技术领域，具体而言，涉及一种用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统以及闪烁探测器。

背景技术

放射源发出的正电子射入待测样品中，经热化扩散后与待测样品中的电子发生湮没，发射出伽马光子，伽马光子的产生时间及其携带的动量和能量信息，分别对应着正电子在材料中的寿命，与之湮没的电子动量和能量分布信息，这些信息可以反映出待测样品材料的微观结构。

正电子在固体样品中存在的时间即正电子湮没寿命，和待测样品中电子密度成反比，所以可以利用正电子的寿命来反应待测样品中的电子密度。在固体待测样品中微观缺陷处由于其电子密度下降，正电子在缺陷处的湮没时间就会增加，不同的缺陷结构，正电子在其中的湮没时间不同，而且缺陷浓度越大，正电子在缺陷处湮没的几率越大，从而可以推导出待测样品微观缺陷的尺寸和浓度。然而，由于正电子在待测样品中湮没的位置具有随机性，所以，仅仅少数的几个正电子湮没的时间，是没有办法真实的反映出待测样件的微观信息，一般情况下，需要对大量的正电子湮没时间的测量得到统计数据，生成正电子湮没寿命谱。

目前正电子湮没寿命谱的测量方法为将正电子逐一注入待测样品中，每次注入正电子即可以测量到一个正电子湮没事件，并记录下正电子湮没的时间。通过长时间、大量正电子湮没事件的累计测量获得正电子湮没的统计特征信息，从而生成正电子湮没寿命谱，进而获得待测样件的微观特征。由于数据统计计数的要求，常规正电子湮没技术的测量系统，要达到满足正电子湮没寿命谱的统计计数要求的测量时间大约需要数小时。

正电子可以通过现有技术的手段，累积成电子束团，电子束团包含的正电子数为的量级为10⁵。但是，在传统的正电子湮没寿命谱的测量中，由于探测器的堆积效应，又由于正电子在待测样品中发生湮没的时间很短，大量的正电子几乎同时进行湮没，一个正电子脉冲湮没后产生的大量的伽马光子信号(量级为10⁵)，探测器无法同时分辨如此多的伽马光子信号。探测器会将每个正电子脉冲束团中所有的湮没伽马光子信号叠加作为一个信号进行处理，而且一般情况这种处理方式下会导致探测器堆积饱和而无法工作。

因此，需要一种新的用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统及闪烁探测器。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统以及闪烁探测器，能够同时测量多个正电子湮没产生的伽马光子的时间分布，提高测量效率。

本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一方面，提供一种用于正电子湮没寿命谱测量的方法，包括：将正电子脉冲束团到达待测样品的时间记录为第一时间；通过位置将正电子脉冲束团在待测样品中湮没产生的多个伽马光子信号区分开，并收集多个伽马光子信号，将收集到多个伽马光子信号的时间记录为多个第二时间；对多个第二时间进行处理，得到多个第一时间差；以及对多个第一时间差进行统计，得到正电子湮没寿命谱。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：正电子脉冲束团发出时产生第一信号，第一信号作为收集多个伽马光子信号的触发信号。

在本公开的一种示例性实施例中，对多个第二时间进行处理，得到多个第一时间差，包括：从多个第二时间去除第一时间带来的固定时间差。

根据本发明的一方面，提供一种用于正电子湮没寿命谱测量的系统，包括：位置灵敏型闪烁探测器，用于同时收集多个伽马光子并相应产生多个光子信号；以及信号处理系统，用于对多个光子信号进行处理，以得到正电子湮没寿命谱。。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：正电子脉冲束团发生器，用于产生正电子脉冲束团，并在正电子脉冲束团产生时同时产生第一时间信号。

在本公开的一种示例性实施例中，信号处理系统包括：多通道光子信号处理系统，用于对多个伽马光子信号进行处理以产生多个第二时间信号；以及符合系统，用于接收第一时间信号作为触发信号以及通过触发信号控制信号处理系统对多个光子信号进行处理。

在本公开的一种示例性实施例中，位置灵敏型闪烁探测器为半球面的结构，包括：不少于N个探测单元，其中N为正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

在本公开的一种示例性实施例中，位置灵敏型闪烁探测器球面的结构的半径为R：

$R=\sqrt{\frac{S\·N}{4\mathrm{\π}}},$

其中，S为每个探测单元的表面积，N为正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

在本公开的一种示例性实施例中，正电子团发生器包括：正电子脉冲束团发生器包括：正电子存贮脉冲束流型发生器、对正电子存贮脉冲束流再聚束型发生器、以及强激光诱发正电子脉冲束流型发生器。

根据本发明的一方面，提供一种闪烁探测器，闪烁探测器为半球面的结构，包括：不少于N个探测单元，其中N为正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1是根据一示例性实施例示出的用于正电子湮没寿命谱测量的方法的流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的用于正电子湮没寿命谱测量的系统的框图。

图3是根据另一示例性实施例示出的用于正电子湮没寿命谱测量的系统的框图。

附图标记说明

用于正电子湮没寿命谱测量的系统20

正电子脉冲束团发生器202 正电子脉冲束团206

位置灵敏型闪烁探测器208 待测样品210

信号处理装置212 多通道光子信号处理系统2122

符合系统2124

用于正电子湮没寿命谱测量的系统30

位置灵敏型闪烁探测器302 探测单元304

待测样品306

具体实施例

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本发明将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

图1是根据一示例性实施例示出的用于正电子湮没寿命谱测量的方法的流程图。

如图1所示，在S102中，将正电子脉冲束团到达待测样品的时刻记录为第一时间。

由正电子脉冲束团发生器发出正电子脉冲束团，正电子脉冲束团的波形宽度、正电子数量由正电子脉冲束团发生器决定，可例如，波形宽度2ns，每个正电子脉冲束团中包含10⁵个正电子数量。正电子束流技术将放射源发射出的高能正电子或者其他方法产生的高能正电子，利用慢化体方法将正电子的能量降低到eV量级，成为能量可调的单色正电子束流。慢化体的工作原理是利用某些材料表面对正电子具有负的亲和势，导致了正电子的再发射现象，从而获得低能、单色的正电子束流。为了提高正电子束流的强度，通常利用电子直线加速器高能电子轰击靶材产生正负电子对方式、或者核反应堆及同步辐射产生伽马射线打靶产生正负电子对方式，提高入射高能正电子的数量，从而得到高流强的慢正电子束流，目前这类装置产生的慢正电子束流强度约为10⁵～10⁹e⁺/s，依赖于电子加速器的能量以及功率。通过基于捕获技术的正电子装置，可以通过长时间累积来获得亮度高、能散很小、微束斑尺度的低能正电子束流。

在S104中，通过位置将正电子脉冲束团在待测样品中湮没产生的多个伽马光子信号区分开，并收集多个伽马光子信号，将收集到多个伽马光子信号的时间记录为多个第二时间。

正电子是人类最早发现的反物质，具有1/2的本征自旋，是一种费米子，其质量、寿命和电子相等，具有和电子相同的电荷量，但符号相反。当一个正电子遇到了正常的物质，它最终会在一个寿命期间内和一个电子发生湮没，将正电子与电子所有的质量转化成能量，通常情况下发射出两个方向相反、能量相等的伽马光子。常规正电子湮没寿命测量方法采用²²Na放射性同位素，其衰变特点是在放出正电子的几乎(大约相差3皮秒)同时，伴随有一个能量为1.28MeV级的伽马光子产生。

在本实施例中，²²Na产生的正电子，经过上文的正电子慢化与正电子积累，得到的正电子脉冲束团中包含有大量的正电子，可例如，每个脉冲束团中包含10⁵个正电子数量，正电子脉冲束团进入到被测样品中，和待测样品中的电子相遇，发生湮没，产生出大量的伽马光子。

由于正电子脉冲束团中所有正电子都会湮没，每个湮没的正电子均会得产生伽马光子信号，伽马信号随机发射向自由空间，通过位置，将伽马信号区分开，同时收集大量的伽马光子信号，可例如包含有10⁵个正电子的电子束团，湮没后产生2*10⁵个伽马光子信号，记录多个伽马光子信号产生的时刻。

在S106中，对所述多个第二时间进行处理，得到多个第一时间差。

对记录的多个伽马光子信号产生的时刻进行处理。可例如，在第二时间中去除第一时间带来的固定时间延时；也可例如，修正由于测量系统带来的时间误差，然而，本发明不限于此。

在S108中，对所述多个第一时间差进行统计，得到正电子湮没寿命谱。

对多个第二时间进行处理后，得到多个第一时间差。在本实施例中，可例如，每个第一时间差即代表一个正电子在样品中的寿命时间。对大量的第一时间差进行统计分析，可例如，对10⁵个正电子的寿命进行统计，即可生成正电子湮没寿命谱。

本发明实施例的用于正电子湮没寿命谱测量的方法，能够同时测量多个正电子湮没产生的伽马光子的时间分布，提高测量效率。

应清楚地理解，本发明描述了如何形成和使用特定示例，但本发明的原理不限于这些示例的任何细节。相反，基于本发明公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

根据另一示例性实施例示出的正电子湮没寿命谱测量的方法中，正电子脉冲束团为一脉冲信号。

通过正电子积累器(positron accumulator)，可将慢正电子束流进行存储和积累(APBS Trap)，从而产生亮度增强的慢正电子脉冲束。产生脉冲束的宽度取决于脉冲内的正电子数或取决于正电子等离子体的空间电荷势。典型含有10⁶以上的等离子体中，产生脉冲束的宽度为15～20ns。而且，如果经过聚束器(buncher)处理之后的正电子，正电子脉冲束的宽度可以压缩到～2ns。

根据另一示例性实施例示出的正电子湮没寿命谱测量的方法中，还包括：正电子脉冲束团发出时产生第一信号，第一信号作为收集多个伽马光子信号的触发信号。

在正电子脉冲束团产生的时候，同时产生一第一信号，第一信号作为触发信号，触发探测器进行伽马信号的测量。

根据另一示例性实施例示出的正电子湮没寿命谱测量的方法中，对多个第二时间进行时间处理，得到多个第一时间差，包括：从多个第二时间去除第一时间带来的固定时间差。

在本实施例中，可例如，以正电子脉冲束团发射的起始时间作为统一触发信号，并记录为第一时间，每个伽马光子湮没的时间作为第二时间，第二时间需要去除第一时间引起的固定时间差，得到多个第一时间差。在本实施例中，可例如，正电子脉冲束团虽然为脉冲信号，但是正电子脉冲束团本身也有脉冲时间，第二时间中去除正电子脉冲束团脉冲宽度带来的时间差。然而，本发明不限于此。

下述为本发明系统实施例，可以用于执行本发明方法实施例。在下文对系统的描述中，与前述方法相同的部分，将不再赘述。

图2是根据一示例性实施例示出的用于正电子湮没寿命谱测量的系统框图。该系统可用于如图1所示的用于正电子湮没寿命谱测量的方法，但是本发明不限于此。

如图2所示，用于正电子湮没寿命谱测量的系统20包括：正电子脉冲束团发生器202、正电子脉冲束团206、位置灵敏性闪烁探测器208、待测样品210、以及信号处理系统212；其中信号处理系统212包括：多通道光子信号处理系统2122以及符合系统2124。

正电子脉冲束团发生器202用于产生正电子脉冲束团，并在正电子脉冲束团产生时同时产生第一信号。

位置灵敏型闪烁探测器208用于同时收集多个伽马光子并相应产生多个光子信号。

信号处理系统212用于对所述多个光子信号进行处理，以得到正电子湮没寿命谱。

多通道光子信号处理系统2122用于对多个伽马光子信号进行处理以产生多个第二时间信号；

符合系统2124用于接收第一时间信号作为触发信号以及通过触发信号控制信号处理系统对多个光子信号进行处理。

图2中还示出了正电子脉冲束团206以及待测样品210。

本发明实施例的用于正电子湮没寿命谱测量的系统，能够同时测量多个正电子湮没产生的伽马光子的时间分布，提高测量效率。

图3是根据另一示例性实施例示出的用于正电子湮没寿命谱测量的系统的框图。该系统框图为图2中位置灵敏型闪烁探测器208的进一步描述。

如图3所示，用于正电子湮没寿命谱测量的系统30包括：位置灵敏型闪烁探测器302、探测单元304、以及待测样品306。

位置灵敏型闪烁探测器302为包裹半个多个伽马光子发散球面的结构。位置灵敏型闪烁探测器302的结构包括：不少于N个探测单元304，其中N为正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

如上文，由脉冲正电子脉冲束团发生器放出的脉冲正电子束入射到样品306中，所有的正电子将会与样品中的电子发生湮没，并发射伽马光子信号，由于伽马光子信号的空间发射角是完全随机的，伽马光子信号在4π立体空间内的方向是完全随机并且均匀分布。忽略正电子脉冲束团在样品中的空间尺度，可以认为所有伽马光子信号均由一个点向4π立体空间呈发散状传播，如图3所标注，随着传播距离R的增加，伽马光子间的空间间隔增加，进而可以在空间上将每个伽马光子信号区分开。当伽马光子之间的间隔超过探测器单元304的边长l时，可以认为，每个探测器单元304，每次测量中只接收不超过一个伽马光子信号。又由于正电子与样品中的电子发生湮没，发射出两个能量为0.511MeV、方向相反的伽马光子信号，所以，只需探测每个正电子湮没事件中的一个伽马光子的信息即可。可例如，将位置灵敏型闪烁探测器302做成包裹半个伽马射线发散球面的结构。

根据另一示例性实施例示出的正电子湮没寿命谱测量的系统中，如图3所示，以正电子的湮没点为球心，以传播距离R为半径构造球面，所有的伽马光子(总数设为2*N)均匀分布在球面上，相邻伽马射线的夹角Δθ相等，在球面入射点等间距l，将半个球面均分成N等份区域，每个区域的面积为S，则有关系式：

l＝R*sinΔθ；

S＝2πR²/N；

当待测样品放置于位置灵敏型闪烁探测器302的球心位置，待测样品306与位置灵敏型闪烁探测器302距离R：

$R=\sqrt{\frac{S\·N}{4\mathrm{\π}}}.$

当上述公式中，N的值固定时，Δθ不变，则l与R成线性关系，S与R²成线性关系。其中，S为每个探测单元的表面积，N为正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

可例如，正电子脉冲束团脉冲中正电子数量为10⁵个，湮没产生的伽马光子总数为2×10⁵，根据公式S＝2πR²/N，若探测器单元304最大探测面积为1mm²，则待测样品与位置灵敏型闪烁探测器302之间的距离R为126mm。

每个面积为S的区域入射不大于1个伽马光子，如果1个区域由1个探测单元304填充，则探测单元平均收集到不大于1个伽马光子，若是整个半球面被N个独立的探测单元304填充满，则1个脉冲正电子脉冲束团湮没产生的所有伽马光子信号都可以被探测到。因此，位置灵敏型闪烁探测器302为包裹半个多个伽马光子发散球面的结构，排布在以湮没点为中心的等距离4π空间。

本发明实施例的用于正电子湮没寿命谱测量的系统，通过构建包裹半个多个伽马光子发散球面的结构的位置灵敏型闪烁探测器，使得伽马光子到达每个探测器的传播距离相等，伽马光子以同一的光速在等距离传播过程中所用时间相同，探测单元探测伽马光子的时间差仅由伽马光子产生时间差即正电子寿命决定，减少了测量系统带来的测量误差。

根据另一示例性实施例示出的正电子湮没寿命谱测量的系统中，正电子脉冲束团发生器包括：正电子存贮脉冲束流作为正电子脉冲束团发生器；对正电子存贮脉冲束流再聚束作为正电子脉冲束团发生器；以及强激光诱发正电子脉冲束流作为正电子脉冲束团发生器。

根据本发明的一些实施例，提供一种闪烁探测器，闪烁探测器为位置灵敏型闪烁探测器，所述位置灵敏型闪烁探测器半球面的结构，包括：不少于N个探测单元，其中N为正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

本发明提供的闪烁探测器，能够同时测量多个正电子湮没产生的伽马光子的时间分布，提高测量效率。

通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实施例的用于正电子湮没寿命谱测量的方法、系统以及闪烁探测器具有以下优点中的一个或多个。

根据一些实施例，用于正电子湮没寿命谱测量的方法，能够同时测量多个正电子湮没产生的伽马光子的时间分布，提高测量效率。

根据一些实施例，用于正电子湮没寿命谱测量的系统，通过构建包裹半个多个伽马光子发散球面的结构的位置灵敏型闪烁探测器，使得伽马光子到达每个探测器的传播距离相等，伽马光子以同一的光速在等距离传播过程中所用时间相同，探测单元探测伽马光子的时间差仅由伽马光子产生时间差即正电子寿命决定，减少了测量系统带来的测量误差。

以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施例。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种用于正电子湮没寿命谱测量的方法，其特征在于，包括：

将正电子脉冲束团到达待测样品的时间记录为第一时间；

通过位置将所述正电子脉冲束团在所述待测样品中湮没产生的多个伽马光子信号区分开，并收集所述多个伽马光子信号，将收集到所述多个伽马光子信号的时间记录为多个第二时间；

对所述多个第二时间进行处理，得到多个第一时间差；以及

对所述多个第一时间差进行统计，得到正电子湮没寿命谱。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：所述正电子脉冲束团发出时产生第一信号，所述第一信号作为收集所述多个伽马光子信号的触发信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述多个第二时间进行处理，得到多个第一时间差，包括：

从所述多个第二时间去除所述第一时间带来的固定时间差。

4.一种用于正电子湮没寿命谱测量的系统，其特征在于，包括：

位置灵敏型闪烁探测器，用于同时收集多个伽马光子并相应产生多个光子信号；以及

信号处理系统，用于对所述多个光子信号进行处理，以得到正电子湮没寿命谱。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：

正电子脉冲束团发生器，用于产生正电子脉冲束团，并在所述正电子脉冲束团产生时同时产生第一时间信号。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号处理系统包括：

多通道光子信号处理系统，用于对所述多个伽马光子信号进行处理以产生多个第二时间信号；以及

符合系统，用于接收所述第一时间信号作为触发信号以及通过所述触发信号控制信号处理系统对所述多个光子信号进行处理。

7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述位置灵敏型闪烁探测器为半球面的结构，包括：

不少于N个探测单元，其中N为所述正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述位置灵敏型闪烁探测器球面的结构的半径为R：

$R=\sqrt{\frac{S\·N}{2\mathrm{\π}}},$

其中，S为所述每个探测单元的表面积，N为所述正电子脉冲束团发生器每次产生的正电子脉冲束团中的正电子数量。

9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述正电子脉冲束团发生器包括：正电子存贮脉冲束流型发生器、对正电子存贮脉冲束流再聚束型发生器、以及强激光诱发正电子脉冲束流型发生器。

10.一种闪烁探测器，其特征在于，闪烁探测器为半球面的结构，包括：不少于N个探测单元，其中N为正电子脉冲束团发生器每次产生的所述正电子脉冲束团中的正电子数量。