CN107807376A - 一种新型数字化β+‑γ符合正电子湮没寿命谱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核电子学与核探测器技术,具体涉及一种新型数字化β+‑γ符合正电子湮没寿命谱系统,包括样品,放射源、雪崩二极管、真空腔室、三维移动装置、第一同轴电磁透镜、第二同轴电磁透镜、第一BaF2闪烁体探测器、第二BaF2闪烁体探测器、第一高压电源、第二高压电源、第三高压电源、前置放大器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第三恒比定时甄别器、符合器和数字示波器。该系统将放射源与样品分离,采用雪崩二极管取代塑料闪烁体作为起始信号产生装置,具备更高的时间分辨率,系统结构简单,测量方便,能实现高温、高应力和样品自身结构改变(拉伸、扭曲等)下的实时原位(in‑situ)测量。
Description
技术领域
本发明属于核电子学与核探测器技术领域,尤其涉及一种新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统。
背景技术
正电子作为电子的反物质,在研究材料微结构缺陷方面具有重要意义。由于材料中空位型缺陷缺少了带正电荷的原子实,呈负电性,它能捕获正电子,因此材料中缺陷越多,正电子被缺陷捕获的比例就越大。正电子湮没技术作为一种无损检测技术以它的非破坏性、高灵敏度和方便使用已广泛应用于材料缺陷的探测和表征。常规的正电子湮没寿命谱采用“三明治”夹心结构即“样品-放射源-样品”进行测量,放射源与样品的紧密接触,极大的限制了正电子的测量范围,比如高温、高应力及样品实时形变的动态测量;另外,组成常规正电子湮没寿命谱系统的核电子学器件较多,体积比较庞大,价格昂贵,受测试环境温度、湿度和各核电子学器件的精度限制,测量的正电子湮没寿命结果的误差较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种能实现样品与放射源分离,实现高温、高应力和样品自身结构改变(拉伸、扭曲等)下的实时原位(in-situ)测量,简化仪器结构,提高仪器时间分辨率的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,包括样品,其特征是,包括放射源、雪崩二极管、真空腔室、三维移动装置、第一同轴电磁透镜、第二同轴电磁透镜、第一BaF2闪烁体探测器、第二BaF2闪烁体探测器、第一高压电源、第二高压电源、第三高压电源、前置放大器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第三恒比定时甄别器、符合器和数字示波器;
放射源置于真空腔室的一端,三维移动装置置于真空腔室的另一端,样品置于三维移动装置上,雪崩二极管设置在真空腔室中间,放射源、三维移动装置、样品、雪崩二极管同处真空腔室的轴线上;第一同轴电磁透镜置于靠近放射源的一侧,第二同轴电磁透镜置于靠近样品的一侧,真空腔室置于第一同轴电磁透镜和第二同轴电磁透镜轴线位置;第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器同轴分设于样品两侧;
雪崩二极管、前置放大器、第三恒比定时甄别器、数字示波器依次相连;第一高压电源与第一BaF2闪烁体探测器相连,第二高压电源与第二BaF2闪烁体探测器相连,第三高压电源与雪崩二极管相连;第一BaF2闪烁体探测器与第一恒比定时甄别器相连,第二BaF2闪烁体探测器与第二恒比定时甄别器相连;第一恒比定时甄别器和第二恒比定时甄别器分别与符合器相连;符合器与数字示波器相连;第二BaF2闪烁体探测器的输出端连接数字示波器。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,放射源选取68Ge。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,雪崩二极管选取透射型硅雪崩二极管,厚度小于100μm,有效区域大于4mm×4mm。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,三维移动装置包括自动控制箱、水平平移台、竖直平移台和旋转台;水平平移台设置于旋转台上,竖直平移台设置于水平平移台上。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,水平平移台包括x方向和y方向。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,竖直平移台采用长方体,与水平平移台活动连接;样品置于竖直平移台的四个面上。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器均采用BaF2闪烁体和光电倍增管通过硅油耦合,外部用磁屏蔽罩包裹。
在上述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统中,数字示波器的带宽大于1GHz,4个接入通道,每个通道的最小采样率大于5GS/s,最小存储深度大于1Mpts。
本发明的有益效果:
1.实现了样品与放射源的分离,能够实现单个样品测量,同时可在高温、高应力条件下进行测量。
2.可实现样品自身结构改变(拉伸、扭曲等)下的实时原位(in-situ)测量。
3.结构简单,测量方便。
4.具有较高的时间分辨率。
附图说明
图1为本发明一个实施例新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统的结构示意图;
图2为本发明一个实施例三维移动装置结构示意图;
图中:10a-第一BaF2闪烁体探测器,10b-第二BaF2闪烁体探测器,11a-第一恒比定时甄别器,11b-第二恒比定时甄别器,11c-第三恒比定时甄别器,20-雪崩二极管,21-前置放大器,22-符合器,23-数字示波器,24a-第一高压电源,24b-第二高压电源,24c-第三高压电源,30-放射源,31-真空腔室,32-样品,33-三维移动装置,33a-旋转台,33b-水平平移台(x方向),33c-水平平移台(y方向),33d-竖直平移台,34a-第一同轴电磁透镜,34b-第二同轴电磁透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本发明。此外,本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外,本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外,以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例,也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例,这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“相连”“连接"应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于相关领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实施例是采用以下技术方案来实现的,一种新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,包括样品,其特征是,包括放射源、雪崩二极管、真空腔室、三维移动装置、第一同轴电磁透镜、第二同轴电磁透镜、第一BaF2闪烁体探测器、第二BaF2闪烁体探测器、第一高压电源、第二高压电源、第三高压电源、前置放大器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第三恒比定时甄别器、符合器和数字示波器;
放射源置于真空腔室的一端,三维移动装置置于真空腔室的另一端,样品置于三维移动装置上,雪崩二极管设置在真空腔室中间,放射源、三维移动装置、样品、雪崩二极管同处真空腔室的轴线上;第一同轴电磁透镜置于靠近放射源的一侧,第二同轴电磁透镜置于靠近样品的一侧,真空腔室置于第一同轴电磁透镜和第二同轴电磁透镜轴线位置;第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器同轴分设于样品两侧;
雪崩二极管、前置放大器、第三恒比定时甄别器、数字示波器依次相连;第一高压电源与第一BaF2闪烁体探测器相连,第二高压电源与第二BaF2闪烁体探测器相连,第三高压电源与雪崩二极管相连;第一BaF2闪烁体探测器与第一恒比定时甄别器相连,第二BaF2闪烁体探测器与第二恒比定时甄别器相连;第一恒比定时甄别器和第二恒比定时甄别器分别与符合器相连;符合器与数字示波器相连;第二BaF2闪烁体探测器的输出端连接数字示波器。
进一步,放射源选取68Ge。
进一步,雪崩二极管选取透射型硅雪崩二极管,厚度小于100μm,有效区域大于4mm×4mm。
进一步,三维移动装置包括自动控制箱、水平平移台、竖直平移台和旋转台;水平平移台设置于旋转台上,竖直平移台设置于水平平移台上。
进一步,水平平移台包括x方向和y方向。
进一步,竖直平移台采用长方体,与水平平移台活动连接;样品置于竖直平移台的四个面上。
进一步,第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器均采用BaF2闪烁体和光电倍增管通过硅油耦合,外部用磁屏蔽罩包裹。
更进一步,数字示波器的带宽大于1GHz,4个接入通道,每个通道的最小采样率大于5GS/s,最小存储深度大于1Mpts。
具体实施时,一种新型数字化正电子湮没寿命谱系统包括放射源、雪崩二极管、真空腔室、三维移动装置、第一同轴电磁透镜、第二同轴电磁透镜、第一BaF2闪烁体探测器、第二BaF2闪烁体探测器、第一高压电源、第二高压电源、第三高压电源、前置放大器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第三恒比定时甄别器、符合器和数字示波器。
放射源置于真空腔室的一端,真空腔室内另一端设置三维移动装置,样品置于三维移动装置上,雪崩二极管设置在真空腔室中间,放射源、三维移动装置、样品、雪崩二极管同处真空腔室的轴线上;第一同轴电磁透镜置于靠近放射源的一侧,第二同轴电磁透镜置于靠近样品的一侧,真空腔室置于第一同轴电磁透镜和第二同轴电磁透镜轴线位置;第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器同轴分设于样品的两侧。
雪崩二极管、前置放大器、第三恒比定时甄别器、数字示波器依次相连;第一高压电源与第一BaF2闪烁体探测器相连,第二高压电源与第二BaF2闪烁体探测器相连,第三高压电源与雪崩二极管相连;第一BaF2闪烁体探测器与第一恒比定时甄别器相连;第二BaF2闪烁体探测器与第二恒比定时甄别器相连;第一恒比定时甄别器和第二恒比定时甄别器与符合器相连;符合器与数字示波器相连;第二BaF2闪烁体探测器的输出端还连接数字示波器。
并且,作为优选,放射源选取68Ge。
并且,考虑正电子的穿透能力和有效数量,雪崩二极管选取透射型硅雪崩二极管,厚度小于100μm,有效区域大于4mm×4mm。
并且,三维移动装置包括自动控制箱、水平平移台(x方向和y方向)、竖直平移台(z方向)和旋转台,竖直平移台设于水平平移台上,水平平移台设于旋转台上,其中竖直平移台设置为长方体状,可取下,样品置于竖直平移台的四个面上,可一次性装载多个样品。
并且,通过自动控温系统和小型精密装置实现高温、高应力及样品自身结构改变(拉伸、扭曲等)下的实时原位(in-situ)测量。用于高温测量的加热片置于竖直平移台的一侧,加热片通过自动控温系统控制。用于高应力、拉伸、扭曲等实验的小型精密装置置于真空腔室内部,两个试样夹持钳口上下放置,通过下钳口的移动调整拉伸空间。
并且,第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器均由BaF2闪烁体和光电倍增管通过硅油耦合而成,外部用磁屏蔽罩包裹。
而且,新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命系统中,第一同轴电磁透镜置于靠近放射源的一侧,第二同轴电磁透镜置于靠近样品室一侧,真空腔室置于第一同轴电磁透镜和第二同轴电磁透镜轴线位置;第一同轴电磁透镜用于选取一定能量区间的正电子聚焦到雪崩二极管并输出相应的脉冲信号,第二同轴电磁透镜用于将穿过雪崩二极管的正电子聚焦到样品表面。
而且,第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器同轴分设于样品室两侧,第一BaF2闪烁体探测器用于探测正电子在被测样品中湮没产生的0.511MeV的γ光子并输出相应脉冲信号,第二BaF2闪烁体探测器用于探测同一正电子在被测样品中湮没产生的另一0.511MeV的γ光子并输出相应脉冲信号。
而且,第一恒比定时甄别器用来对第一BaF2闪烁体探测器发出的脉冲信号进行能量甄别,第二恒比定时甄别器用于对第二BaF2闪烁体探测器发出的脉冲信号进行能量甄别,第三恒比定时甄别器用于对前置放大器输出的信号进行能量甄别。
而且,符合器用于对输入信号的符合判选。
而且,数字示波器用于记录处理接收的波形脉冲信号,最终得到正电子湮没寿命谱。
本实施例新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统是根据放射源发射的正电子在穿过雪崩二极管时发出的信号作为起始信号,正电子在样品中湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子作为终止信号,起始信号与终止信号之间的时间间隔即为正电子的寿命。
如图1所示,放射源30产生的正电子在真空腔室31内运动方向是发散的,正电子到达样品32表面需要一段时间并且只有一小部分,这样系统的时间分辨率和计数率都比较低,因此为提高系统的时间分辨率和计数率,在真空腔室31外部增加两个电磁透镜(第一同轴电磁透镜34a和第二同轴电磁透镜34b),电磁透镜外形为圆环状,为增强磁感应强度,线圈置于由软磁材料(纯铁或低碳钢)制成的具有内环形间隙的壳子里,当正电子进入电磁透镜中心轴线方向时,受洛伦兹力作用,正电子的运动方向会发生偏转,最后汇聚到电磁透镜中心轴线的某一点;本实施例中,第一同轴电磁透镜34a和第二同轴电磁透镜34b的内环直径均为60mm,第一同轴电磁透镜34a和第二同轴电磁透镜34b间距约为35mm,第一同轴电磁透镜34a磁极中心的最大磁感应强度约150mT,第二同轴电磁透镜34b磁极中心的最大磁感应强度约85mT,正电子进入第一同轴电磁透镜34a内做螺旋运动,由于第一同轴电磁透镜34a具有聚焦作用,通过调节第一同轴电磁透镜34a的磁场强度,可使一部分能量较高的正电子沿第一同轴电磁透镜34a的中心轴线方向驶离并汇聚到雪崩二极管20的位置,这样穿过雪崩二极管20的正电子就会产生一个光信号,经由前置放大器21放大后分别接入第三恒比定时甄别器11c和数字示波器23。穿过雪崩二极管20的正电子经由第二同轴电磁透镜34b汇聚到样品32的位置,这样正电子就会进入样品32中湮没并产生2个0.511MeV的γ光子,方向相反。可以认为其中一个0.511MeV的γ光子进入第一BaF2闪烁体探测器10a,由于光电效应,BaF2闪烁体就在γ光子的作用下产生光电子,光电子再经由光电倍增管的打拿极倍增,大量的光电子在阳极负载上产生一个正比于光信号的电信号,电信号接入第一恒比定时甄别器11a。同一个正电子湮没产生的另一个0.511MeV的γ光子进入第二BaF2闪烁体探测器10b,原理同上文所述,经第二BaF2闪烁体探测器10b输出的信号分别接入第二恒比定时甄别器11b和数字示波器23。BaF2闪烁体和光电倍增管接触处涂抹硅油的作用是防止光电子经由光电倍增管反射回来造成二次激发影响测量结果,磁屏蔽罩的作用是屏蔽外部磁场、γ射线对实验结果的影响。
第一恒比定时甄别器11a和第二恒比定时甄别器11b输出的信号接入符合器22中符合并作为门信号接入数字示波器23。
数字示波器23是采用数字电路将模拟信号经过A/D转换器转化为数字信号后,存储在内存单元中,再利用数字信号处理技术进行分析。本实施例中,以Lecroy公司的WavePro 715Zi-A型数字示波器为例,但不限于此种型号,其带宽为1.5GHz,4个接入通道,最高采样率20GS/s,最大存储深度256Mpts。前置放大器21的输出信号接入第三恒比定时甄别器11c的定时电路,给出定时脉冲并接入数字示波器23的ch2通道作为起始信号;相比于塑料闪烁片,雪崩二极管20具有更好的时间分辨率,更高的响应速率和更低的信噪比。第一BaF2闪烁体探测器10a的打拿极信号输出端接入第一恒比定时甄别器11a的单道分析器对探测的γ光子信号进行能量甄别,选取出能量为0.511MeV的γ光子信号,然后进入符合器22;同样,第二BaF2闪烁体探测器10b的打拿极信号输出端接入第二恒比定时甄别器11b的单道分析器对探测的γ光子信号进行能量甄别,选取出同一正电子湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子信号,然后进入符合器22;符合器22接入数字示波器23的ch1通道作为门信号。第二恒比定时甄别器11b的另一支信号接入数字示波器23的ch4通道作为终止信号;选取ch2和ch4作为起始信号和终止信号,以保证最大的采样率;当第一BaF2闪烁体探测器11a输出的信号和第二BaF2闪烁体探测器11b输出的信号均由来自于同一正电子在样品32中湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子信号时,符合器22打开门信号,数字示波器23开始采集信号,这样数字示波器23将从ch2和ch4通道采集的连续模拟信号经过数模转换成离散的数字数据存储在数字示波器的高速内存单元中。通过正电子湮没寿命软件处理这些波形数据,最后得到数字正电子湮没寿命谱。
以上实施例采用的是对正电子在样品32中湮没产生的能量为0.511MeV的两个γ光子信号符合的方法测量正电子湮没寿命,该方法提高了系统的时间分辨率,但计数率较低,特别是在高温条件下,测量一个正电子湮没寿命谱往往需要约一天甚至更长的时间。本发明的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统也可实现另一种正电子湮没寿命测量方法,同样将放射源30产生的正电子经过雪崩二极管20产生的信号作为起始信号,正电子在样品32中湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子信号之一作为终止信号,起始信号与终止信号之间的时间间隔即为正电子湮没寿命;不同于上述实施例的是正电子在样品32中湮没产生的能量为0.511MeV的两个γ光子信号没有进行时间符合作为示波器门信号;相关原理简述为放射源产生的正电子经过雪崩二极管产生的信号经由前置放大器、第三恒比定时甄别器接入数字示波器,记录为起始信号;这里选取第一BaF2闪烁体探测器11a(或第二BaF2闪烁体探测器11b)探测正电子在样品32中湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子信号作为终止信号,经由第一恒比定时甄别器11a接入数字示波器23中记录下来,最后通过正电子湮没寿命谱处理软件得到正电子湮没寿命。
系统的时间分辨率和计数率与恒比定时甄别器的上、下阈值选取有关,阈值选取越精确,则时间分辨率高,但计数率降低,反之计数率高,时间分辨率低。具体到实施例中,可根据样品材料和测量条件的不同,选取折中阈值,保证系统的时间分辨率和计数率为最优值。
如图2所示,三维移动装置33包括自动控制箱、水平平移台x方向33b、水平平移台y方向33c、竖直平移台z方向33d和旋转台33a,竖直平移台33d设于水平平移台上,水平平移台设于旋转台33a上,其中竖直平移台33d设置为长方体状,可取下,样品32置于竖直平移台33d的四个面上,可一次性装载多个样品,通过自动控温系统和小型精密装置实现高温、高应力及样品自身结构改变(拉伸、扭曲等)下的实时原位(in-situ)测量。
综上所述,本实施例将放射源与样品分离,采用雪崩二极管取代塑料闪烁体作为起始信号产生装置,具备更高的时间分辨率,系统结构简单,测量方便,能实现高温、高应力和样品自身结构改变(拉伸、扭曲等)下的实时原位(in-situ)测量。
应当理解的是,本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式,但是本领域普通技术人员应当理解,这些仅是举例说明,可以对这些实施方式做出多种变形或修改,而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (8)
1.一种新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,包括样品,其特征是,包括放射源、雪崩二极管、真空腔室、三维移动装置、第一同轴电磁透镜、第二同轴电磁透镜、第一BaF2闪烁体探测器、第二BaF2闪烁体探测器、第一高压电源、第二高压电源、第三高压电源、前置放大器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第三恒比定时甄别器、符合器和数字示波器;
放射源置于真空腔室的一端,三维移动装置置于真空腔室的另一端,样品置于三维移动装置上,雪崩二极管设置在真空腔室中间,放射源、三维移动装置、样品、雪崩二极管同处真空腔室的轴线上;第一同轴电磁透镜置于靠近放射源的一侧,第二同轴电磁透镜置于靠近样品的一侧,真空腔室置于第一同轴电磁透镜和第二同轴电磁透镜轴线位置;第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器同轴分设于样品两侧;
雪崩二极管、前置放大器、第三恒比定时甄别器、数字示波器依次相连;第一高压电源与第一BaF2闪烁体探测器相连,第二高压电源与第二BaF2闪烁体探测器相连,第三高压电源与雪崩二极管相连;第一BaF2闪烁体探测器与第一恒比定时甄别器相连,第二BaF2闪烁体探测器与第二恒比定时甄别器相连;第一恒比定时甄别器和第二恒比定时甄别器分别与符合器相连;符合器与数字示波器相连;第二BaF2闪烁体探测器的输出端连接数字示波器。
2.如权利要求1所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,放射源选取68Ge。
3.如权利要求1所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,雪崩二极管选取透射型硅雪崩二极管,厚度小于100μm,有效区域大于4mm×4mm。
4.如权利要求1所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,三维移动装置包括自动控制箱、水平平移台、竖直平移台和旋转台;水平平移台设置于旋转台上,竖直平移台设置于水平平移台上。
5.如权利要求4所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,水平平移台包括x方向和y方向。
6.如权利要求4所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,竖直平移台采用长方体,与水平平移台活动连接;样品置于竖直平移台的四个面上。
7.如权利要求1所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,第一BaF2闪烁体探测器和第二BaF2闪烁体探测器均采用BaF2闪烁体和光电倍增管通过硅油耦合,外部用磁屏蔽罩包裹。
8.如权利要求1所述的新型数字化β+-γ符合正电子湮没寿命谱系统,其特征是,数字示波器的带宽大于1GHz,4个接入通道,每个通道的最小采样率大于5GS/s,最小存储深度大于1Mpts。
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