CN111024743A - 一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法，伽马事件模块输出给光电转换模块，数据采集模块与光电转换模块通信连接，寿命计算模块与数据采集模块通信连接；伽马事件模块产生正电子并吸收正电子湮灭后产生的伽马光子，将其转化为可见光光子；光电转换模块将可见光光子转化成光电子，并进行倍增输出光电流信号；数据采集模块把模拟脉冲信号数字化，提取其信息并封装成数据包；寿命计算模块把数据包的信息进行重排，重建正电子的寿命分布。本发明通过采用分立模块化的数据采集系统对信号进行高速采样，提高了系统对湮灭事件的探测效率和对正电子寿命的分辨能力，且能有效增加系统调试及维护的便利性和灵活性。

Description

一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法
技术领域
本发明涉及高能物理以及材料缺陷研究领域，具体涉及一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法。
背景技术
正电子是电子的反粒子，其所带电荷与电子相反，质量、电荷的数量、自旋和磁矩等均与电子相同。在真空中，正电子可以稳定存在，但在自然界中，当高能正电子从放射源到固体物质中，其动能迅速降到热能，热化后的正电子在物质中自由扩散，与电子相遇后发生湮灭，以不同的概率产生1个γ光子、2个γ光子或3个γ光子，分别称之为正电子的单γ湮灭、双γ湮灭以及3γ湮灭，正电子湮灭的主要形式为双γ湮灭，所以通常所指的正电子湮灭都是双γ湮灭。
正电子在固体物质中存在的时间称为正电子寿命，即正电子射入固体物质中到遇到负电子发生湮灭的时间。正电子寿命取决于正电子周围环境中的电子密度，当材料中存在空位时，由于空位带有等效的负电荷，正电子将被空位捕获，形成一种束缚态，从而改变正电子的寿命，在致密介质中正电子寿命典型值在100～500ps之间。
正电子寿命谱(Positron Annihilation Lifetime Spectrometer，简称PALS)，它通过测量正电子在物质中的湮没的时间及位置分布，从而得到物质内部的微观结构、电子动量分布、缺陷结构及其分布状态等信息，是一种无损的研究手段，用于晶体缺陷方面的研究和相结构与相转变方面的研究。采用正电子寿命谱对材料缺陷进行研究的优点包括以下几个方面：①灵敏度高，甚至可以检测到几何尺寸仅为单个原子大小的缺陷；②有选择性，可以根据正电子在材料中的湮没情况区别缺陷的类型；③使用温度范围广，可以在较高温度和极低温度条件下对材料的缺陷进行检测；④是一种无损检测手段等。
过去都使用快-慢式符合正电子湮没寿命谱仪(fast-slow coincidence systemof measuring lifetime of positron annihilation)，由闪烁体探头、恒比甄别器(Constant Fraction Discrimination，简称CFD)、延时器、时间-幅度转换器(Time-to-Amplitude Converter，简称TAC)、慢电子学电路、快信号定时电路等部分组成，快信号定时电路用于测量时间间隔，慢电子学电路则用于能量甄别。由于快-慢式符合系统效率低，收集数据慢，目前已基本被淘汰，取而代之的是快-快式符合正电子湮没寿命谱仪(fast-fastcoincidence system of measuring lifetime of positron annihilation)，但使用快电子学对数据采集系统要求很高，在正电子寿命谱仪中使用标准核仪器模块(NuclearInstrumentation Modules，简称NIM)的技术已经很成熟，NIM具有高速度、高精度、使用简单等优点，但是NIM器件是集成器件，其专用性强，功能一旦集成完成就难以再进行改变，且维护困难，无法根据使用需求进行灵活的调整。
因此，针对上述技术问题，有必要提出一种数据采集系统灵活可调的正电子寿命谱，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种波形采样正电子寿命谱的装置，包括有伽马事件模块、光电转换模块、数据采集模块和寿命计算模块，所述伽马事件模块输出给光电转换模块，所述数据采集模块与光电转换模块通信连接，所述寿命计算模块与数据采集模块通信连接；
所述伽马事件模块产生正电子并吸收正电子湮灭后产生的伽马光子，将其转化为可见光光子，所述伽马事件模块包括有射源模块、机械模块、源膜模块、闪烁体模块和封装层模块；
所述光电转换模块将可见光光子转化成光电子，并进行倍增输出光电流信号，所述光电转换模块包括有高压电源模块、PMT模块、读出电路模块和接口模块；
所述数据采集模块把模拟脉冲信号数字化，提取其信息并封装成数据包，所述数据采集模块包括有全局时钟模块、放大模块、ADC模块、TDC模块、温度传感模块、打包模块和光纤传输模块；
所述寿命计算模块把数据包的信息进行重排，重建正电子的寿命分布，所述寿命计算模块包括有存储模块、数据重排模块、能量信息模块、时间模块和信息重建模块。
优选的，所述封装层模块，将输运到晶体边缘的光子反射到晶体内部，并阻止其他方向环境中的光子进入晶体，所述封装层模块包括反射层模块、隔光层模块。
优选的，所述PMT模块，将可见光光子转化成光电子并对光电子进行倍增，包括Dynode模块和Anode模块。
优选的，所述封装层模块采用的材料为Teflon和铝箔，封装的形状为杯状。
优选的，所述PMT模块的上升时间小于5ns，渡越时间散差小于600ps。
优选的，所述放大模块的信号带宽大于350MHz；
所述温度传感模块的温度分辨能力小于0.5℃。
优选的，所述光纤传输模块的速率在千兆以上，且具备屏蔽噪声的能力；
所述存储模块采用先进后出的快速存取模式。
一种波形采样正电子寿命谱的方法，包括以下步骤：
步骤：射源产生正电子，在待测材料及其周围遇电子后湮灭，产生伽马光子对，闪烁体吸收伽马光子对并将其转化成可见光光子；
步骤：可见光光子射入PMT后被光阴极转化成光电子，光电子在电场中聚焦倍增形成光电流，经读出电路后形成脉冲信号；
步骤：全局时钟发送同步信号，同时温度传感器实时记录温度，脉冲信号放大后输入高速AD转化成数字信号，提取每个脉冲的能量和时间信息，与其他信息一起封装成数据包；
步骤：对数据包的信息进行符合处理，对重排后的能量信息和时间信息进行重建，得到正电子寿命分布。
优选的，所述步骤中的闪烁体既可以是切割好的单晶，也可是单晶组装成的阵列。
优选的，所述步骤中的PMT的响应波段为300nm～650nm；
所述步骤中的PMT采用负高压供电；
所述步骤中的读出电路采用均分压器。
有益效果：
本发明的一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法，通过采用分立模块化的数据采集系统对信号进行高速采样，提高了系统对湮灭事件的探测效率和对正电子寿命的分辨能力，且能有效增加系统调试及维护的便利性和灵活性。
附图说明
图1是波形采样正电子寿命谱装置的结构框图；
图2是波形采样正电子寿命谱方法的流程图；
图3是本发明实施例的波形采样正电子寿命谱装置的结构示意图。
图4是本发明实施例的两种不同的闪烁体结构。
图5是本发明实施例的输出的两个模拟脉冲波形。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-5所示，一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
包括有伽马事件模块100、光电转换模块200、数据采集模块300和寿命计算模块400，所述伽马事件模块100输出给光电转换模块200，所述数据采集模块300与光电转换模块200通信连接，所述寿命计算模块400与数据采集模块300通信连接；
所述伽马事件模块100产生正电子并吸收正电子湮灭后产生的伽马光子，将其转化为可见光光子，所述伽马事件模块100包括有射源模块110、机械模块120、源膜模块130、闪烁体模块140和封装层模块150；
射源模块110，隶属于伽马事件模块100，用于产生正电子，其中射源模块110输出给闪烁体模块140；
机械模块120，隶属于伽马事件模块100，包括支撑部分和调节部分，用于支撑及射源，且可以调节射源的高度与角度，其中机械模块120与射源模块110连接；
源膜模块130，隶属于伽马事件模块100，用于包裹射源防止直接接触，其中源膜模块130与射源模块110连接；
闪烁体模块140，隶属于伽马事件模块100，用于吸收正电子湮灭产生的伽马光子，并将其转化为可见光光子，其中闪烁体模块140输出给光电转换模块200；
封装层模块150，隶属于伽马事件模块100，用于将输运到晶体边缘的光子反射到晶体内部，并阻止其他方向环境中的光子进入晶体，其中封装层模块150与闪烁体模块140连接，包括反射层模块151、隔光层模块152；
反射层模块151用于将输运到晶体边缘的光子反射到晶体内部，隔光层模块152用于阻止其他方向环境中的光子进入晶体，隶属于封装层模块150，其中反射层模块151和隔光层模块152与闪烁体模块连接；
所述光电转换模块200将可见光光子转化成光电子，并进行倍增输出光电流信号，所述光电转换模块200包括有高压电源模块210、PMT模块220、读出电路模块230和接口模块240；
高压电源模块210，隶属于光电转换模块200，用于产生强大的电场使光电子从阴极往阳极运动，其中高压电源模块210输出给PMT模块220；
PMT模块220，隶属于光电转换模块200，用于将可见光光子转化成光电子并对光电子进行倍增，包括Dynode模块221、Anode模块222，其中PMT模块220输出给读出电路模块230，所述PMT具有高探测效率；
Dynode模块221用于引出快速的打拿极信号，Anode模块222用于收集阳极电流，隶属于PMT模块220；其中Dynode模块221和Anode模块222输出给PMT模块220；
读出电路模块230，隶属于光电转换模块200，用于按比例分配PMT各级的极间电压，使光电子按最好的路径倍增到阳极输出，其中读出电路模块230输出给接口模块240；
接口模块240，隶属于光电转换模块200，用于将阳极光电流转化为电压信号并传输到数据采集模块300，其中接口模块240输出给数据采集模块300；
所述数据采集模块300把模拟脉冲信号数字化，提取其信息并封装成数据包，所述数据采集模块300包括有全局时钟模块310、放大模块320、ADC模块330、TDC模块340、温度传感模块350、打包模块360和光纤传输模块370；
全局时钟模块310，隶属于数据采集模块300，用于给采集系统提供严格同步的时钟信号，其中全局时钟模块310输出给ADC模块330、TDC模块340和打包模块360；
放大模块320，隶属于数据采集模块300，用于对倍增后的模拟信号进一步放大，其中放大模块320输出给ADC模块330；
ADC模块330，隶属于数据采集模块300，将模拟信号以高采样率转换成数字信号，其中ADC模块330输出给TDC模块340和打包模块360；
TDC模块340，隶属于数据采集模块300，将脉冲信号转换成多路矩形波信号，其中TDC模块340输出给打包模块360；
温度传感模块350，隶属于数据采集模块300，用于记录环境温度，调整器件产生的温度漂移，其中温度传感模块350输出给打包模块360；
打包模块360，隶属于数据采集模块300，用于按一定的数据格式封装脉冲信息，隶属于数据采集模块300，其中打包模块360输出给光纤传输模块370；
光纤传输模块370，隶属于数据采集模块300，将封装好的脉冲信号高速传输到存储器，并屏蔽周围的噪声信号，所述存储器为512k Byte存储器，其中光纤传输模块370输出给存储模块410；
所述寿命计算模块400把数据包的信息进行重排，重建正电子的寿命分布，所述寿命计算模块400包括有存储模块410、数据重排模块420、能量信息模块430、时间模块440和信息重建模块450。
存储模块410，隶属于寿命计算模块400，用于接收并按次序储存封装好的数据包，其中存储模块410输出给数据重排模块420；
数据重排模块420，隶属于寿命计算模块400，用于对数据包进行符合处理，隶属于寿命计算模块400，其中数据重排模块420输出给能量信息模块430和时间信息模块440；
能量信息模块430，隶属于寿命计算模块400，提取符合处理后的数据包的能量信息，其中能量信息模块430输出给信息重建模块450；
时间信息模块440，隶属于寿命计算模块400，提取符合处理后的数据包的时间信息，其中时间信息模块440输出给信息重建模块450；
信息重建模块450，隶属于寿命计算模块400，根据能量信息和时间信息对湮灭事件进行重建，得到正电子的寿命根据材料的分布；
所述封装层模块(150)，将输运到晶体边缘的光子反射到晶体内部，并阻止其他方向环境中的光子进入晶体，所述封装层模块(150)包括反射层模块(151)、隔光层模块(152)。
所述PMT模块(220)，将可见光光子转化成光电子并对光电子进行倍增，包括Dynode模块(221)和Anode模块(222)。
所述封装层模块(150)采用的材料为Teflon和铝箔，封装的形状为杯状。
所述PMT模块(220)的上升时间小于5ns，渡越时间散差小于600ps。
所述放大模块(320)的信号带宽大于350MHz；
所述温度传感模块350的温度分辨能力小于0.5℃。
所述光纤传输模块(370)的速率在千兆以上，且具备屏蔽噪声的能力；
所述存储模块(410)采用先进后出的快速存取模式。
一种波形采样正电子寿命谱的方法，包括以下步骤：
步骤1：射源产生正电子，在待测材料及其周围遇电子后湮灭，产生伽马光子对，闪烁体吸收伽马光子对并将其转化成可见光光子；
步骤2：可见光光子射入PMT后被光阴极转化成光电子，光电子在电场中聚焦倍增形成光电流，经读出电路后形成脉冲信号；
步骤3：全局时钟发送同步信号，同时温度传感器实时记录温度，脉冲信号放大后输入高速AD转化成数字信号，提取每个脉冲的能量和时间信息，与其他信息一起封装成数据包；
步骤4：对数据包的信息进行符合处理，对重排后的能量信息和时间信息进行重建，得到正电子寿命分布。
在上述步骤1中，射源采用氟代脱氧葡萄糖，浓度为3mCi，闪烁体采用LYSO晶体，尺寸为4mm×4mm×10mm；
在上述步骤2中，PMT采用R9420，有效感光面积为34mm，光谱响应范围为300～650nm；
在上述步骤3中，温度传感器采用DS18B20，精度为0.5℃，高速AD采用AD9446，采样速率100M SPS，均方根抖动为60fsec；
特别的，在进行正电子寿命谱计算时，若射源半衰期较短，需要对闪烁体的探测效率进行校正。
另外，在上述正电子寿命谱计算步骤中，采样阈值的设置也可不必等间距的逐个设置，可在感兴趣区域(比如光电峰)处设置较小间隔的阈值，其它区域设置较大间隔的阈值。
所述步骤1中的闪烁体既可以是切割好的单晶，也可是单晶组装成的阵列。
所述步骤2中的PMT采用负高压供电；
所述步骤2中的读出电路采用均分压器；
所述步骤3中的高速AD的采样速率为80M SPS；
所述步骤4中的符合处理的能窗取值为480keV-540keV，时间窗取值为20ns所述装置的数据包通过光纤进行传输，所述信息提取是指采用软件算法对数字化信号进行提取；
由图3可知，本发明中的波形采样正电子寿命谱装置包括射源及待测材料110、闪烁体140、反射层151，隔光层152，高压电源210，PMT220，Dynode221，Anode222，全局时钟310，放大器320，ADC330，TDC340，温度传感器350，数据包360，光纤370，计算机400，其中，闪烁体140接收射源110发出的正电子湮灭产生的伽马光子，反射层151与闪烁体140连接将边缘的光子反射回内部，隔光层152与反射层151连接隔绝外界光子进入闪烁体140；高压电源210与PMT220连接输出直流-1000V电压到PMT220，Dynode221与放大器320连接并发送快定时脉冲到放大器320，Anode222与放大器320连接并发送阳极脉冲到放大器320；全局时钟310与ADC330、TDC340、数据包360通信连接并发送同步时钟信号到ADC330、TDC340、数据包360，放大器320与ADC330通信连接并发送放大后的信号到ADC330，ADC330与TDC340通信连接并发送数字信号到TDC340，TDC340与数据包360通信连接并发送时间信息到数据包360，温度传感器350与数据包360通信连接并发送环境温度数值到数据包360，数据包360与光纤370连接并发送数据包里的各个信息到计算机400，光纤370与数据包360连接接收数据包信息并将其发送到计算机400。
本发明的一种波形采样正电子寿命谱的装置及方法，通过采用分立模块化的数据采集系统对信号进行高速采样，提高了系统对湮灭事件的探测效率和对正电子寿命的分辨能力，且能有效增加系统调试及维护的便利性和灵活性。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (10)

1.一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
包括有伽马事件模块(100)、光电转换模块(200)、数据采集模块(300)和寿命计算模块(400)，所述伽马事件模块(100)输出给光电转换模块(200)，所述数据采集模块(300)与光电转换模块(200)通信连接，所述寿命计算模块(400)与数据采集模块(300)通信连接；
所述伽马事件模块(100)产生正电子并吸收正电子湮灭后产生的伽马光子，将其转化为可见光光子，所述伽马事件模块(100)包括有射源模块(110)、机械模块(120)、源膜模块(130)、闪烁体模块(140)和封装层模块(150)；
所述光电转换模块(200)将可见光光子转化成光电子，并进行倍增输出光电流信号，所述光电转换模块(200)包括有高压电源模块(210)、PMT模块(220)、读出电路模块(230)和接口模块(240)；
所述数据采集模块(300)把模拟脉冲信号数字化，提取其信息并封装成数据包，所述数据采集模块(300)包括有全局时钟模块(310)、放大模块(320)、ADC模块(330)、TDC模块(340)、温度传感模块(350)、打包模块(360)和光纤传输模块(370)；
所述寿命计算模块(400)把数据包的信息进行重排，重建正电子的寿命分布，所述寿命计算模块(400)包括有存储模块(410)、数据重排模块(420)、能量信息模块(430)、时间模块(440)和信息重建模块(450)。
2.根据权利要求1所述的一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
所述封装层模块(150)将输运到晶体边缘的光子反射到晶体内部，并阻止其他方向环境中的光子进入晶体，所述封装层模块(150)包括反射层模块(151)、隔光层模块(152)。
3.根据权利要求1所述的一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
所述PMT模块(220)将可见光光子转化成光电子并对光电子进行倍增，包括Dynode模块(221)和Anode模块(222)。
4.根据权利要求1所述的一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
所述封装层模块(150)采用的材料为Teflon和铝箔，封装的形状为杯状。
5.根据权利要求1所述的一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
所述PMT模块(220)的上升时间小于5ns，渡越时间散差小于600ps。
6.根据权利要求1所述的一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
所述放大模块(320)的信号带宽大于350MHz；
所述温度传感模块(350)的温度分辨能力小于0.5℃。
7.根据权利要求1所述的一种波形采样正电子寿命谱的装置，其特征在于：
所述光纤传输模块(370)的速率在千兆以上，且具备屏蔽噪声的能力；
所述存储模块(410)采用先进后出的快速存取模式。
8.一种波形采样正电子寿命谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：射源产生正电子，在待测材料及其周围遇电子后湮灭，产生伽马光子对，闪烁体吸收伽马光子对并将其转化成可见光光子；
步骤2：可见光光子射入PMT后被光阴极转化成光电子，光电子在电场中聚焦倍增形成光电流，经读出电路后形成脉冲信号；
步骤3：全局时钟发送同步信号，同时温度传感器实时记录温度，脉冲信号放大后输入高速AD转化成数字信号，提取每个脉冲的能量和时间信息，与其他信息一起封装成数据包；
步骤4：对数据包的信息进行符合处理，对重排后的能量信息和时间信息进行重建，得到正电子寿命分布。
9.根据权利要求8所述的一种波形采样正电子寿命谱的方法，其特征在于：
所述步骤1中的闪烁体既可以是切割好的单晶，也可是单晶组装成的阵列。
10.根据权利要求8所述的一种波形采样正电子寿命谱的方法，其特征在于：
所述步骤2中的PMT的响应波段为300nm～650nm；
所述步骤2中的PMT采用负高压供电；
所述步骤2中的读出电路采用均分压器。
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