CN111487666A - 正电子湮没角关联测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正电子湮没角关联测量方法，属于核探测技术，解决了现有测量方法可行性低、操作复杂、测量效率低、精度差的问题。该方法包括以下步骤：利用第一固定探测器的多个第一条形探测单元和第二固定探测器的多个第二条形探测单元分别探测样品中电子与正电子湮没所产生的沿反向传播的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息，并根据所述入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角；根据所述湮没角获得一维正电子湮没角关联谱。该方法可行性高、简化了操作的同时，提高了测量效率和测量精度。

Description

正电子湮没角关联测量方法

技术领域

本发明涉及核探测技术领域，尤其涉及一种正电子湮没角关联测量方法。

背景技术

正电子湮没角关联测量方法，主要用于测量金属和合金中的费米面，研究材料中电子动量分布或缺陷等，以及用于正电子和电子偶素物理和化学、辐射化学、高分子物理和生物物理等领域的应用研究。正电子湮没参数主要包含湮没寿命和湮没动量，湮没动量与湮没角度和湮没光子能量相关联。相比于通过多普勒展宽能谱测得的湮没光子能量分布来得到材料中电子动量分布的信息，通过正电子湮没角关联测量得到的湮没角度分布能获得更高分辨率的动量分布。

传统正电子湮没角关联测量方法，通常需要采用可旋转准直器搭配可动探测器进行角度扫描，多次在不同的偏角下进行测量，由于偏角很小，为保证高分辨率和足够的计数率，要求探测器与样品之间的距离较远，还必须使用强正电子源；现有技术中对上述方法进行改进，采用由沿狭缝方向线性排列的多个晶体条组成的固定探测器代替可旋转准直器核可动探测器，以规避角度扫描。

现有技术至少存在以下缺陷，一是传统测量方法可行性低、技术损失大、测量效率低，二是改进的方法中需要对多个晶体条产生的闪烁光进行调制，并将调制后的闪烁光按照顺序沿狭缝的方向进行排列，操作繁琐，且调制闪烁光容易产生定位偏差和误差；二是多个晶体条间的狭缝结构仍然会造成大量的计数损失，且未进行任何改进的一端的固定探测器和固定准直器，仍然存在准直器狭缝造成计数损失的缺陷，探测精度低。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明在提供一种正电子湮没角关联测量方法，用以解决现有现有测量方法计数损失大、探测精度低的问题。

本发明实施例提供了一种正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用第一固定探测器的多个第一条形探测单元和第二固定探测器的多个第二条形探测单元分别探测样品中电子与正电子湮没所产生的沿反向传播的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；其中，第一固定探测器和第二固定探测器对称设置在样品的两侧；

获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息，并根据所述入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角；

根据所述湮没角获得一维正电子湮没角关联谱。

进一步的，通过下述方式获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息：

将探测到的所述第一伽马光子和第二伽马光子转换为对应的第一数字信号和第二数字信号；所述第一数字信号和第二数字信号分别包含第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；

根据所述第一数字信号和第二数字信号获得对应的第一组逻辑值和第二组逻辑值；

对所述第一数字信号和第二数字信号进行时间符合判断，并对所述第一组逻辑值和第二组逻辑值进行逻辑符合判断，从而获取符合时间和符合逻辑的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息。

进一步的，所述第一条形探测单元和第二条形探测单元均包括条形闪烁体及与所述条形闪烁体耦合的光电倍增管模块；

通过下述方式将探测到的所述第一伽马光子和第二伽马光子转换为对应的第一数字信号和第二数字信号：

利用所述第一条形探测单元和第二条形探测单中的条形闪烁体分别将所述第一和第二伽马光子转化为第一和第二光信号；

并利用与所述条形闪烁体耦合的光电倍增管模块将所述第一或第二光信号转化为第一或第二电信号；

利用数字化波形处理器将所述第一或第二电信号转换为第一或第二数字信号。

进一步的，通过单独的编码信号通道传输每一所述第一条形探测单元和每一所述第二条形探测单元采集的所述第一电信号或第二电信号。

进一步的，通过下述方式根据所述第一数字信号和第二数字信号获得对应的第一组逻辑值和第二组逻辑值：

将所述第一数字信号中的每一数字信号与阈值比较，若大于等于所述阈值，则对应的编码信号通道输出1，若小于所述阈值，则对应的编码信号通道输出0，以生成第一组逻辑值，并将所述第二数字信号中的每一数字信号与阈值比较，以生成第二组逻辑值。

进一步的，通过下述方式对所述第一数字信号和第二数字信号进行时间符合判断：

所述第一数字信号与第二数字信号与阈值比较时，若大于等于所述阈值，则触发时钟信号；若第一数字信号和第二数字信号触发的时钟信号均在预设的时间窗内，则满足时间符合；否则，不满足；

通过下述方式对所述第一组逻辑值和第二组逻辑值进行逻辑符合判断：

若所述第一组逻辑值和第二组逻辑值中均有且仅有一个逻辑值为1，其他逻辑值为0，则满足逻辑符合；否则，不满足；

在满足时间符合和逻辑符合的情况下，获得第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息。

进一步的，通过下述方式根据符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角：

在满足时间符合和逻辑符合的情况下，根据所述第一组逻辑值中输出为1的编码信号通道和第二组逻辑值中输出为1的编码信号通道确定接收第一伽马光子的第一条形探测单元位置和接收第二伽马光子的第二条形探测单元位置，以得到第一伽马光子是入射位置坐标和第二伽马光子的入射位置坐标；

根据所述入射位置坐标及样品的位置坐标获得对应的湮没角θ。

进一步的，通过在预设时间段内对湮没角θ值进行计数统计，得到θ值的分布，从而获得一维正电子湮没角关联谱。

进一步的，所述测量方法的角度分辨率为

其中，a为每一探测单元的宽度，L为样品与第一固定探测器及第二固定探测器间的距离。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、利用具有位置分辨能力的两个固定探测器来获得两个伽马光子的入射位置信息，并根据入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角，解决了利用准直器设备测量角关联的限制，并且避免了准直狭缝造成的计数损失，提高了测量准确率。

2、采用具有位置分辨能力的固定探测器，完全摒弃了利用准直器和可动探测器扫描角度进行测量的传统测量方法，简化操作的同时，成倍提高了测量效率，增加了可行性，同时，规避了利用条形晶体进行位置探测时，存在的调制造成的偏差和误差，以及条形晶体狭缝造成的计数损失。

3、本发明提出的正电子湮没角关联测量方法的角分辨率与条形探测单元的宽度以及探测器与样品的距离有关，因此可以通过调整条形探测单元的宽度以及探测器与样品的距离对角度分辨率进行调整。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例正电子湮没角关联测量方法的流程图；

图2为本发明实施例固定探测器摆放位置及摆放方式示意图；

图3为本发明实施例条形闪烁体与光电倍增管耦合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种正电子湮没角关联测量方法。如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1、利用第一固定探测器的多个第一条形探测单元和第二固定探测器的多个第二条形探测单元分别探测样品中电子与正电子湮没所产生的沿反向传播的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；

具体的，正电子源照射样品，会与样品中的电子发生湮没产生两个特征伽马光子(湮没光子对)，即第一伽马光子和第二伽马光子，两个特征伽马光子沿相反的方向传播；

其中，如图2所示，第一固定探测器和第二固定探测器分别平行对称地设置于样品的两侧；第一固定探测器包括多个呈一维阵列排布的第一条形探测单元，第二固定探测器包括多个呈一维阵列排布的第二条形探测单元，第一条形探测单元和第二条形探测单元的数量一致，且所述条形探测单元的数量可以根据角度分辨率的具体需求确定；

步骤2、获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息，并根据所述入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角；其中，获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息，是为了保证采集的位置信息是湮没光子对对应的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；

步骤3、根据所述湮没角获得一维正电子湮没角关联谱。

示例性的，第一固定探测器和第二固定探测的摆放位置及条形探测单元的排布方式如图2所示，其中，图2(a)、(b)、(c)分别为立体图、从xy角度观测图及从yz角度观测图；图2展示的只是其中一种情况，实际应用中，第一固定探测器和第二固定探测的摆放位置及摆放方式只要关于样品位置呈平行对称即可。

优选的，通过下述方式获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息：

步骤2.1、将探测到的所述第一伽马光子和第二伽马光子分别转换为对应的第一数字信号和第二数字信号；所述第一数字信号和第二数字信号分别包含第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；

步骤2.2、根据所述第一数字信号和第二数字信号获得对应的第一组逻辑值和第二组逻辑值；

步骤2.3、对所述第一数字信号和第二数字信号进行时间符合判断，并对所述第一组逻辑值和第二组逻辑值进行逻辑符合判断，从而获取符合时间和符合逻辑的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息。

优选的，通过下述方式将探测到的所述第一伽马光子和第二伽马光子转换为对应的第一数字信号和第二数字信号：

步骤2.1.1、利用所述第一条形探测单元和第二条形探测单中的条形闪烁体分别将所述第一和第二伽马光子转化为第一和第二光信号；所述条形闪烁体能够感测到单个0.511Mev的伽马光子，从而提高探测精度；

步骤2.1.2、并利用与所述条形闪烁体耦合的光电倍增管模块将所述第一或第二光信号转化为第一或第二电信号；

具体的，所述条形闪烁体的的发光光谱与所述光电倍增管模块的可吸收光谱相匹配，优选的，条形闪烁体采用硅酸钇镥闪烁晶体(LYSO)，其物化性质稳定，对伽马射线探测效率高；光电倍增管模块采用硅光电倍增管模块(SiPM模块)；示例性的，如图3所示，可以采用8*8阵列排布的硅光电倍增管模块，每一条形闪烁体与一行8个硅光电倍增管模块耦合成一个探测单元，即使条形闪烁体与硅光电倍增管模块紧密贴合，不会产生光信号泄露。

考虑到每一探测单元的位置与伽马光子的入射位置信息是一一对应的，为了防止任一条形闪烁体感测到的第一伽马光子或第二伽马光子不被其他条形闪烁体探测到，因此，在所述第一固定探测器和第二固定探测器内任意两个相邻的条形闪烁体间设置有光隔离层。

步骤2.1.3、利用数字化波形处理器将所述第一或第二电信号转换为第一或第二数字信号。

优选的，为了对第一伽马光子或第二伽马光子的入射位置进行分辨，通过单独的编码信号通道传输每一所述第一条形探测单元和每一所述第二条形探测单元采集的所述第一电信号或第二电信号。

优选的，通过下述方式根据所述第一数字信号和第二数字信号获得对应的第一组逻辑值和第二组逻辑值：

将所述第一数字信号中的每一数字信号与阈值比较，若大于等于所述阈值，则对应的编码信号通道输出1，若小于所述阈值，则对应的编码信号通道输出0，以生成第一组逻辑值，并将所述第二数字信号中的每一数字信号与阈值比较，以生成第二组逻辑值。

第一电信号和第二电信号分别包含第一伽马光子和第二伽马光子的强度信息，因此，根据伽马光子对应的电信号的幅值确定所述阈值。大于等于阈值表示该通道接受到了伽马光子，此时该通道输出1。

优选的，通过下述方式对所述第一数字信号和第二数字信号进行时间符合判断：

所述第一数字信号或第二数字信号与阈值比较时，若大于等于所述阈值，则触发时钟信号；若第一数字信号和第二数字信号触发的时钟信号均在预设的时间窗内，则满足时间符合；否则，不满足；

通过下述方式对所述第一组逻辑值和第二组逻辑值进行逻辑符合判断：

若所述第一组逻辑值和第二组逻辑值中均有且仅有一个逻辑值为1，其他逻辑值为0，则满足逻辑符合；否则，不满足；其中，所述第一组逻辑值和第二组逻辑值中均有且仅有一个逻辑值为1，表明第一固定探测器和第二固定探测器均只探测到一个伽马光子，在逻辑上属于有效事件。

在满足时间符合和逻辑符合的情况下，获得第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息。

优选的，通过下述方式根据符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角：

在满足时间符合和逻辑符合的情况下，根据所述第一组逻辑值中输出为1的编码信号通道和第二组逻辑值中输出为1的编码信号通道确定接收第一伽马光子的第一条形探测单元位置和接收第二伽马光子的第二条形探测单元位置，以得到第一伽马光子是入射位置坐标A₁和第二伽马光子的入射位置坐标A₂；其中，考虑到第一条形探测单元和第二条形探测单元均为微小条形器件，因此将输出为1的编码信号通道对应的条形探测单元的中心位置坐标作为伽马光子的入射位置坐标；

根据所述入射位置坐标及样品的位置坐标O通过下述公式获得对应的湮没角θ：

优选的，通过在预设时间段内对湮没角θ值进行计数统计，得到θ值的分布，从而获得一维正电子湮没角关联谱。

优选的，所述测量方法的角度分辨率为

其中，a为每一探测单元的宽度，L为样品与第一固定探测器及第二固定探测器间的距离；因此，当第一固定探测器和第二固定探测器的大小尺寸固定时，可以通过增加条形探测单元的数量或减小样品与第一固定探测器及第二固定探测器间的距离来增加测量装置的角度分辨率。

与现有技术相比，本发明提供的正电子湮没角关联测量方法，首先，利用具有位置分辨能力的两个固定探测器来获得两个伽马光子的入射位置信息，并根据入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角，解决了利用准直器设备测量角关联的限制，并且避免了准直狭缝造成的计数损失，提高了测量准确率。其次，采用具有位置分辨能力的固定探测器，完全摒弃了利用准直器和可动探测器扫描角度进行测量的传统测量方法，简化操作的同时，成倍提高了测量效率，增加了可行性，同时，规避了利用条形晶体进行位置探测时，存在的调制造成的偏差和误差，以及条形晶体狭缝造成的计数损失。最后，本发明提出的正电子湮没角关联测量方法的角分辨率与条形探测单元的宽度以及探测器与样品的距离有关，因此可以通过调整条形探测单元的宽度以及探测器与样品的距离对角度分辨率进行调整。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用第一固定探测器的多个第一条形探测单元和第二固定探测器的多个第二条形探测单元分别探测样品中电子与正电子湮没所产生的沿反向传播的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；其中，第一固定探测器和第二固定探测器对称设置在样品的两侧；

获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息，并根据所述入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角；

根据所述湮没角获得一维正电子湮没角关联谱。

2.根据权利要求1所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，通过下述方式获取符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息：

将探测到的所述第一伽马光子和第二伽马光子转换为对应的第一数字信号和第二数字信号；所述第一数字信号和第二数字信号分别包含第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息；

根据所述第一数字信号和第二数字信号获得对应的第一组逻辑值和第二组逻辑值；

对所述第一数字信号和第二数字信号进行时间符合判断，并对所述第一组逻辑值和第二组逻辑值进行逻辑符合判断，从而获取符合时间和符合逻辑的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息。

3.根据权利要求2所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，所述第一条形探测单元和第二条形探测单元均包括条形闪烁体及与所述条形闪烁体耦合的光电倍增管模块；

通过下述方式将探测到的所述第一伽马光子和第二伽马光子分别转换为对应的第一数字信号和第二数字信号：

利用所述条形闪烁体分别将所述第一和第二伽马光子转化为第一和第二光信号；

并利用所述光电倍增管模块将所述第一或第二光信号转化为第一或第二电信号；

利用数字化波形处理器将所述第一或第二电信号转换为第一或第二数字信号。

4.根据权利要求2或3所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，通过单独的编码信号通道传输每一所述第一条形探测单元和每一所述第二条形探测单元采集的所述第一电信号或第二电信号。

5.根据权利要求4所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，通过下述方式根据所述第一数字信号和第二数字信号获得对应的第一组逻辑值和第二组逻辑值：

将所述第一数字信号中的每一数字信号与阈值比较，若大于等于所述阈值，则对应的编码信号通道输出1，若小于所述阈值，则对应的编码信号通道输出0，以生成第一组逻辑值，并将所述第二数字信号中的每一数字信号与阈值比较，以生成第二组逻辑值。

6.根据权利要求5所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，通过下述方式对所述第一数字信号和第二数字信号进行时间符合判断：

所述第一数字信号或第二数字信号与阈值比较时，若大于等于所述阈值，则触发时钟信号；若第一数字信号和第二数字信号触发的时钟信号均在预设的时间窗内，则满足时间符合；否则，不满足；

通过下述方式对所述第一组逻辑值和第二组逻辑值进行逻辑符合判断：

若所述第一组逻辑值和第二组逻辑值中均有且仅有一个逻辑值为1，其他逻辑值为0，则满足逻辑符合；否则，不满足；

在满足时间符合和逻辑符合的情况下，获得第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息。

7.根据权利要求6所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，通过下述方式根据符合时间内的第一伽马光子和第二伽马光子的入射位置信息及样品的位置信息获得对应的湮没角：

在满足时间符合和逻辑符合的情况下，根据所述第一组逻辑值中输出为1的编码信号通道和第二组逻辑值中输出为1的编码信号通道确定接收第一伽马光子的第一条形探测单元位置和接收第二伽马光子的第二条形探测单元位置，以得到第一伽马光子是入射位置坐标和第二伽马光子的入射位置坐标；

根据所述入射位置坐标及样品的位置坐标获得对应的湮没角θ。

8.根据权利要求7所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，通过在预设时间段内对湮没角θ值进行计数统计，得到θ值的分布，从而获得一维正电子湮没角关联谱。

9.根据权利要求1-3、6-8任一项所述的正电子湮没角关联测量方法，其特征在于，所述测量方法的角度分辨率为

其中，a为每一探测单元的宽度，L为样品与第一固定探测器及第二固定探测器间的距离。

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