CN1737550A - 用于正电子湮没寿命谱仪的探测器 - Google Patents

Abstract

一种用于正电子湮没寿命谱仪的探测器，该正电子湮没寿命谱仪包括起始道探测器和停止道探测器，与常规的正电子寿命谱仪与停止道采用相同的探测器不同，本发明采用了与起始道探测器不同的停止道探测器，在停止道探测器的闪烁体中央，有一圆形阱，放置测量样品与²²Na正电子放射源；本发明为湮没光子能量全吸收型正电子湮没寿命谱仪，可以获得优于常规正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率和高的计数效率。

Description

用于正电子湮没寿命谱仪的探测器

技术领域

本发明涉及到一种正电子湮没寿命谱仪(Positron Annihilation LifetimeSpectrometer)，特别涉及一种正电子湮没寿命谱仪的探测器。

背景技术

正电子是电子的反粒子，当正电子与电子相遇时会发生湮没，将全部质量转化成两个能量为0.511MeV，方向相反的γ光子；正电子的湮没寿命与材料中的电子浓度成反比，在完整晶格的金属及合金中，正电子的湮没寿命大约在100～250ps范围，在材料的缺陷中正电子的湮没寿命约在200～500ps范围，称为正电子的捕获湮没，正电子湮没寿命随缺陷的尺度的增大而变长，不同种类的缺陷有不同的正电子湮没寿命，当介质中的缺陷浓度在增大时，正电子以捕获态湮没的概率也相应增大，因而在寿命谱中相应的捕获态寿命成分的相对强度也就增大。因此，正电子湮没寿命谱的测量，能提供有关材料的微观结构特别是微观缺陷的信息，在材料科学研究中具有非常重要的地位。

测量正电子湮没寿命谱的装置叫正电子湮没寿命谱仪，它一般由两个闪烁体探测器和脉冲放大电路、定时电路、时间-幅度转换电路以及脉冲幅度分析器等组成。两个探测器分别称为起始道探测器和停止道探测器；起始道探测器探测²²Na正电子源产生的1.28MeV的γ射线作为正电子产生的时刻，停止道探测器探测正电子湮没产生的0.511MeV的γ射线作为正电子“消亡”(即湮没)的时刻，并通过上述电路，测量出它们的时间差，就得到了正电子的湮没寿命。

传统的正电子寿命谱仪中，起始道探测器1与停止道探测器2的结构一般相同，都是由闪烁体3或闪烁体4、光电倍增管5和相应的分压电路6组成(如图1所示)。闪烁体一般为圆柱形的BaF₂(氟化钡)晶体或塑料闪烁体。一般情况下，起始道探测器1与停止道探测器2以平行相对放置，待测样品与正电子源置于两个探测器之间。

时间分辨率是正电子湮没寿命谱仪的一个重要性能指标，它与探测器以及组成谱仪的电子学系统的性能是相关。研究表明，正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率与起始信号、停止信号的对应的γ射线能量相关(参考文献：F.Becvar，J.Cizek，L.Lestak，I.Novotny，I.Prochazka and F.Sebesta，Ahigh-resolution BaF2 positron-lifetime spectrometer and experience with itslong-term exploitation，Nucl.Instr.and Meth.A 443(2000)557-577)，其公式为：

$\mathrm{FWHM}~(\frac{1}{E_{\mathrm{\γ}1}}+\frac{{\mathrm{\α}}^2}{E_{\mathrm{\γ}2}})---\left(1\right)$

FWHM(Full Width of Half Maximum)为谱仪的时间分辨率，E_γ1和E_γ2分别为起始道和停止道信号对应的γ射线的能量，α为标志停止道探头性能的一个参数。显然，E_γ1和E_γ2值越大，FWHM值就越小，谱仪的时间分辨率就越好。

在如图1所示的起始道探测器1与停止道探测器2相对放置的常规正电子寿命谱仪中，由于正电子湮没时产生的两个0.511MeV的γ射线的方向是相反的，也就是说，该起始道探测器1探测正电子产生时发出的1.28MeV的γ射线作为起始信号，而停止道探测器2只能探测正电子湮没放出的两个0.511MeV的γ射线中的一个作为停止信号。即，E_γ1和E_γ2分别为1.28MeV和0.511MeV，正电子湮没时产生的两个0.511MeV的γ射线的能量其中的一个0.511MeV的γ射线的能量就白白损失掉了，这样E_γ2值较小，FWHM值就较大，谱仪的时间分辨率就差。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提出了一种正电子湮没寿命谱仪的探测器，通过对正电子湮没寿命谱仪的探测器合理的设计，实现将正电子湮没产生的两个0.511MeVγ信号被停止道探测器2的晶体同时吸收，并加和成能量为1.02MeV的脉冲信号，作为停止道信号，根据公式(1)，与仅探测0.511MeVγ信号的探测方式比较，可以获得优于常规正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率和高的计数效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种正电子湮没寿命谱仪的探测器，该正电子湮没寿命谱仪包括两个闪烁探测器；所述的两个闪烁探测器分别为起始道探测器和停止道探测器，所述的起始道探测器与停止道探测器分别包括闪烁体、CF4(Teflon)薄膜、光电倍增管、相应的高压分压电路和密封的外壳体；起始道探测器与停止道探测器的外壳体的形状及尺寸相同，起始道探测器的闪烁体为第一闪烁体，停止道探测器的闪烁体为第二闪烁体，两闪烁体的外形及尺寸相同，第一闪烁体与第二闪烁体分别放置于各自的光电倍增管的顶部；在停止道探测器的第二闪烁体晶体的中央，设有一阱，该阱为圆形，用于放置测量样品与²²Na正电子放射源，测量样品时，探测正电子湮没时放出的两个0.511MeV的γ射线。

根据正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述的外壳体包括：探头帽，其位于所述外壳体的顶端，其设计形状为断锥状，其内置有所述第一闪烁体或所述第二闪烁体。

根据所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述的探头帽断锥状的两侧面与顶面的延长线分别呈45度角。

根据所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述探头帽内置的所述的第一闪烁体和所述的第二闪烁体的各自的上部形状为断锥状，下部形状为圆柱状；其中所述的第一闪烁体和所述的第二闪烁体各自上部的断锥状的两侧面与顶面的延长线分别呈45度角。

根据所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述的起始道探测器与所述的停止道探测器分别还包括第一绝缘固定环，其形状上部为中空断锥状，下部为中空圆柱状；所述第一绝缘固定环的上部位于所述的CF4薄膜与所述外壳体之间，用于固定所述的CF4薄膜；所述第一绝缘固定环的下部位于所述的光电倍增管与所述外壳体之间，用于固定所述的光电倍增管。

根据所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述的起始道探测器与所述的停止道探测器分别还包括第二绝缘固定环；所述第二绝缘固定环，其位于所述外壳体与所述光电倍增管之间；所述第二绝缘固定环与所述第一绝缘固定环间以一定的间隔设置。

根据所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述的起始道探测器与所述的停止道探测器分别还包括全封闭的金属内胆，其位于所述外壳体与所述的高压分压电路之间，用于避光和屏蔽电磁干扰。

根据所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，所述的CF4薄膜，其位于所述外壳体与所述的第一闪烁体或所述的第二闪烁体之间，其呈伞状，用于封装所述的第一闪烁体和所述的第二闪烁体。

从上述技术方案可以看到，本发明的优点如下：

1)本发明采用阱式停止道探测器，将一般正电子寿命谱仪以0.511MeV的γ射线作为停止信号的方案改为以双0.511MeVγ射线的加和信号，即1.02MeV的信号作为停止信号，提高了停止信号的能量，有利于改进时间分辨率；

2)晶体具有45度的倒角，在探测器顶部的外形为断锥形的情况下，晶体与外壳能紧密相接，有利于提高探测效率；

3)在探测内部，设计有特殊形状的绝缘固定环，可以在固定晶体与光电倍增管的同时，实现对晶体进行伞状封装，改善了闪烁光的收集效果，因而有利于提高时间分辨率；

4)探测的底部设计有金属内胆，将分压电路置于金属内胆中，有利于避光和减少电磁干扰。

附图说明

图1为常规正电子寿命谱仪探测器的放置位置示意图；

图2为本发明的起始道探测器结构示意图；

图3为本发明的停止道探测器结构示意图；

图4a为本发明所用的起始道探测器闪烁体侧视图；

图4b为本发明所用的起始道探测器闪烁体俯视图；

图5a为本发明所用的停止道探测器闪烁体侧视图；

图5b为本发明所用的停止道探测器闪烁体俯视图；

图6为本发明的实施例样品与放射源放置在停止道探测器的阱中的示意图；

图7为正电子湮没寿命谱仪的原理框图；

图8为起始道和终止道能谱图；

图9为实施例正电子湮没寿命谱仪采用⁶⁰Co放射源测得的时间分辨曲线；

图10为实施例正电子在Ni(退火后)中的湮没寿命谱。

其中，附图标记说明如下：

1  起始道探测器

2  停止道探测器

3  第一闪烁体

4  第二闪烁体

5  光电倍增管

6  高压分压电路

7  阱

10 外壳体

11 探头帽

12 探测器外筒

13 探测器底座

14a第一绝缘的固定环

14b第二绝缘的固定环

15 全封闭的金属内胆

16 CF4薄膜

20 样品与放射源

具体实施方式

本发明为一种正电子湮没寿命谱仪的探测器，该正电子湮没寿命谱仪包括两个闪烁探测器；两个闪烁探测器分别为起始道探测器1和停止道探测器2，请参阅图2和图3，图2为本发明的起始道探测器结构示意图；图3为本发明的停止道探测器结构示意图；起始道探测器1与停止道探测器2分别包括第一闪烁体3和第二闪烁体4，起始道探测器1与停止道探测器2同时还分别包括CF4薄膜16、光电倍增管5、相应的高压分压电路6和外壳体10。

本发明采用阱式停止道探测器2，即在所述的停止道探测器2的第二闪烁体4中央有一圆形阱7，用于测量样品时放置样品与²²Na正电子放射源20；这样结构能将一般正电子寿命谱仪以0.511MeV的伽马射线作为停止信号的方案改为以双0.511MeV伽马射线的加和信号，即1.02MeV的信号作为停止信号，有利于改进时间分辨能力。

起始道探测器1与停止道探测器2的外壳体10的形状及尺寸相同，外壳体10包括：探头帽11，其位于外壳体10的顶端，其设计形状为断锥状，两侧面与顶面的延长线分别呈45度角，其内部空间用于容置第一闪烁体3或第二闪烁体4；探测器外筒12，其位于外壳体10的中部，其内部空间用于容置光电倍增管5；探测器底座13，其位于外壳体10的底部，其内部空间用于容置高压分压电路6。

请参阅图4a、4b和图5a、5b，图4a为本发明所用的起始道探测器闪烁体侧视图；图4b为本发明所用的起始道探测器闪烁体附视图；图5a为本发明所用的停止道探测器闪烁体侧视图；图5b为本发明所用的停止道探测器闪烁体附视图；从图上述图中，我们可以看到，探头帽11内置的第一闪烁体3或第二闪烁体4，其各自的上部形状为断锥状，下部形状为圆柱状；本实施例中，第一闪烁体3和第二闪烁体4各自上部的断锥状的两侧面与顶面的延长线分别呈45度角，并且第二闪烁体4中央有一圆形阱7。

第一闪烁体3和第二闪烁体4的上部的断锥状与探头帽11内壁精密相接触，有利于探测效率的提高。

起始道探测器1与停止道探测器2分别还包括第一绝缘固定环14a，其形状上部为中空断锥状，下部为中空圆柱状；第一绝缘固定环14a的上部分别位于CF4薄膜16与外壳体10之间，用于固定CF4薄膜16；第一绝缘固定环14a的下部位于光电倍增管5与外壳体10之间，用于固定光电倍增管5；起始道探测器1与所述的停止道探测器2分别还包括第二绝缘固定环14b；第二绝缘固定环14b，其位于外壳体10与光电倍增管5之间；第二绝缘固定环14b与第一绝缘固定环14a间以一定的间隔设置。

起始道探测器1与停止道探测器2分别还包括全封闭的金属内胆15，其位于探测器底座13与高压分压电路6之间，可以起到避光作用，同时可以起到屏蔽电磁干扰的作用。

起始道探测器1与停止道探测器2分别还包括的CF4薄膜16，其位于外壳体10与第一闪烁体3或第二闪烁体4之间，其呈伞状，用于封装第一闪烁体3和第二闪烁体4，实现对闪烁体进行伞状封装，改善闪烁光的收集效果，因而有利于提高时间分辨率。

请参阅图6，图6为本发明的实施例样品与放射源放置在停止道探测器的阱中的示意图。如图6所示，起始道探测器1与所述的停止道探测器2以平行相对的位置放置。

本实施例中，使用了本发明所述的起始道探测器1与停止道探测器2。两个探测器中的闪烁体采用BaF₂晶体，光电倍增管采用Hamamatsu R3377。实验中使用了三种尺寸的晶体，分别为φ30×1mm，φ30×20mm和φ40×30mm。晶体和光电倍增管之间DC200硅油耦合，停止道使用阱式晶体，停止道探测器晶体上的阱的直径是10mm，测量时，²²Na源和样品20置于晶体中心，正电子湮没放出两条0.511MeVγ射线能同时被BaF₂晶体吸收(图6)。

请参阅图7，图7为正电子湮没寿命谱仪的原理框图。谱仪采用快、慢符合方式。起始和停止探测器水平相对放置，中间插入6mm厚的W-Cu合金以减弱散射射线的影响。快道由恒比定时甄别器ORTEC935、延时器以及时幅转换器ORTEC567组成。起始道的快信号由起始探测器的光电倍增管阳极引出，经过劈裂器(ORTEC MT050)分为两路，分别进入ORTEC935的第一道和第二道，其中第一道输出作为时幅转换器的起始信号(Start Input)，而第二道的输出则作为时幅转换器的停止门(Stop Gate)信号。停止道探测器的阳极信号也使用劈裂器分为两路，分别进入ORTEC935的第三道和第四道，第三道的输出作为时幅转换器的停止信号(Stop Input)，而第四道的输出作为时幅转换器的起始门(Start Gate)信号。

慢道由放大器ORTEC460、定时单道分析器ORTEC551以及符合电路ORTEC414A组成。起始道和终止道的慢信号都是由探测器的一个打拿极引出，经过放大器放大后，再由定时单道分析器进行能量选择，经过符合电路，作为时幅转换器的外部选通信号。

选择光电倍增管Hamamatsu R3377工作电压为-2.85kV。ORTEC935使用1.0ns的外部延时。

请参阅图8，图8所示为起始道和停止道能谱图；图8中的a曲线和图8中的b曲线分别是起始道和停止道的慢道能谱，起始道中有0.511MeV和1.276MeV两个谱峰，而在停止道能谱中，除了0.511MeV和1.276MeV两个峰之外，还有一个1.02MeV的峰，这就是两个0.511MeVγ射线的加合。

测量中，我们使用了窄能窗、宽能窗两种条件并和常规的²²Na窗的测量进行了比较，表1中列出了三种能窗的能量选择范围。

表1不同能窗方式的能量选择范围

道	窄能窗(MeV)	宽能窗(MeV)	22Na窗(MeV)
				起始道停止道	≥0.85≥0.85	≥0.70≥0.70	≥0.700.40-0.60

在窄能窗、宽能窗两种条件并和常规的²²Na窗几种情况下。使用⁶⁰Co源测量谱仪的时间分辨率，使用²²Na源测量谱仪的计数效率，测量结果列于表2。请参阅图9，图9为实施例正电子湮没寿命谱仪采用⁶⁰Co放射源测得的时间分辨曲线；；可以看到，在使用较小的晶体(φ30×10)时，最好可以获得FWHN＝107.5ps的时间分辨率(分辨曲线见图8)，但是计数效率较低；在使用较大的晶体(φ40×30)时，最大可以获得34cps/μCi的计数率(在²²Na能窗下可到54cps/μCi)，时间分辨FWHM＝145ps。

表2实施例中得到的时间分辨和计数率

BaF2晶体尺寸(mm)	停止道能窗(MeV)	时间分辨率(ps)	计数率(cps/μCi)
				30φ×10	≥0.85≥0.700.40-0.60	107.5111.0130.8	～1.3～3～5
30φ×20	≥0.85≥0.700.40-0.60	117.6120.2148.0	～3～5～10
				40φ×30	≥0.85≥0.700.40-0.60	142.3145.1174.1	～16～34～54

请参阅图10，图10为实施例正电子在退火的纯金属Ni的正电子湮没寿命谱。其给出施测正电子在纯Ni中的湮没寿命谱，所使用BaF₂晶体尺寸为φ30×20mm，窄能窗下时间分辨FWHM＝117.6ps(见表2)，以此时间分辨率，采用positronfit解谱程序按两成分拟合解谱，得第一寿命τ₁＝105.1±0.4ps，强度I₁＝96.8％，认为是正电子在金属Ni中的湮没寿命；第二寿命τ₂＝369.5±16.0ps，强度I₂＝3.2％，为源成分；解谱拟合方差x²＝1.001。

以上所述，仅为本发明中的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (10)

1、一种正电子湮没寿命谱仪的探测器，其包括起始道探测器(1)和停止道探测器(2)，所述的起始道探测器(1)包括第一闪烁体(3)、CF4薄膜(16)、光电倍增管(5)、相应的高压分压电路(6)和外壳体(10)；所述的停止道探测器(2)包括第二闪烁体(4)、CF4薄膜(16)、光电倍增管(5)、相应的高压分压电路(6)和外壳体(10)；所述的起始道探测器(1)与所述的停止道探测器(2)的外壳体(10)的形状及尺寸相同，第一闪烁体(3)与第二闪烁体(4)的外形及尺寸相同，所述第一闪烁体(3)与第二闪烁体(4)放置于所述光电倍增管(5)的顶部；其特征在于：

在所述的停止道探测器(2)的第二闪烁体(4)中央，设有一阱(7)，用于放置测量样品与²²Na正电子放射源(20)。

2、根据权利要求1所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的阱(7)为圆形。

3、根据权利要求1所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的外壳体(10)包括：

探头帽(11)，其位于所述外壳体(10)的顶端，其设计形状为断锥状，其内置有所述第一闪烁体(3)或所述第二闪烁体(4)。

4、根据权利要求3所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的探头帽(11)断锥状的两侧面与顶面的延长线分别呈45度角。

5、根据权利要求3所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述探头帽(11)内置的所述的第一闪烁体(3)和所述的第二闪烁体(4)的各自的上部形状为断锥状，下部形状为圆柱状。

6、根据权利要求4所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述探头帽(11)内置的所述的第一闪烁体(3)和所述的第二闪烁体(4)的各自的上部形状为断锥状，下部形状为圆柱状；其中所述的第一闪烁体(3)和所述的第二闪烁体(4)各自上部的断锥状的两侧面与顶面的延长线分别呈45度角。

7、根据权利要求1所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的起始道探测器(1)与所述的停止道探测器(2)分别还包括第一绝缘固定环(14a)，其形状上部为中空断锥状，下部为中空圆柱状；

所述第一绝缘固定环(14a)的上部分别位于所述的CF4薄膜(16)与所述外壳体(10)之间，用于固定所述的CF4薄膜(16)；所述第一绝缘固定环(14a)的下部位于所述的光电倍增管(5)与所述外壳体(10)之间，用于固定所述的光电倍增管(5)。

8、根据权利要求7所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的起始道探测器(1)与所述的停止道探测器(2)分别还包括第二绝缘固定环(14b)；

所述第二绝缘固定环(14b)，其位于所述外壳体(10)与所述光电倍增管(5)之间；

所述第二绝缘固定环(14b)与所述第一绝缘固定环(14a)间以一定的间隔设置。

9、根据权利要求1所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的起始道探测器(1)与所述的停止道探测器(2)分别还包括全封闭的金属内胆(15)，其位于所述外壳体(10)与所述的高压分压电路(6)之间，用于避光和屏蔽电磁干扰。

10、根据权利要求1所述的正电子湮没寿命谱仪的探测器，其特征在于：所述的CF4薄膜(16)，其位于所述外壳体(10)与所述的第一闪烁体(3)或所述的第二闪烁体(4)之间，其呈伞状，用于封装所述的第一闪烁体(3)和所述的第二闪烁体(4)。

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