CN202870004U - 正电子湮没多参数符合测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效率的正电子湮没多参数符合测量系统，通过采用平面型高纯锗半导体探测器同时测量正电子湮没的时间停止信号和能量信号的方式，实现高效率的正电子湮没寿命-动量关联（Positron Age Momentum Correlation,AMOC）符合测量。系统包括：一个闪烁体探测器、一个平面型高纯锗半导体探测器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第一信号延时箱、第二信号延时箱、定时滤波放大器、时-幅转换器、谱放大器、双通道多道分析器。通过选用合理的电子学框架及信号处理方式，实现了信号的准确和高效率处理，使系统最终计数率较常规AMOC谱仪提高一个数量级，为电子偶素的相关研究提供了更好的研究手段。

Description

正电子湮没多参数符合测量系统

技术领域

本实用新型涉及正电子及电子偶素湮没测量技术，且特别涉及一种正电子湮没多参数符合测量系统。 

背景技术

正电子湮没谱学（Positron annihilation spectroscopy，PAS）研究方法是一种探测正电子在材料中发生湮没后产生的γ辐射的核谱学方法，它具有高的缺陷灵敏性和原子尺度缺陷微探测的优点，可以直观和半定量地提供材料中微观缺陷尺寸、浓度及分布的信息，已经成为研究材料微结构以及正电子及电子偶素化学的独特分析方法。正电子寿命-动量关联谱（Positron Age Momentum Correlation,AMOC）探测技术是PAS中一种多参数符合的探测手段，谱仪通过对正电子湮没寿命和动量两种信号同时探测并进行符合，以记录同一湮没事例的湮没时间和动量信息。此技术能够展现不同湮没寿命的正电子的湮没动量分布，特别是能够对2-140ns的长寿命区域内不同热化程度的电子偶素湮没的动量分布进行研究，区分电子偶素的不同湮没状态。 

现有技术中的AMOC谱仪通常采用三探测器的构型，如图1所示。系统由三个探测器及相应的电子学插件构成。探测器包括两个氟化钡（BaF₂）闪烁体探测器，和一个同轴型高纯锗（High-Purity Germanium，HPGe）半导体探测器。两个闪烁体探测器分别用以探测正电子湮没寿命起始和停止的时间信号，其中测量停止时间信号的闪烁体探测器与同轴型HPGe探测器相对同轴放置，以测量同一湮没事例放出的夹角约为180°的伽马光子。 

测量时，该AMOC谱仪首先将两个闪烁体探测器的时间信号进行符合，得到正电子湮没的时间信号，再通过双通道多道分析器进行正电子湮没时间与能量的符合。为使谱仪达到较高的符合计数率，正电子源紧贴起始信号闪烁体探测器。同轴型HPGe探测器与正电子源的距离由源强决定，在保证计数率的情况下可进行适当调整。 

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中的上述AMOC谱仪 存在如下特点： 

上述采用三探测器几何构型的谱仪，对正电子湮没寿命谱时间起始和停止信号分别使用两个闪烁体探测器进行探测，再与同轴型HPGe探测器探测的能量信号进行符合。谱仪的最终信号来自三个信号（时间起始、时间停止和能量信号）经三重符合后得到，最终符合效率为单次符合效率的乘积，谱仪最终计数率较低（约2～4cps/μCi）。 

实验结果表明，在实际的样品测量过程中，上述三探测器几何构型的AMOC谱仪，单个样品的测量需2至4天，样品测量周期长。特别针对电子偶素产额较低的实验样品则需要更长时间。测量期间的环境温湿度变化将使谱仪发生漂移，导致测量结果不准确。此外，电绝缘性样品经受正电子长时间测量照射后，将出现电荷积累效应，使样品内电子偶素产额发生变化，造成测量结果失真。 

上述采用三探测器几何构型的谱仪若要提高系统的计数率，可采用增加正电子源强度的办法，但此法将增加各探测器的杂散本底及信号的偶然符合本底，同时也会对探测器造成辐照损伤。 

实用新型内容

为解决现有技术中的上述问题，本实用新型提供了一种高效率的正电子湮没多参数符合测量系统。 

本实用新型所提供的高效率正电子湮没多参数符合测量系统，包括：一个闪烁体探测器、用于同时获取正电子湮没的能量信号和时间停止信号的平面型高纯锗半导体探测器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第一信号延时箱、第二信号延时箱、定时滤波放大器、时-幅转换器、谱放大器、双通道多道分析器； 

闪烁体探测器的信号输出端连接第一恒比定时甄别器，第一恒比定时甄别器的输出端与第一信号延时箱连接，第一信号延时箱的输出端与时-幅转换器连接； 

平面型高纯锗半导体探测器的其中一个输出端连接定时滤波放大器，该定时滤波放大器的输出端连接第二恒比定时甄别器，第二恒比定时甄别器的其中一个输出端连接第二信号延时箱，该第二信号延时箱的输出端连接该时- 幅转换器；第二恒比定时甄别器的另一输出端连接该时-幅转换器以为时-幅转换器提供门信号； 

平面型高纯锗半导体探测器的另一输出端连接谱放大器，该谱放大器的输出端连接双通道多道分析器，时-幅转换器的输出端也连接该双通道多道分析器。 

所述闪烁体探测器和平面型高纯锗半导体探测器与正电子源之间的距离与所述正电源的源强相适应。 

所述正电子源的源强小于10微居，所述闪烁体探测器和平面型高纯锗半导体探测器的距离为0至3厘米。 

本实用新型的正电子湮没多参数符合测量系统，通过采用平面型高纯锗半导体探测器同时测量正电子湮没的时间停止信号和能量信号的方式，实现高效率的正电子湮没寿命-动量关联符合测量。选用合理的电子学框架及信号处理方式，实现了信号的准确和高效率处理，使系统最终计数率较常规AMOC谱仪提高一个数量级，为电子偶素的相关研究提供了更好的研究手段。 

附图说明

图1为现有的采用三探测器几何构型的AMOC谱仪的结构框图； 

图2为本实用新型的采用两探测器几何构型的正电子湮没多参数符合测量系统的结构框图； 

图3a为本实用新型的正电子湮没多参数符合测量系统对Ni单晶材料的测量结果谱图； 

图3b为本实用新型的正电子湮没探测系统针对聚四氟乙烯材料的的测量结果谱图。 

具体实施方式

体现本实用新型特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及所附附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本实用新型。 

本发明针对现有技术中的AMOC谱仪存在的问题，建立了双探测器几何构型的正电子湮没多参数符合测量系统。系统采用平面型高纯锗半导体探测器同时测量正电子湮没的时间停止信号和能量信号的方式，减少了信号的符合次数，使系统的最终符合效率提高了一个数量级。 

以下先对本实用新型中的正电子湮没多参数符合测量系统的具体结构和工作原理进行说明。该正电子湮没多参数符合测量系统的结构图如图2所示，以下结合图2对该正电子湮没探测系统的组成结构及其工作特点进行说明，该正电子湮没探测系统包括： 

一个闪烁体探测器1，用于探测正电子湮没γ光子的起始时间信号。 

一个平面型高纯锗半导体探测器2，用于探测正电子湮没γ光子的能量信号，同时提取正电子湮没γ光子的时间停止信号。 

该闪烁体探测器1和该平面型高纯锗半导体探测器2与正电子源之间的距离由源强决定，源强大时则也距离适当增大该距离。在保证计数率的情况下可进行适当调整（在本案中，正电子源小于10微居的情况下为0至3厘米）。由于两探测器距正电子源较近，使得探测器在正电子源周围所占空间角的比例较大，探测器的几何探测效率提高，因此该正电子湮没探测系统可以采用强度较小的正电子源，以降低测量本底和对探测器的辐照损伤。 

第一恒比定时甄别器31（Constant Fraction Differential Discriminator，CFD）、第二恒比定时甄别器32，用于获取定时信号。 

第一信号延时箱41（Delay）和第二信号延时箱42，用于进行信号的延迟处理。 

一个定时滤波放大器5（Timing Filter Amplifier，TFA）具有较好的定时性能，用于将平面型高纯锗半导体探测器2的前置放大器的信号定时并成形放大。 

一个时-幅转换器6（Time-to-Amplitude Converter，TAC），用于将正电子湮没的起始-终止时间间隔转换为信号幅度，即时间信号。 

一个谱放大器7（Spectroscopy Amplifier，Amp），用于将平面型高纯锗半导体探测器的前置放大器的信号进行成形放大，即为正电子湮没能量信号。 

一个双通道多道分析器8，用于进行模数转换、信号的采集和符合处理，实现时间信号和能量信号的关联测量。符合事例的信号传输至计算机以记录 和保存。 

各模块的连接关系如图2所示： 

闪烁体探测器1的信号输出端连接第一恒比定时甄别器31，第一恒比定时甄别器31的输出端与第一信号延时箱41连接，第一信号延时箱41的输出端与时-幅转换器6连接。 

平面型高纯锗半导体探测器2的一输出端连接定时滤波放大器5，该定时滤波放大器5的输出端连接第二恒比定时甄别器32。第二恒比定时甄别器32的一输出端连接第二信号延时箱42，该第二信号延时箱42的输出端连接该时-幅转换器6；第二恒比定时甄别器32的另一输出端连接该时-幅转换器6。 

平面型高纯锗半导体探测器2的另一输出端连接谱放大器7，该谱放大器7的输出端连接双通道多道分析器8，该时-幅转换器6的输出端也连接该双通道多道分析器8。 

在上述模块组成和连接关系的基础上，该正电子湮没探测系统的工作原理如下： 

该正电子湮没多参数符合测量系统利用闪烁体探测器1探测能量为1.28MeV的γ光子作为寿命谱的起始时间信号；利用平面型高纯锗半导体探测器2在探测湮没γ光子能量信号的同时，提取其时间信号作为寿命谱的终止时间信号。由此可得到单个正电子湮没事例的湮没γ光子的能量信号和寿命时间信号，寿命时间信号与能量信号进行符合，实现正电子湮没寿命-动量关联测量。 

闪烁体探测器1探测得到的信号输入第一恒比定时甄别器31，第一恒比定时甄别器31获取正电子湮没寿命起始的定时信号，将该定时信号发送到第一信号延时箱41，通过该第一信号延时箱41对该定时信号进行延迟处理，将处理后的定时信号作为Start（寿命起始）信号发送到时-幅转换器6。 

平面型高纯锗半导体探测器2探测正电子湮没γ光子的能量信号，并提取其时间信号作为正电子湮没寿命停止时间信号。平面型高纯锗半导体探测器2一方面将信号输出到定时滤波放大器5，以对其进行成形放大，随后使用第二恒比定时甄别器32产生正电子湮没寿命的停止时间信号；另一方面将探测器信号发送到谱放大器7，以对信号进行放大处理，获得正电子湮没能 量信号。 

该定时滤波放大器5对该高纯锗半导体探测器2输出的寿命停止时间信号进行定时和成形放大处理，将处理后的信号发送到第二恒比定时甄别器32进一步进行定时，该第二恒比定时甄别器32输出一Gate（为能谱信号和寿命谱信号开门，使start和stop信号有效）信号到时-幅转换器6；同时该第二恒比定时甄别器32获取该寿命停止的定时信号，并将该定时信号发送到第二信号延时箱42，经第二信号延时箱42对该定时信号进行延迟处理，将处理后的定时信号作为Stop（寿命停止）信号发送到时-幅转换器6，产生正电子湮没寿命的时间信号。 

最后，该时间信号和由谱放大器7放大处理后的能量信号输入到双通道多道分析器8。双通道多道分析器8对两路信号进行模数转换、采集和符合处理，实现时间信号和能量信号的关联测量。符合事例的信号传输至计算机以记录和保存。 

本发明的正电子湮没多参数符合测量系统，利用平面型高纯锗半导体探测器2在探测湮没γ光子能量信号的同时，提取其时间信号作为寿命谱的终止时间信号。实验表明，此种构型的正电子湮没探测系统的几何探测效率较高（计数率可达20cps/μCi）。 

该正电子湮没多参数符合测量系统测量的二维谱结果如图3a和3b所示，以下结合该正电子湮没多参数符合测量系统的测量结果谱，以及通过实验产生的相应的统计数据对该正电子湮没探测系统产生的有益效果进行说明。参见图3a和图3b，图3a为采用单晶Ni材料的探测样品的探测结果谱，单晶Ni为单质纯镍块状样品，纯度为99.99%，材料中无电子偶素的湮没。 

如图3b为采用PTFE材料为探测样品的探测结果谱，PTFE为聚四氟乙烯，PTFE乳液是一种含聚四氟乙烯高分子化学材料，它广泛应用于包装、电子电气、耐腐蚀材料。在正电子注入后，PTFE中能够形成较多的电子偶素，因而在测试结果中含有长寿命成分，参见图3b所示的谱线十字焦点右侧有较多的湮没事例点。 

正电子的每一个湮没过程都包含有时间和动量分布的信息，实验得到的是各个湮没方式的叠加信息。正电子湮没时间、动量谱可表示为： 

$Y(p,t)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i{P}_i\left(p\right)\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_i}\exp \left(\frac{-t}{{\mathrm{\τ}}_i}\right)$

其中，n为湮没方式的数目，τ_i、I_i分别是第i种湮没方式的正电子寿命和相对强度，P_i(p)是第i种湮没方式的归一化动量分布。AMOC谱仪采用多参数方法，能够对正电子寿命和湮没辐射γ的动量或能量分布同时进行探测。图3a和图3b中，横轴为正电子湮没时间，纵轴为湮没γ光子的能量，每一个点代表一个正电子湮没事例。谱图中的十字中心，为正电子湮没寿命的时间零点。二维图谱展现出不同湮没时间处正电子湮没γ光子的能量分布，能够对不同湮没寿命特别是长寿命正电子的湮没行为进行表征。 

对于实验探测得到的谱线（图3a和图3b）表明，对于不同的样品，该正电子湮没探测系统能够清晰地展现出长寿命区域的差异，同时计数率有很大的提高。在本案中作为对照的三探测器系统的计数率为2～4cps/μCi，寿命谱分辨率为220ps。而本实用新型采用双探测器几何构型，使用平面型高纯锗半导体探测器同时测量正电子湮没的时间停止信号和能量信号的方式，减少了信号的符合次数，使系统的最终符合效率提高了一个数量级，使系统最终计数率达到20cps/μCi，寿命谱分辨率好于2ns。实验表明，本实用新型的双探测器几何构型的系统探测效率较高，大大缩短了探测时间，对于占全部湮没事例比例很小的长寿命区域信息的提取非常有利。 

在本发明的基础上使用效率更高的闪烁体探测器（更大、发光效率更高的新型闪烁体）将使系统计数率有更大的提高（超过50cps/μCi）。 

本实用新型的正电子湮没多参数符合测量系统，采用双探测器几何构型，使用平面型高纯锗半导体探测器同时测量正电子湮没的时间停止信号和能量信号的方式，减少了信号的符合次数，使系统的最终符合效率提高了一个数量级，同时通过选用合理的电子学框架及信号处理方式，实现了信号的精确和高效率处理，使系统在最终计数率提高了一个数量级，为电子偶素的相关研究提供了更好的研究条件。 

本领域技术人员应当意识到在不脱离本实用新型所附的权利要求所揭示的本实用新型的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本实用新型的权利要求的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种正电子湮没多参数符合测量系统，其特征在于，该系统包括：一个闪烁体探测器、用于同时获取正电子湮没的能量信号和时间停止信号的平面型高纯锗半导体探测器、第一恒比定时甄别器、第二恒比定时甄别器、第一信号延时箱、第二信号延时箱、定时滤波放大器、时-幅转换器、谱放大器、双通道多道分析器；

闪烁体探测器的信号输出端连接第一恒比定时甄别器，第一恒比定时甄别器的输出端与第一信号延时箱连接，第一信号延时箱的输出端与时-幅转换器连接；

平面型高纯锗半导体探测器的其中一个输出端连接定时滤波放大器，该定时滤波放大器的输出端连接第二恒比定时甄别器，第二恒比定时甄别器的其中一个输出端连接第二信号延时箱，该第二信号延时箱的输出端连接该时-幅转换器；第二恒比定时甄别器的另一输出端连接该时-幅转换器以为时-幅转换器提供门信号；

平面型高纯锗半导体探测器的另一输出端连接谱放大器，该谱放大器的输出端连接双通道多道分析器，时-幅转换器的输出端也连接该双通道多道分析器。

2.根据权利要求1所述的正电子湮没多参数符合测量系统，其特征在于，所述闪烁体探测器和平面型高纯锗半导体探测器与正电子源之间的距离与所述正电源的源强相适应。

3.根据权利要求2所述的正电子湮没多参数符合测量系统，其特征在于，所述正电子源的源强小于10微居，所述闪烁体探测器和平面型高纯锗半导体探测器的距离为0至3厘米。 

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