專利名稱：一種新型正電子湮沒壽命譜儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及核電子學與核探測器技術領域，尤其涉及ー種新型正電子湮沒壽命譜儀。
背景技術：
正電子是電子的反物質，它與物質相互作用，并與物質中的電子發生湮沒，并將全部質量轉化成兩個能量為0. 511MeV，方向相反的伽瑪γ射線。而正電子湮沒壽命譜儀是利用正電子的湮沒特性無損探測金屬、半導體、高溫超導體、高聚物等材料樣品中微觀結構缺陷、電荷密度、電子動量密度的靈敏工具，具有檢測靈敏度高、可以對缺陷濃度進行半定量分析、可以進行缺陷的深度分布探測等優點。正電子的湮沒壽命即正電子從入射到湮沒的時間間隔，主要受物質尤其是物質中缺陷周圍電子密度的影響，并隨缺陷尺寸的増大而增大，同時隨缺陷濃度的増加其在缺陷周圍的湮沒概率(即相對強度)増加。目前，正電子湮沒壽命譜儀通常可采用雙探頭設計，如圖1所示為現有技術方案的正電子湮沒壽命譜儀的結構示意圖，圖1中的主要部件包括起始道探測器1、停止道探測器2 (探測器通常由氟化鋇BaF2閃爍體3和光電倍增管4組成)、用來選擇、能量的慢電子學電路5、快信號定時電路6、時間幅度轉換器7、多道分析器8和計算機9等，是ー個典型的快慢符合壽命譜儀。上述正電子湮沒壽命譜儀的時間間隔測量在快道中實現，而能量甄別在慢道中實現。時間幅度轉換器7把起始信號與停止信號的時間差轉換為幅度與時間差相正比的脈沖，區分脈沖高度儲存在多道分析器8不同的道中，一個計數作為ー個湮沒時間。慢電子學電路5中的單道分析器對γ光子進行能量分析，確保只有符合設定能量范圍內的Y光子才能作為時間信號，以保證起始信號是和正電子同時產生的能量為USMeV的γ光子，終止信號主要是能量為0. 5IlMeV的湮沒γ光子。時間分辨率是正電子湮沒壽命譜儀的ー個重要的性能指標，它與閃爍體材料、光電倍增管以及組成譜儀的電子學系統的性能相關。在上述現有的正電子湮沒壽命譜儀方案中，在閃爍體材料固定(BaF2)的情況下，是使用光電倍增管和模擬/數字電路等手段對起始和終止道信號進行轉換和采集，若要進ー步提高數字電子學的采樣頻率則難以實現，從而難以提高正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率，影響了正電子湮沒壽命譜儀的性能。
發明內容
本發明的目的是提供ー種新型正電子湮沒壽命譜儀，能夠有效提高正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率，并降低系統信號處理需求，提高了正電子湮沒壽命譜儀的性能。本發明的目的是通過以下技術方案實現的ー種新型正電子湮沒壽命譜儀，所述正電子湮沒壽命譜儀包括閃爍探測器單元， 條紋管単元，圖像獲取和數據分析単元，其中所述閃爍探測器單元接收放射源衰變和正電子湮沒所產生的Y射線，并產生閃爍光；所述條紋管単元進ー步包括狹縫、光陰極、柵極網、偏轉板，微通道板和熒光屏，其中所述閃爍光在傳輸和調制后通過所述狹縫入射到所述光陰極上產生光電子，該光電子經所述柵極網加速后進入所述偏轉板，并在脈沖信號源產生的高頻高壓電場作用下偏轉， 該偏轉后的光電子經所述微通道板倍增放大后在所述熒光屏上成像；所述圖像獲取和數據分析單元讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息，通過所述幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，并根據位置信息對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到湮沒所述Y射線產生的時刻。所述圖像獲取和數據分析単元包括電荷耦合器件CCD和計算機終端，其中所述電荷耦合器件CXD用于讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息， 并傳輸給計算機終端存儲；所述計算機終端用于通過幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息對從所述熒光屏上的獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到所述Y射線產生的時刻。所述計算機終端用于通過幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息對從所述熒光屏上的獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到所述Y射線產生的時刻，進ー步包括所述計算機終端通過所述幅度信息獲得起始Y射線的能量和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息和已知閃爍體的衰減曲線對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號擬合譜型，得到起始Y射線和湮沒Y射線的衰減峰值所在的時刻，并記錄其時間間隔，該時間間隔即正電子湮沒壽命；所述計算機終端進一歩還用于根據統計原則收集指定數量的有效數據，得到正電子湮沒壽命譜。所述正電子湮沒壽命譜儀使用單探頭或雙探頭結構。由上述本發明提供的技術方案可以看出，所述正電子湮沒壽命譜儀包括閃爍探測器単元，條紋管単元，圖像獲取和數據分析単元，其中所述閃爍探測器單元接收放射源發生衰變所產生的Y射線，并產生閃爍光；所述條紋管単元進ー步包括狹縫、光陰極、柵極網、偏轉板，微通道板和熒光屏，其中所述閃爍光在傳輸和調制后通過所述狹縫入射到所述光陰極上產生光電子，該光電子經所述柵極網加速后進入所述偏轉板，并在脈沖信號源產生的高頻高壓電場作用下偏轉，該偏轉后的光電子經所述微通道板倍增放大后在所述熒光屏上成像；所述圖像獲取和數據分析單元讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息，并根據位置信息對單個脈沖信號進行在線擬合精確得到湮沒所述Y射線產生的時刻，通過幅度信息獲得正電子湮沒壽命。該正電子湮沒壽命譜儀能夠有效提高正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率，并降低系統信號處理需求，提高了正電子湮沒壽命譜儀的性能。
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖1為現有技術方案的正電子湮沒壽命譜儀的結構示意圖；圖2為本發明實施例所提供的正電子湮沒壽命譜儀的結構示意圖；圖3所示為本發明所舉出的實例中單探頭結構的正電子湮沒壽命譜儀；圖4所示為本發明所舉出的實例中雙探頭結構的正電子湮沒壽命譜儀。
具體實施例方式下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。本發明所述的正電子湮沒壽命譜儀利用具有皮秒時間分辨的條紋管讀取單個脈沖信號的衰減過程，并通過在線擬合的方法精確得到湮沒Y射線產生的時刻，同時本發明還采用了時間性能較好的微通道板來取代現有技術中的光電倍增管來保證信號放大的需求。下面將結合附圖對本發明實施例作進ー步地詳細描述，如圖2所示為本發明實施例所提供的正電子湮沒壽命譜儀的結構示意圖，圖2中的正電子湮沒壽命譜儀包括閃爍探測器単元，條紋管単元，圖像獲取和數據分析単元，其中所述閃爍探測器單元接收放射源衰變和正電子湮沒所產生的Y射線，在本實施例中該Y射線為能量為1. 28MeV的γ射線和正電子湮沒時所產生的能量為0. 5IlMeV的 Y射線，并產生閃爍光；所述閃爍光在傳輸和調制后由具有皮秒時間分辨的條紋管單元讀取。所述條紋管単元進ー步包括狹縫、光陰極、柵極網、偏轉板，微通道板和熒光屏，其中所述閃爍光在傳輸和調制后通過所述狹縫入射到所述光陰極上產生光電子，該光電子經所述柵極網加速后進入所述偏轉板，并在脈沖信號源產生的高頻高壓電場作用下偏轉， 具體實現中，其偏離程度受其入射時刻的影響；該偏轉后的光電子經所述微通道板倍増放大后在所述熒光屏上成像；所述圖像獲取和數據分析單元讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息，通過幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，并根據位置信息對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到湮沒所述Y射線產生的時刻。在具體實現過程中，上述圖像獲取和數據分析単元可以包括電荷耦合器件CXD和計算機終端，其中所述電荷耦合器件CXD用于讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息， 并傳輸給計算機終端存儲；所述計算機終端用于通過幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到湮沒所述Y射線產生的時刻，并記錄其時間間隔，該時間間隔即正電子湮沒壽命。具體來說，所述計算機終端通過幅度信息獲得起始Y射線的能量(1. 28MeV)和湮沒Y射線的能量(0.511MeV)，再根據位置信息和已知閃爍體的衰減曲線對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號擬合譜型，得到起始Y射線和湮沒 射線的衰減峰值所在的時刻，并
5記錄其時間間隔，該時間間隔即正電子湮沒壽命，本實施例中，已知閃爍體取決于閃爍體材料，例如可以是氟化鋇BaF2晶體，那么已知閃爍體的衰減曲線就是氟化鋇晶體的衰減曲線； 同吋，該計算機終端還可以進一歩根據統計原則收集指定數量的有效數據(例如100萬計數)，從而得到正電子湮沒壽命譜。由此可見，本發明實施例所述的正電子湮沒壽命譜儀采用微通道板加條紋管取代傳統的光電倍增管結構，能夠有效提高正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率，并采用位置信息取代直接測量時間信號，降低了系統信號處理需求，提高了正電子湮沒壽命譜儀的性能。下面以具體的實例來對上述正電子湮沒壽命譜儀的結構和工作過程進行描述，該新型正電子湮沒壽命譜儀可以使用單探頭或雙探頭結構，如圖3所示為本發明所舉出的實例中單探頭結構的正電子湮沒壽命譜儀，如圖4所示為本發明所舉出的實例中雙探頭結構的正電子湮沒壽命譜儀，圖4中首先將樣品和放射源采用樣品-放射源-樣品的夾心結構， 類同于傳統壽命譜儀的測試方式。由于需要觸發信號產生高頻鋸齒波，因而觸發模式上與傳統正電子湮沒壽命譜儀略有不同，雙探頭需要圖4中的高頻信號源22同時驅動兩套偏轉板(信號源的周期決定了壽命譜的量程)，其中ー套通過圖4中的延時器M調節以保證兩套偏轉板的信號同歩。下面以圖3中單探頭結構為例，對該正電子湮沒壽命譜儀的工作過程進行說明， 圖3中包括閃爍探測器單元(氟化鋇BaF2晶體12和光導1 、光學透鏡單元14、條紋管単元(含狹縫15、光陰極16、柵極網17、偏轉板18、19和微通道板20 (含熒光屏))、圖像獲取和數據分析単元(含電荷耦合器件CCD 21和計算機終端)和高頻數字電路單元(含脈沖信號源22)，其工作過程為(1)首先，放射源(通常”Na)10發生β +衰變，產生ー個正電子并伴隨發射 1. 28MeV的γ射線；(2)該1. 28MeV γ射線入射到閃爍探測器單元的氟化鋇晶體12中產生閃爍光，經光導13和光學透鏡單元14傳輸和調制后，通過狹縫15入射到條紋管単元中的光陰極16 上并產生光電子；(3)經柵極網17加速后的電子進入偏轉板18，在偏轉板18內，由高頻數字電路單元中的脈沖信號源22產生高頻高壓電場(如圖3中的23所示的鋸齒波)，電子在高頻高壓電場的作用下偏離軸心，其偏離程度受其入射時刻的影響。(4)偏轉后的電子經微通道板20倍增放大后在其內的熒光屏上成像；(5)同吋，放射源10在衰變中產生的正電子入射到樣品11中，與樣品11中的電子相互作用而湮沒，向相反方向發射兩個0. 5IlMeV能量的γ光子；(6)其中ー個Y光子入射到閃爍探測器單元的氟化鋇晶體12中產生閃爍光，經歷上述0)バ4)的過程后也在熒光屏上成像；(7)電荷耦合器件(XD21讀取微通道板20內的熒光屏上的圖像，并記錄其位置和幅度信息，再由計算機終端PC存儲；上述過程描述了單側方向的閃爍探測器單元的處理過程，若該正電子湮沒壽命譜儀為圖4中的雙探頭結構，則另ー側方向的閃爍探測器單元的處理過程與上述(1)-(7)的過程類似；兩側方向上的兩套系統分別探測1. 28MeV和0. 5IlMeV的γ光子信息(光子的能量通過探測器的信號幅度確定)，只有兩個信號都有的情況才會被PC讀取并存儲。
(8)計算機終端還可以進一歩對所采集到的數據進行在線分析，對兩側方向上的兩個閃爍探測器単元的信息進行處理，排除只有單探頭數據或沒有有效數據的情況，根據已知閃爍體(氟化鋇BaF2晶體)的衰減曲線擬合譜型，得到1. 28MeV和0. 5IlMeV的衰減峰值所在的時刻，記錄其時間間隔，該時間間隔即正電子湮沒壽命。(9)進ー步還可以根據統計原則，由計算機終端收集一定數量的有效數據(例如 100萬計數)，從而得到正電子湮沒壽命譜。綜上所述，本發明實施例所述的正電子湮沒壽命譜儀具有如下優點1)采用微通道板加條紋管取代傳統的光電倍增管結構，有效提高時間分辨率；現有技術方案中，電子在傳統的光電倍增管中渡越時間通常在20-80納秒，經過光電聚焦的管子引起的渡越時間的展寬通常在幾百皮秒到幾個納秒；本發明實施例中，適用于本系統的單光子計數型條紋管其時間分辨通常在幾個皮秒的量級，質量較好的條紋管甚至可以達到飛秒量級，遠遠低于光電倍增管結構。2)采用位置信息取代直接測量時間信號，對光電轉換等信號處理方式的要求有效降低，只需減小其時間展寬即可。現有技術方案中，傳統的壽命測量譜儀在從光電倍增管得到光電信號后，通常需要恒比定時器、時幅轉換器以及多道分析器等電子學插件，插件的性能進ー步降低了系統的分辨率。本發明實施例中，實現了數據處理的完全數字化，直接將CCD得到的數字圖像傳送給計算機進行處理，降低了對電子學器件的需求。3)采用全譜擬合技術對快時間信號進行定時，提高定時精度。現有技術方案中，定時電路是前端電子學中檢出時間信號的基本単元，其中恒比定時器是其中ー種重要的定時方法，它可以克服幅度變化引起的時間游動，但是只對閃爍光信號的峰值進行采樣，受前端信號的展寬影響比較嚴重。本發明實施例中，對單個Y射線引起的閃爍光信號進行全譜采樣，并利用已知的 BaF2晶體的衰減曲線進行擬合，從而有效降低前端如γ射線在晶體中的吸收位置和可見光在晶體中傳播引起的時間展寬的影響，因而進ー步提高系統的時間分辨率。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.ー種新型正電子湮沒壽命譜儀，其特征在干，所述正電子湮沒壽命譜儀包括閃爍探測器單元，條紋管単元，圖像獲取和數據分析単元，其中所述閃爍探測器單元接收放射源衰變和正電子湮沒所產生的伽瑪Y射線，并產生閃爍光；所述條紋管単元進ー步包括狹縫、光陰極、柵極網、偏轉板，微通道板和熒光屏，其中 所述閃爍光在傳輸和調制后通過所述狹縫入射到所述光陰極上產生光電子，該光電子經所述柵極網加速后進入所述偏轉板，并在脈沖信號源產生的高頻高壓電場作用下偏轉，該偏轉后的光電子經所述微通道板倍增放大后在所述熒光屏上成像；所述圖像獲取和數據分析單元讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息，通過所述幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，并根據位置信息對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到湮沒所述Y射線產生的時刻。
2.如權利要求1所述的新型正電子湮沒壽命譜儀，其特征在干，所述圖像獲取和數據分析単元包括電荷耦合器件CCD和計算機終端，其中所述電荷耦合器件CCD用于讀取所述熒光屏上的圖像，記錄其位置和幅度信息，并傳輸給計算機終端存儲；所述計算機終端用于通過幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息對從所述熒光屏上的獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到所述Y射線產生的時刻。
3.如權利要求1所述的新型正電子湮沒壽命譜儀，其特征在干，所述計算機終端用于通過幅度信息獲得起始Y射線和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息對從所述熒光屏上的獲取的脈沖信號進行在線擬合精確得到所述Y射線產生的時刻，進ー步包括所述計算機終端通過所述幅度信息獲得起始Y射線的能量和湮沒Y射線的能量，再根據位置信息和已知閃爍體的衰減曲線對從所述熒光屏上獲取的脈沖信號擬合譜型，得到起始Y射線和湮沒Y射線的衰減峰值所在的時刻，并記錄其時間間隔，該時間間隔即正電子湮沒壽命；所述計算機終端進一歩還用于根據統計原則收集指定數量的有效數據，得到正電子湮沒壽命譜。
4.如權利要求1所述的新型正電子湮沒壽命譜儀，其特征在干，所述正電子湮沒壽命譜儀使用單探頭或雙探頭結構。
全文摘要
本發明公開了一種新型正電子湮沒壽命譜儀。所述正電子湮沒壽命譜儀包括閃爍探測器單元接收放射源衰變和正電子湮沒所產生的γ射線，并產生閃爍光；所述閃爍光在傳輸和調制后通過所述狹縫入射到所述光陰極上產生光電子，該光電子經所述柵極網加速后進入所述偏轉板，并在脈沖信號源產生的高頻高壓電場作用下偏轉，該偏轉后的光電子經所述微通道板倍增放大后在所述熒光屏上成像；所述圖像獲取和數據分析單元讀取所述熒光屏上的圖像，并根據位置信息對單個脈沖信號進行在線擬合精確得到所述γ射線的能量和產生的時刻。該正電子湮沒壽命譜儀能夠有效提高正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率，并降低系統信號處理需求，提高了正電子湮沒壽命譜儀的性能。
文檔編號G01N23/00GK102539451SQ20111043350
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者丁天遙, 于潤升, 唐浩輝, 王寶義, 秦秀波, 趙博震, 魏龍 申請人:中國科學院高能物理研究所