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专利名称：一种新型正电子湮没寿命谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及核电子学与核探測器技术领域，尤其涉及ー种新型正电子湮没寿命谱仪。
背景技术：
正电子是电子的反物质，它与物质相互作用，并与物质中的电子发生湮没，并将全部质量转化成两个能量为0. 511MeV，方向相反的伽玛γ射线。而正电子湮没寿命谱仪是利用正电子的湮没特性无损探測金属、半导体、高温超导体、高聚物等材料样品中微观结构缺陷、电荷密度、电子动量密度的灵敏工具，具有检测灵敏度高、可以对缺陷浓度进行半定量分析、可以进行缺陷的深度分布探测等优点。正电子的湮没寿命即正电子从入射到湮没的时间间隔，主要受物质尤其是物质中缺陷周围电子密度的影响，并随缺陷尺寸的増大而增大，同时随缺陷浓度的増加其在缺陷周围的湮没概率(即相对強度)増加。目前，正电子湮没寿命谱仪通�？刹捎盟�探头设计，如图1所示为现有技术方案的正电子湮没寿命谱仪的结构示意图，图1中的主要部件包括起始道探測器1、停止道探测器2 (探測器通常由氟化钡BaF2闪烁体3和光电倍增管4組成)、用来选择、能量的慢电子学电路5、快信号定时电路6、时间幅度转换器7、多道分析器8和计算机9等，是ー个典型的快慢符合寿命谱仪。上述正电子湮没寿命谱仪的时间间隔测量在快道中实现，而能量甄别在慢道中实现。时间幅度转换器7把起始信号与停止信号的时间差转换为幅度与时间差相正比的脉冲，区分脉冲高度储存在多道分析器8不同的道中，一个计数作为ー个湮没时间。慢电子学电路5中的单道分析器对γ光子进行能量分析，确保只有符合设定能量范围内的Y光子才能作为时间信号，以保证起始信号是和正电子同时产生的能量为USMeV的γ光子，终止信号主要是能量为0. 5IlMeV的湮没γ光子。时间分辨率是正电子湮没寿命谱仪的ー个重要的性能指标，它与闪烁体材料、光电倍增管以及组成谱仪的电子学系统的性能相关。在上述现有的正电子湮没寿命谱仪方案中，在闪烁体材料固定(BaF2)的情况下，是使用光电倍增管和模拟/数字电路等手段对起始和终止道信号进行转换和采集，若要进ー步提高数字电子学的采样频率则难以实现，从而难以提高正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率，影响了正电子湮没寿命谱仪的性能。

发明内容
本发明的目的是提供ー种新型正电子湮没寿命谱仪，能够有效提高正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率，并降低系统信号处理需求，提高了正电子湮没寿命谱仪的性能。本发明的目的是通过以下技术方案实现的ー种新型正电子湮没寿命谱仪，所述正电子湮没寿命谱仪包括闪烁探测器单元， 条纹管単元，图像获取和数据分析単元，其中所述闪烁探测器单元接收放射源衰变和正电子湮没所产生的Y射线，并产生闪烁光；所述条纹管単元进ー步包括狭縫、光阴极、栅极网、偏转板，微通道板和荧光屏，其中所述闪烁光在传输和调制后通过所述狭缝入射到所述光阴极上产生光电子，该光电子经所述栅极网加速后进入所述偏转板，并在脉冲信号源产生的高频高压电场作用下偏转， 该偏转后的光电子经所述微通道板倍增放大后在所述荧光屏上成像；所述图像获取和数据分析单元读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息，通过所述幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，并根据位置信息对从所述荧光屏上获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到湮没所述Y射线产生的时刻。所述图像获取和数据分析単元包括电荷耦合器件CCD和计算机终端，其中所述电荷耦合器件CXD用于读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息， 并传输给计算机终端存储；所述计算机终端用于通过幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，再根据位置信息对从所述荧光屏上的获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到所述Y射线产生的时刻。所述计算机终端用于通过幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，再根据位置信息对从所述荧光屏上的获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到所述Y射线产生的时刻，进ー步包括所述计算机终端通过所述幅度信息获得起始Y射线的能量和湮没Y射线的能量，再根据位置信息和已知闪烁体的衰减曲线对从所述荧光屏上获取的脉冲信号拟合谱型，得到起始Y射线和湮没Y射线的衰减峰值所在的时刻，并记录其时间间隔，该时间间隔即正电子湮没寿命；所述计算机终端进一歩还用于根据统计原则收集指定数量的有效数据，得到正电子湮没寿命谱。所述正电子湮没寿命谱仪使用单探头或双探头结构。由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述正电子湮没寿命谱仪包括闪烁探測器単元，条纹管単元，图像获取和数据分析単元，其中所述闪烁探测器单元接收放射源发生衰变所产生的Y射线，并产生闪烁光；所述条纹管単元进ー步包括狭縫、光阴极、栅极网、偏转板，微通道板和荧光屏，其中所述闪烁光在传输和调制后通过所述狭缝入射到所述光阴极上产生光电子，该光电子经所述栅极网加速后进入所述偏转板，并在脉冲信号源产生的高频高压电场作用下偏转，该偏转后的光电子经所述微通道板倍增放大后在所述荧光屏上成像；所述图像获取和数据分析单元读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息，并根据位置信息对单个脉冲信号进行在线拟合精确得到湮没所述Y射线产生的时刻，通过幅度信息获得正电子湮没寿命。该正电子湮没寿命谱仪能够有效提高正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率，并降低系统信号处理需求，提高了正电子湮没寿命谱仪的性能。


为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为现有技术方案的正电子湮没寿命谱仪的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的正电子湮没寿命谱仪的结构示意图；图3所示为本发明所举出的实例中单探头结构的正电子湮没寿命谱仪；图4所示为本发明所举出的实例中双探头结构的正电子湮没寿命谱仪。
具体实施例方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明所述的正电子湮没寿命谱仪利用具有皮秒时间分辨的条纹管读取单个脉冲信号的衰减过程，并通过在线拟合的方法精确得到湮没Y射线产生的时刻，同时本发明还采用了时间性能较好的微通道板来取代现有技术中的光电倍增管来保证信号放大的需求。下面将结合附图对本发明实施例作进ー步地详细描述，如图2所示为本发明实施例所提供的正电子湮没寿命谱仪的结构示意图，图2中的正电子湮没寿命谱仪包括闪烁探測器単元，条纹管単元，图像获取和数据分析単元，其中所述闪烁探测器单元接收放射源衰变和正电子湮没所产生的Y射线，在本实施例中该Y射线为能量为1. 28MeV的γ射线和正电子湮没时所产生的能量为0. 5IlMeV的 Y射线，并产生闪烁光；所述闪烁光在传输和调制后由具有皮秒时间分辨的条纹管单元读取。所述条纹管単元进ー步包括狭縫、光阴极、栅极网、偏转板，微通道板和荧光屏，其中所述闪烁光在传输和调制后通过所述狭缝入射到所述光阴极上产生光电子，该光电子经所述栅极网加速后进入所述偏转板，并在脉冲信号源产生的高频高压电场作用下偏转， 具体实现中，其偏离程度受其入射时刻的影响；该偏转后的光电子经所述微通道板倍増放大后在所述荧光屏上成像；所述图像获取和数据分析单元读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息，通过幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，并根据位置信息对从所述荧光屏上获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到湮没所述Y射线产生的时刻。在具体实现过程中，上述图像获取和数据分析単元可以包括电荷耦合器件CXD和计算机终端，其中所述电荷耦合器件CXD用于读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息， 并传输给计算机终端存储；所述计算机终端用于通过幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，再根据位置信息对从所述荧光屏上获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到湮没所述Y射线产生的时刻，并记录其时间间隔，该时间间隔即正电子湮没寿命。具体来说，所述计算机终端通过幅度信息获得起始Y射线的能量(1. 28MeV)和湮没Y射线的能量(0.511MeV)，再根据位置信息和已知闪烁体的衰减曲线对从所述荧光屏上获取的脉冲信号拟合谱型，得到起始Y射线和湮没 射线的衰减峰值所在的时刻，并
5记录其时间间隔，该时间间隔即正电子湮没寿命，本实施例中，已知闪烁体取决于闪烁体材料，例如可以是氟化钡BaF2晶体，那么已知闪烁体的衰减曲线就是氟化钡晶体的衰减曲线； 同吋，该计算机终端还可以进一歩根据统计原则收集指定数量的有效数据(例如100万计数)，从而得到正电子湮没寿命谱。由此可见，本发明实施例所述的正电子湮没寿命谱仪采用微通道板加条纹管取代传统的光电倍增管结构，能够有效提高正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率，并采用位置信息取代直接測量时间信号，降低了系统信号处理需求，提高了正电子湮没寿命谱仪的性能。下面以具体的实例来对上述正电子湮没寿命谱仪的结构和工作过程进行描述，该新型正电子湮没寿命谱仪可以使用单探头或双探头结构，如图3所示为本发明所举出的实例中单探头结构的正电子湮没寿命谱仪，如图4所示为本发明所举出的实例中双探头结构的正电子湮没寿命谱仪，图4中首先将样品和放射源采用样品-放射源-样品的夹心结构， 类同于传统寿命谱仪的测试方式。由于需要触发信号产生高频锯齿波，因而触发模式上与传统正电子湮没寿命谱仪略有不同，双探头需要图4中的高频信号源22同时驱动两套偏转板(信号源的周期决定了寿命谱的量程)，其中ー套通过图4中的延时器M调节以保证两套偏转板的信号同歩。下面以图3中单探头结构为例，对该正电子湮没寿命谱仪的工作过程进行说明， 图3中包括闪烁探测器单元(氟化钡BaF2晶体12和光导1 、光学透镜单元14、条纹管単元(含狭缝15、光阴极16、栅极网17、偏转板18、19和微通道板20 (含荧光屏))、图像获取和数据分析単元(含电荷耦合器件CCD 21和计算机终端)和高频数字电路单元(含脉冲信号源22)，其工作过程为(1)首先，放射源(通常”Na)10发生β +衰变，产生ー个正电子并伴随发射 1. 28MeV的γ射线；(2)该1. 28MeV γ射线入射到闪烁探测器单元的氟化钡晶体12中产生闪烁光，经光导13和光学透镜单元14传输和调制后，通过狭缝15入射到条纹管単元中的光阴极16 上并产生光电子；(3)经栅极网17加速后的电子进入偏转板18，在偏转板18内，由高频数字电路单元中的脉冲信号源22产生高频高压电场(如图3中的23所示的锯齿波)，电子在高频高压电场的作用下偏离轴心，其偏离程度受其入射时刻的影响。(4)偏转后的电子经微通道板20倍增放大后在其内的荧光屏上成像；(5)同吋，放射源10在衰变中产生的正电子入射到样品11中，与样品11中的电子相互作用而湮没，向相反方向发射两个0. 5IlMeV能量的γ光子；(6)其中ー个Y光子入射到闪烁探测器单元的氟化钡晶体12中产生闪烁光，经历上述0)バ4)的过程后也在荧光屏上成像；(7)电荷耦合器件(XD21读取微通道板20内的荧光屏上的图像，并记录其位置和幅度信息，再由计算机终端PC存储；上述过程描述了单侧方向的闪烁探测器单元的处理过程，若该正电子湮没寿命谱仪为图4中的双探头结构，则另ー侧方向的闪烁探测器单元的处理过程与上述(1)-(7)的过程类似；两侧方向上的两套系统分别探測1. 28MeV和0. 5IlMeV的γ光子信息(光子的能量通过探测器的信号幅度确定)，只有两个信号都有的情况才会被PC读取并存储。
(8)计算机终端还可以进一歩对所采集到的数据进行在线分析，对两侧方向上的两个闪烁探测器単元的信息进行处理，排除只有单探头数据或没有有效数据的情況，根据已知闪烁体(氟化钡BaF2晶体)的衰减曲线拟合谱型，得到1. 28MeV和0. 5IlMeV的衰减峰值所在的时刻，记录其时间间隔，该时间间隔即正电子湮没寿命。(9)进ー步还可以根据统计原则，由计算机终端收集一定数量的有效数据(例如 100万计数)，从而得到正电子湮没寿命谱。综上所述，本发明实施例所述的正电子湮没寿命谱仪具有如下优点1)采用微通道板加条纹管取代传统的光电倍增管结构，有效提高时间分辨率；现有技术方案中，电子在传统的光电倍增管中渡越时间通常在20-80纳秒，经过光电聚焦的管子引起的渡越时间的展宽通常在几百皮秒到几个纳秒；本发明实施例中，适用于本系统的单光子计数型条纹管其时间分辨通常在几个皮秒的量级，质量较好的条纹管甚至可以达到飞秒量级，远远低于光电倍增管结构。2)采用位置信息取代直接測量时间信号，对光电转换等信号处理方式的要求有效降低，只需减小其时间展宽即可。现有技术方案中，传统的寿命测量谱仪在从光电倍增管得到光电信号后，通常需要恒比定时器、时幅转换器以及多道分析器等电子学插件，插件的性能进ー步降低了系统的分辨率。本发明实施例中，实现了数据处理的完全数字化，直接将CCD得到的数字图像传送给计算机进行处理，降低了对电子学器件的需求。3)采用全谱拟合技术对快时间信号进行定时，提高定时精度。现有技术方案中，定时电路是前端电子学中检出时间信号的基本単元，其中恒比定时器是其中ー种重要的定时方法，它可以克服幅度变化引起的时间游动，但是只对闪烁光信号的峰值进行采样，受前端信号的展宽影响比较严重。本发明实施例中，对单个Y射线引起的闪烁光信号进行全谱采样，并利用已知的 BaF2晶体的衰减曲线进行拟合，从而有效降低前端如γ射线在晶体中的吸收位置和可见光在晶体中传播引起的时间展宽的影响，因而进ー步提高系统的时间分辨率。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披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.ー种新型正电子湮没寿命谱仪，其特征在干，所述正电子湮没寿命谱仪包括闪烁探测器单元，条纹管単元，图像获取和数据分析単元，其中所述闪烁探测器单元接收放射源衰变和正电子湮没所产生的伽玛Y射线，并产生闪烁光；所述条纹管単元进ー步包括狭縫、光阴极、栅极网、偏转板，微通道板和荧光屏，其中 所述闪烁光在传输和调制后通过所述狭缝入射到所述光阴极上产生光电子，该光电子经所述栅极网加速后进入所述偏转板，并在脉冲信号源产生的高频高压电场作用下偏转，该偏转后的光电子经所述微通道板倍增放大后在所述荧光屏上成像；所述图像获取和数据分析单元读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息，通过所述幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，并根据位置信息对从所述荧光屏上获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到湮没所述Y射线产生的时刻。
2.如权利要求1所述的新型正电子湮没寿命谱仪，其特征在干，所述图像获取和数据分析単元包括电荷耦合器件CCD和计算机终端，其中所述电荷耦合器件CCD用于读取所述荧光屏上的图像，记录其位置和幅度信息，并传输给计算机终端存储；所述计算机终端用于通过幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，再根据位置信息对从所述荧光屏上的获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到所述Y射线产生的时刻。
3.如权利要求1所述的新型正电子湮没寿命谱仪，其特征在干，所述计算机终端用于通过幅度信息获得起始Y射线和湮没Y射线的能量，再根据位置信息对从所述荧光屏上的获取的脉冲信号进行在线拟合精确得到所述Y射线产生的时刻，进ー步包括所述计算机终端通过所述幅度信息获得起始Y射线的能量和湮没Y射线的能量，再根据位置信息和已知闪烁体的衰减曲线对从所述荧光屏上获取的脉冲信号拟合谱型，得到起始Y射线和湮没Y射线的衰减峰值所在的时刻，并记录其时间间隔，该时间间隔即正电子湮没寿命；所述计算机终端进一歩还用于根据统计原则收集指定数量的有效数据，得到正电子湮没寿命谱。
4.如权利要求1所述的新型正电子湮没寿命谱仪，其特征在干，所述正电子湮没寿命谱仪使用单探头或双探头结构。
全文摘要
本发明公开了一种新型正电子湮没寿命谱仪。所述正电子湮没寿命谱仪包括闪烁探测器单元接收放射源衰变和正电子湮没所产生的γ射线，并产生闪烁光；所述闪烁光在传输和调制后通过所述狭缝入射到所述光阴极上产生光电子，该光电子经所述栅极网加速后进入所述偏转板，并在脉冲信号源产生的高频高压电场作用下偏转，该偏转后的光电子经所述微通道板倍增放大后在所述荧光屏上成像；所述图像获取和数据分析单元读取所述荧光屏上的图像，并根据位置信息对单个脉冲信号进行在线拟合精确得到所述γ射线的能量和产生的时刻。该正电子湮没寿命谱仪能够有效提高正电子湮没寿命谱仪的时间分辨率，并降低系统信号处理需求，提高了正电子湮没寿命谱仪的性能。
文档编号G01N23/00GK102539451SQ20111043350
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者丁天遥, 于润升, 唐浩辉, 王宝义, 秦秀波, 赵博震, 魏龙 申请人:中国科学院高能物理研究所