一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置及方法

1.本发明属于核谱学和核探测技术领域，具体涉及一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置及方法，可突破对测量样品厚度的限制，适用于所有类型的正电子源，同时非接触测量功能可拓展正电子湮没寿命测量方法在特殊样品和特殊环境测量中的应用。


背景技术：

2.正电子湮没是材料中原子级缺陷的无损灵敏探针，在材料科学研究中发挥着独特优势。正电子进入材料中，经过热化后在材料中扩散，扩散过程中极易被材料中的缺陷捕获，最终与缺陷处的电子湮没，湮没后辐射的伽马射线携带着缺陷处局域电子的全部信息，比如电子密度、能量、动量等信息。正电子湮没寿命测量即通过探测湮没伽马光子的时间信息，反映湮没位置的电子密度，可对材料中缺陷的类型、浓度进行表征。
3.常规正电子湮没寿命谱仪采用两片完全相同且足够厚的样品紧密包裹
22
na放射源形成“样品-放射源-样品”三明治式测量结构，以保证全部正电子均在研究对象中湮没。对于薄膜样品，由于放射源产生的正电子能量连续分布，在材料中有一定的射程，正电子可能穿透薄膜，因此常规方法对样品的厚度有一定的限制，不适用于薄膜样品的检测。因此，需要发展一种有效表征薄膜样品材料中微观结构的正电子湮没寿命测量装置及方法。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置及方法，装置由正电子发射器、正电子探测器、伽马探测器组成；样品放置于正电子发射器和正电子探测器之间。正电子发射器包含放射源并负责对进入样品的正电子进行探测，正电子探测器对穿透样品的正电子进行探测。伽马探测器负责对正电子湮没后产生的0.511mev伽马光子进行探测，从而实现薄膜样品材料中微观信息的准确表征。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，由正电子发射器、正电子探测器、伽马探测器组成；样品放置于正电子发射器和正电子探测器之间，伽马探测器围绕样品任意放置；测量时，当样品为非沾染性材料时，样品紧贴正电子发射器和正电子探测器放置；当样品为沾染性材料时，样品与正电子发射器和正电子探测器之间设置一定的距离，实现对样品的非接触测量；同时，非接触测量时可通过改变温度、磁场等外部条件实现对样品测量环境的调节，也可通过平移装置实现对样品的扫描测量。
7.进一步地，所述伽马探测器由具有高时间分辨的闪烁体和与之耦合的快响应光电转换器组成，所述闪烁体包括baf2、labr3、lyso等，所述光电转换器包括光电倍增管、硅光电倍增管等。
8.进一步地，所述正电子发射器由塑料闪烁片、快响应的光电转换器以及放射源组成；放射源放置于塑料闪烁片与快响应的光电转换器之间；正电子进入塑料闪烁片中沉积能量时，产生荧光光子，通过光电转换器将荧光转化为电信号输出至后端电路进行进一步
处理。
9.进一步地，所述塑料闪烁片上表面和侧面设置一层反射层，通过反射层将荧光光子充分传递至光电转换器。
10.进一步地，所述塑料闪烁片的厚度取决于所选用放射源的正电子能量分布，应有足够的厚度使正电子在塑料闪烁片中沉积足够的能量，相应产生足够多的荧光光子，使探测器信号幅度高于电子学噪声，增加有效计数率；同时，塑料闪烁片的厚度不宜太厚，应保证尽可能多的正电子穿过闪烁片。
11.进一步地，所述正电子探测器由塑料闪烁片耦合快响应光电转换器组成，负责探测穿透样品且进入其中的正电子。
12.进一步地，所述塑料闪烁片的厚度取决于所选用放射源的正电子能量分布，应有足够的厚度保证正电子在塑料闪烁片中沉积足够的能量，相应产生足够多的荧光光子，使探测器信号幅度高于电子学噪声，满足入射正电子的完全探测，从而实现非样品中湮没事例的完全排除；同时，闪烁片厚度不宜太厚使得伽马光子的探测效率尽可能小，减少正电子湮没事例的错误排除。
13.本发明还提供一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置的测量方法，包括如下步骤：
14.步骤(1)测量时，将整个测量装置放置于暗室中以确保完全避光环境，排除外界可见光对探测器的影响；
15.步骤(2)所述正电子发射器对进入样品的正电子进行探测，正电子探测器对穿透样品的正电子进行探测，伽马探测器对正电子湮没后产生的0.511mev光子进行探测；正电子发射器探测到正电子后产生第一正电子信号，说明正电子进入样品；正电子探测器探测到正电子后产生第二正电子信号，说明正电子穿透样品；伽马探测器探测到湮没伽马光子后产生伽马信号；
16.步骤(3)信号采集模块对第一正电子信号、第二正电子信号和伽马信号进行采集，并将波形数据传输至数据处理模块进行处理；
17.步骤(4)数据处理模块对波形数据进行能量甄别、定时、湮没事例的判选以及寿命谱统计。
18.进一步地，所述步骤(4)中，对于第一正电子信号，能量阈值设置为电子学噪声水平，并生成起始定时信号；对于伽马信号，能量阈值设置为0.511mev伽马光子的光电峰，以提高时间测量精度，排除其他伽马背底干扰，并生成停止定时信号；在一定时间窗内，计算起始定时信号和停止定时信号的时间差，作为每个正电子湮没事例的寿命；对于第二正电子信号，能量阈值设置为电子学噪声水平，只要正电子探测器探测到第二正电子信号将输出判选信号，将该判选信号作为正电子湮没事例记录与否的判选依据；在无判选信号输出时，说明该事例为样品中一个有效的正电子湮没事例，将进行时间差计算；而当有判选信号输出时，说明该事例中正电子不在样品中湮没，时间差计算将被抑制，同时数据处理模块直接进入下一个事例的处理，从而排除非样品中的正电子湮没事例；最后，将对每个有效正电子湮没事例对应的时间差进行统计，经过足够事例积累，生成正电子湮没寿命谱。
19.有益效果：
20.(1)本发明对样品的厚度没有限制，满足薄膜样品的测量需求；对于厚度较大的样
品同样适用，这种情况下正电子无法穿透材料，正电子探测器无信号，所有有效事例将被完全探测。
21.(2)本发明适用于所有类型的正电子放射源(如
68
ge、
22
na)，正电子起始信号直接由正电子发射器内塑料闪烁片中正电子能损时产生的信号得到，扩宽了正电子湮没寿命测量的实验条件。
22.(3)本发明具有的非接触测量功能，既适用于对常规固体非沾染性的薄膜进行测量，对液体等沾染性的薄膜样品同样适用；同时，非接触测量功能还可实现在温度、磁场等特殊环境中样品的正电子湮没寿命测量。
附图说明
23.图1为本发明的用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置示意图；
24.图2为本发明的测量电路示意图；
25.图3为本发明的正电子发射器结构示意图；
26.图4为本发明的正电子探测器结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
28.本发明的用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置可甄别筛选出正电子仅在样品中的湮没事例，排除非样品中正电子湮没信息；该装置可直接检测正电子的产生时刻，不依赖于放射源的类型(如
68
ge、
22
na)；同时，本发明中放射源与被测样品分开设置，具有非接触测量的功能，可实现沾染性薄膜样品的测量，通过改变温度、磁场等外部条件可实现对样品测量环境的调节，也可设计探测器或样品平移装置，从而实现对样品不同位置的结构信息进行扫描测量。
29.如图1所示，本发明的用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置由正电子发射器、正电子探测器、伽马探测器组成。与传统“样品-放射源-样品”结构不同，本发明中，放射源放置于正电子发射器内，样品放置于正电子发射器和正电子探测器之间，伽马探测器围绕样品任意放置。测量时，当样品为非沾染性材料时，样品紧贴正电子发射器和正电子探测器放置。当样品为沾染性材料(如液体等)时，样品与正电子发射器和正电子探测器之间可设置一定的距离，实现对这些特殊样品的非接触测量。
30.由于放射源产生正电子的方向完全随机，朝全空间任意发射。一部分正电子从未进入样品，而是在正电子发射器中湮没。另一部分正电子进入样品，有可能在样品中湮没；若样品厚度较薄，部分正电子也将穿透样品在正电子探测器中湮没。针对不同类型的正电子，本发明的用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置工作时，正电子发射器负责对进入样品的正电子进行探测，正电子探测器对穿透样品的正电子进行探测。伽马探测器负责对正电子湮没后产生的0.511mev伽马光子进行探测。正电子在样品和其它非样品材料中湮没均会产生湮没伽马光子，而用来探测正电子湮没信息的伽马探测器无法分辨探测到的
湮没伽马光子是否来自样品，因此，测量时需对湮没事例进行筛选。此外，测量时，整个测量装置需放置于暗室中以确保完全避光环境，排除外界光线对探测器的影响。
31.为充分排除非样品中正电子湮没信息，而仅保留样品中正电子湮没成分，本发明设计的测量电路如图2所示。
32.正电子发射器探测到正电子后产生第一正电子信号，说明正电子进入了样品；正电子探测器探测到正电子后产生第二正电子信号，说明正电子穿透了样品；伽马探测器探测到湮没伽马光子后产生伽马信号。信号采集模块负责对第一正电子信号、第二正电子信号和伽马信号进行采集，并将波形数据传输至数据处理模块进行处理。
33.数据处理模块负责对波形数据进行能量甄别、定时、湮没事例的判选以及寿命谱统计。对于第一正电子信号，能量阈值设置为电子学噪声水平，既可实现对放射源发射的所有能量初始正电子进行充分探测，同时可避免电子学噪声的干扰；定时后相应生成起始定时信号。对于伽马信号，能量阈值设置为0.511mev伽马光子的光电峰，以提高时间测量精度，排除其他伽马背底干扰；定时后相应生成停止定时信号。在一定时间窗内(百纳秒量级)，计算起始定时信号和停止定时信号的时间差，作为每个正电子湮没事例的寿命。对于第二正电子信号，能量阈值设置为电子学噪声水平，只要正电子探测器探测到第二正电子信号将输出判选信号，将该判选信号作为正电子湮没事例记录与否的判选依据。在无判选信号输出时，说明该事例为样品中的一个有效正电子湮没事例，将进行时间差计算；而当有判选信号输出时，说明该事例中正电子不在样品中湮没，时间差计算将被抑制，同时数据处理模块直接进入下一个事例的处理，从而排除非样品中的正电子湮没事例。最后，将对每个有效正电子湮没事例对应的时间差进行统计，经过足够事例积累，生成正电子湮没寿命谱。
34.为保证正电子湮没寿命测量的精度，伽马探测器采用具有高时间分辨的闪烁体探测器，一般由时间性能较好的闪烁体(比如baf2、labr3、lyso等)和与之耦合的快响应光电转换器(如光电倍增管、硅光电倍增管等)组成。
35.如图3所示，正电子发射器由塑料闪烁片、快响应的光电转换器以及放射源组成。放射源放置于塑料闪烁片与快响应的光电转换器之间。正电子进入塑料闪烁片中沉积能量时，将产生荧光光子，通过光电转换器可将荧光转化为电信号输出至后端电路进行进一步处理。在塑料闪烁片上表面和侧面镀一层反射层(比如teflon、baso4)，通过反射层将荧光光子充分传递给光电转换器。正电子发射器所采用的塑料闪烁片的厚度应适宜，取决于所选用放射源的正电子能量分布。塑料闪烁片应有足够的厚度使正电子在塑料闪烁片中沉积足够的能量，相应产生足够多的荧光光子，使探测器信号幅度高于电子学噪声，增加有效计数率；同时，塑料闪烁片的厚度不宜太厚，应保证尽可能多的正电子穿过塑料闪烁片。
36.如图4所示，正电子探测器由塑料闪烁片耦合快响应光电转换器组成，负责探测穿透薄膜样品且进入其中的正电子。正电子探测器所采用塑料闪烁片的厚度应适宜，取决于所选用放射源的正电子能量分布。塑料闪烁片应有足够的厚度保证正电子在塑料闪烁片中沉积足够的能量，相应产生足够多的荧光光子，使探测器信号幅度高于电子学噪声，满足入射正电子的完全探测，从而实现非样品中湮没事例的完全排除；同时，闪烁片厚度不宜太厚使得伽马光子的探测效率尽可能小，减少正电子湮没事例的错误排除。
37.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：由正电子发射器、正电子探测器、伽马探测器组成；样品放置于正电子发射器和正电子探测器之间，伽马探测器围绕样品任意放置；测量时，当样品为非沾染性材料时，样品紧贴正电子发射器和正电子探测器放置；当样品为沾染性材料时，样品与正电子发射器和正电子探测器之间设置一定的距离，实现对样品的非接触测量；同时，非接触测量时通过改变包括温度、磁场的外部条件实现对样品测量环境的调节，或通过平移测量装置实现对样品的扫描测量。2.根据权利要求1所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：所述伽马探测器由具有高时间分辨的闪烁体和与之耦合的快响应光电转换器组成，所述闪烁体包括baf2、labr3或lyso，所述光电转换器包括光电倍增管或硅光电倍增管。3.根据权利要求1所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：所述正电子发射器由塑料闪烁片、快响应的光电转换器以及放射源组成；放射源放置于塑料闪烁片与快响应的光电转换器之间；正电子进入塑料闪烁片中沉积能量时，产生荧光光子，通过光电转换器将荧光转化为电信号输出至后端电路进行进一步处理。4.根据权利要求3所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：所述塑料闪烁片上表面和侧面设置一层反射层，通过反射层将荧光光子充分传递至光电转换器。5.根据权利要求3所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：所述塑料闪烁片的厚度取决于所选用放射源的正电子能量分布，其厚度使正电子在塑料闪烁片中沉积足够的能量，相应产生足够多的荧光光子，使探测器信号幅度高于电子学噪声，增加有效计数率；同时，塑料闪烁片的厚度保证尽可能多的正电子穿过闪烁片。6.根据权利要求1所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：所述正电子探测器由塑料闪烁片耦合快响应光电转换器组成，负责探测穿透样品且进入其中的正电子。7.根据权利要求6所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置，其特征在于：所述塑料闪烁片的厚度取决于所选用放射源的正电子能量分布，其厚度保证正电子在塑料闪烁片中沉积足够的能量，相应产生足够多的荧光光子，使探测器信号幅度高于电子学噪声，满足入射正电子的完全探测，从而实现非样品中湮没事例的完全排除；同时，闪烁片厚度使得伽马光子的探测效率尽可能小，减少正电子湮没事例的错误排除。8.根据权利要求1-7之一所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)测量时，将整个测量装置放置于暗室中以确保完全避光环境，排除外界可见光对探测器的影响；步骤(2)所述正电子发射器对进入样品的正电子进行探测，正电子探测器对穿透样品的正电子进行探测，伽马探测器对正电子湮没后产生的0.511mev光子进行探测；正电子发射器探测到正电子后产生第一正电子信号，说明正电子进入样品；正电子探测器探测到正电子后产生第二正电子信号，说明正电子穿透样品；伽马探测器探测到湮没伽马光子后产生伽马信号；步骤(3)信号采集模块对第一正电子信号、第二正电子信号和伽马信号进行采集，并将波形数据传输至数据处理模块进行处理；
步骤(4)数据处理模块对波形数据进行能量甄别、定时、湮没事例的判选以及寿命谱统计。9.根据权利要求1-7之一所述的一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对于第一正电子信号，能量阈值设置为电子学噪声水平，并生成起始定时信号；对于伽马信号，能量阈值设置为0.511mev伽马光子的光电峰，以提高时间测量精度，排除其他伽马背底干扰，并生成停止定时信号；在一定时间窗内，计算起始定时信号和停止定时信号的时间差，作为每个正电子湮没事例的寿命；对于第二正电子信号，能量阈值设置为电子学噪声水平，只要正电子探测器探测到第二正电子信号将输出判选信号，将该判选信号作为正电子湮没事例记录与否的判选依据；在无判选信号输出时，说明该事例为样品中一个有效的正电子湮没事例，将进行时间差计算；而当有判选信号输出时，说明该事例中正电子不在样品中湮没，时间差计算将被抑制，同时数据处理模块直接进入下一个事例的处理，从而排除非样品中的正电子湮没事例；最后，将对每个有效正电子湮没事例对应的时间差进行统计，经过足够事例积累，生成正电子湮没寿命谱。

技术总结
本发明公开一种用于薄膜样品表征的正电子湮没寿命测量装置及方法，装置由正电子发射器、正电子探测器、伽马探测器组成；样品放置于正电子发射器和正电子探测器之间。正电子发射器包含放射源并负责对进入样品的正电子进行探测，正电子探测器对穿透样品的正电子进行探测。伽马探测器负责对正电子湮没后产生的0.511MeV伽马光子进行探测。本发明可突破对测量样品厚度的限制，适用于所有类型的正电子放射源，充分拓宽了实验条件；同时非接触测量功能可拓展正电子湮没寿命测量方法在特殊样品和特殊环境测量中的应用。和特殊环境测量中的应用。和特殊环境测量中的应用。


技术研发人员：刘福雁 曹兴忠 张红强 王宝义 王冕 于润升 王英杰 况鹏 张鹏 魏龙
受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/1