阅读说明：本技术 一种数字化反符合多路互为起始正电子湮没寿命谱仪 (Digitized anti-coincidence multi-path interaction-starting positron annihilation life spectrometer ) 是由 董赟 赵秋贺 叶邦角 刘建党 张宏俊 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种数字化反符合多路互为起始正电子湮没寿命谱仪,包括：多路闪烁体探测模块、数字化信号采集模块、计算机终端、样品结构单元；所述多路闪烁体探测模块：包括一路反符合探测器和三路互为起始的符合探测器,都使用光电倍增管和闪烁体；其中,所述一路反符合探测器,采用一个塑料闪烁体用硅油耦合一个光电倍增管PMT0,在所述闪烁体上设置样品结构单元；所述反符合探测器用于探测正电子信号；所述三路互为起始的符合探测器结构相同,均采用1个闪烁体耦合1个光电倍增管作为符合探测器,且三者互为直角放置,光电倍增管PMT1-3每一个均能探测起始或终止γ光子信号；使用数字采集卡采集信号由计算机终端在线处理信号得到正确的寿命谱。(The invention relates to a digitalized anti-coincidence multi-path interaction-initial positron annihilation life spectrometer, which comprises: the device comprises a multi-path scintillator detection module, a digital signal acquisition module, a computer terminal and a sample structure unit; the multi-path scintillator detection module: the device comprises a one-way anti-coincidence detector and three-way mutual-starting coincidence detectors, wherein both the one-way anti-coincidence detector and the three-way mutual-starting coincidence detector use a photomultiplier tube and a scintillator; the anti-coincidence detector adopts a plastic scintillator and is coupled with a photomultiplier PMT0 by silicon oil, and a sample structure unit is arranged on the scintillator; the anti-coincidence detector is used for detecting a positron signal; the three paths of mutually-started coincidence detectors have the same structure, 1 scintillator is coupled with 1 photomultiplier tube to serve as the coincidence detector, the three paths of mutually-started coincidence detectors are arranged at right angles, and each photomultiplier tube PMT1-3 can detect a start gamma photon signal or an end gamma photon signal; the digital acquisition card is used for acquiring signals, and the computer terminal processes the signals on line to obtain a correct life spectrum.)

一种数字化反符合多路互为起始正电子湮没寿命谱仪

技术领域

本发明涉及正电子湮没寿命谱仪的技术领域，特别涉及反符合和多路互为起始符合技术。

背景技术

正电子湮没寿命是指从正电子产生到与电子发生湮没所经历的时间。其寿命长短与物质中的电子密度分布有着直接联系。当物质中有缺陷时，正电子在缺陷处的湮没寿命会发生改变，因此正电子湮没寿命谱对缺陷十分敏感。通过正电子湮没寿命谱的测量能够得知缺陷的种类和尺寸信息。正电子湮没寿命谱作为一种无损的表征手段，在材料科学中得到了广泛应用。

常规的正电子湮没寿命谱仪是由闪烁晶体、光电倍增管、高压、恒比定时甄别器、快符合电路、延时器、时间-幅度转换器、NIM机箱、多道分析器、计算机组成。放射源通常是以Kapton膜密封的²²Na，并与待测样品形成“样品-源-样品”的三明治结构。

使用两个闪烁体探测器，分别探测²²Na衰变释放的1.275MeV的γ光子作为起始信号，以及正电子在材料中湮没形成的511keV的γ光子作为终止信号。闪烁体探测到γ射线后，经过光电倍增管产生电信号，脉冲电信号进入恒比定时甄别器，恒比定时甄别器一方面对输入信号进行幅度甄别，另一方面对输入信号幅度上下阈值进行判选，输出一个由恒比定时方法确定的标准信号。然后在恒比定时甄别器中分成两路标准输出信号：一路输出信号用于快符合以触发门信号，另一路输出信号经时间延迟后进入时间-幅度转换器。当快符合输出门信号给时间-幅度转换器后，两路标准信号的时间-幅度转换器将时间差转换成与幅度成正比的信号，由模数转换器或者多道进行幅度甄别从而将幅度信号转化为数值文件存储起来，最终将大量这样的事件累积起来所得到的谱就是正电子湮没寿命谱。

常规正电子湮没寿命谱仪存在计数率低采集时间长，插件繁多设备成本高，每次测试一般需要“样品-源-样品”的三明治结构，即需要两片相同的样品等苛刻的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字化反符合多路互为起始正电子湮没寿命谱仪，在基本不影响时间分辨的前提下大幅度提高谱仪计数率，缩短测量的时间；简化谱仪装置，降低设备成本；使用单边样品，降低样品制备条件。

一种数字化反符合多路互为起始正电子湮没寿命谱仪，包括：多路闪烁体探测模块、数字化信号采集模块、计算机终端、样品结构单元；

所述多路闪烁体探测模块：包括一路反符合探测器和三路互为起始的符合探测器，都使用光电倍增管和闪烁体；

其中，所述一路反符合探测器，采用一个塑料闪烁体用硅油耦合一个光电倍增管PMT0，在所述闪烁体上设置样品结构单元；所述反符合探测器用于探测正电子信号；

所述三路互为起始的符合探测器结构相同，均采用1个闪烁体耦合1个光电倍增管PMT1～PMT3作为符合探测器，且三者互为直角放置，每一个探测器均由高压电源提供工作电压，光电倍增管PMT1、光电倍增管PMT2、光电倍增管PMT3每一个均能探测起始或终止γ光子信号，光电倍增管PMT0仅用于探测正电子信号；

使用数字采集卡采集上述多路多路闪烁体探测模块探测的信号并由计算机终端处理得到正确的寿命谱。

进一步的，三路互为起始的符合探测器在三维空间中立体分布，互为直角每个探测器均可探测湮没事件的起始和终止信号，提升计数率。

进一步的，所述样品结构单元与反符合探测器紧邻，包括闪烁体、放射源和样品，三者构成闪烁体-放射源-样品的夹心结构，所述样品结构单元通过闪烁体与光电倍增管耦合。

进一步的，所述计算机终端程序用于能谱采集、常规寿命谱采集、互为起始寿命谱采集以及反符合寿命谱采集。

进一步的，多路探测器的每一路既可探测起始信号又可探测终止信号，将探测到的γ光子信号通过光电倍增管转换为电信号然后通过同轴线缆输入数字采集模块中，设置触发逻辑和符合时间窗口，选取20ns的时间窗，符合逻辑是当任意闪烁体通道探测到1.275MeV的γ光子，在20ns内另一闪烁体通道探测到511keV的γ光子且未探测到正电子信号，即为一个有效事件，此事件会按照预定的数据格式被记录。

进一步的，符合事件通过拟合或插值对信号前沿进行定时确定时间差提高定时精度，累计时间差成直方图即可得到寿命谱。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明降低测试条件要求和样品制备成本，利用反符合技术，降低了测试条件。用于测试的样品需求量减半，对于一些制备困难的样品十分友好。

(2)利用多路互为起始符合技术，在保持其余性能不变的前提下覆盖更大立体角，并使计数率大幅提高，大大减少测试时间，可应用于需要快速测量的场景。

(3)电子学模块结构简单化，集成度高，可在线更新逻辑便于数据处理和功能改良，方便维护和升级。

附图说明

图1.反符合多路互为起始正电子湮没寿命谱仪示意图；

图2.反符合探测器测量的正电子能谱；

图3.反符合前后的寿命谱；

图4.样品结构单元示意图。

具体实施例

下面将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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的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包括：多路闪烁体探测模块、数字化信号采集模块、计算机终端、样品结构单元；

所述多路闪烁体探测模块：包括一路反符合探测器和多路互为起始的符合探测器，都使用光电倍增管和闪烁体。

利用高压电源为每个光电倍增管提供高压。

所述一路反符合探测器用于探测正电子信号，多路互为起始探测器用于探测正电子湮没事件产生的γ信号。

如图1所示，本发明所述的正电子湮没寿命谱仪，采用一个塑料闪烁体用硅油耦合一个光电倍增管(PMT)作为反符合探测器，在闪烁体上放置放射源和单个样品(图中PMT0及一端的六角星标记)形成样品结构单元；如图4所示样品结构单元，其中闪烁体1、放射源2和样品3，三者构成“闪烁体-放射源-样品”的夹心结构，此样品结构单元通过闪烁体与光电倍增管耦合。

另外3个闪烁体耦合3个光电倍增管作为符合探测器互为直角放置(图中PMT1、PMT2和PMT3，在空间中形成立体角，四面体锥形结构)，此四个探测器尽量靠近，每一个探测器均有一个高压电源(HV)提供高压；PMT1、PMT2、PMT3每一个均可以探测起始或终止γ光子信号，PMT0仅用于探测正电子信号。

使用数字采集卡采集多路闪烁体探测模块输出的信号，通过计算机终端在线处理信号得到正确的寿命谱。

利用本发明的正电子湮没寿命谱仪，时间分辨能力与常规谱仪相同，计数率达到常规寿命谱仪(双探头)的5倍左右。

本发明的装置原理如下：首先，正电子源(²²Na)发生β⁺衰变，产生正电子并伴随发射1.275MeV的γ光子。一方面正电子入射到样品中后与样品中的电子发生湮没，产生一对511keV的γ光子，γ光子在晶体中沉积能量产生的闪烁光被耦合的光电倍增管接收，产生光电信号。另一方面，正电子未与材料湮没反向进入闪烁体并沉积能量被耦合的光电倍增管接收。

图2为反符合探测器探测到的正电子能谱。

多路探测器的每一路既可探测起始信号又可探测终止信号，将探测到的γ光子信号通过光电倍增管转换为电信号然后通过同轴线缆输入高带宽高采样率的数字采集模块中，设置触发逻辑和符合时间窗口，选取20ns的时间窗，符合逻辑是当任意闪烁体通道探测到1.275MeV的γ光子，在20ns内另一任意闪烁体通道探测到511keV的γ光子且未探测到正电子信号，即为一个有效事件，此事件会按照一定的数据格式被记录。

符合事件通过拟合或插值对信号前沿进行定时确定时间差提高定时精度，累计时间差成直方图即可得到寿命谱。

图3为钇稳定氧化锆(YSZ)的单片样品测量结果，使用反符合和未使用反符合的寿命谱的谱型分别使用圆点和直线绘制。未使用反符合的寿命谱的错误事例多，谱形错误明显；而使用反符合的寿命谱测量结果完全正确。

本发明实例中采用多路互为起始的设计增大了探测的立体角，记录了常规谱仪未能记录的符合事件；使用单片样品，并用反符合的方式去掉偶然符合事件，降低样品制备要求；在时间分辨率和不变的情况下极大地提高了计数率，有效地缩短了测量时间；大大简化了设备，降低了设备成本。

尽管上面对本发明说明性的

具体实施方式

进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。