專利名稱：用于正電子湮沒壽命譜儀的探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種正電子湮沒壽命譜儀(Positron Annihilation LifetimeSpectrometer)，特別涉及一種正電子湮沒壽命譜儀的探測器。
背景技術(shù)：
正電子是電子的反粒子，當(dāng)正電子與電子相遇時會發(fā)生湮沒，將全部質(zhì)量轉(zhuǎn)化成兩個能量為0.511MeV，方向相反的γ光子；正電子的湮沒壽命與材料中的電子濃度成反比，在完整晶格的金屬及合金中，正電子的湮沒壽命大約在100～250ps范圍，在材料的缺陷中正電子的湮沒壽命約在200～500ps范圍，稱為正電子的捕獲湮沒，正電子湮沒壽命隨缺陷的尺度的增大而變長，不同種類的缺陷有不同的正電子湮沒壽命，當(dāng)介質(zhì)中的缺陷濃度在增大時，正電子以捕獲態(tài)湮沒的概率也相應(yīng)增大，因而在壽命譜中相應(yīng)的捕獲態(tài)壽命成分的相對強度也就增大。因此，正電子湮沒壽命譜的測量，能提供有關(guān)材料的微觀結(jié)構(gòu)特別是微觀缺陷的信息，在材料科學(xué)研究中具有非常重要的地位。
測量正電子湮沒壽命譜的裝置叫正電子湮沒壽命譜儀，它一般由兩個閃爍體探測器和脈沖放大電路、定時電路、時間-幅度轉(zhuǎn)換電路以及脈沖幅度分析器等組成。兩個探測器分別稱為起始道探測器和停止道探測器；起始道探測器探測22Na正電子源產(chǎn)生的1.28MeV的γ射線作為正電子產(chǎn)生的時刻，停止道探測器探測正電子湮沒產(chǎn)生的0.511MeV的γ射線作為正電子“消亡”(即湮沒)的時刻，并通過上述電路，測量出它們的時間差，就得到了正電子的湮沒壽命。
傳統(tǒng)的正電子壽命譜儀中，起始道探測器1與停止道探測器2的結(jié)構(gòu)一般相同，都是由閃爍體3或閃爍體4、光電倍增管5和相應(yīng)的分壓電路6組成(如圖1所示)。閃爍體一般為圓柱形的BaF2(氟化鋇)晶體或塑料閃爍體。一般情況下，起始道探測器1與停止道探測器2以平行相對放置，待測樣品與正電子源置于兩個探測器之間。
時間分辨率是正電子湮沒壽命譜儀的一個重要性能指標(biāo)，它與探測器以及組成譜儀的電子學(xué)系統(tǒng)的性能是相關(guān)。研究表明，正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率與起始信號、停止信號的對應(yīng)的γ射線能量相關(guān)(參考文獻F.Becvar，J.Cizek，L.Lestak，I.Novotny，I.Prochazka and F.Sebesta，Ahigh-resolution BaF2 positron-lifetime spectrometer and experience with itslong-term exploitation，Nucl.Instr.and Meth.A 443(2000)557-577)，其公式為FWHM~(1Eγ1+α2Eγ2)---(1)]]>FWHM(Full Width of Half Maximum)為譜儀的時間分辨率，Eγ1和Eγ2分別為起始道和停止道信號對應(yīng)的γ射線的能量，α為標(biāo)志停止道探頭性能的一個參數(shù)。顯然，Eγ1和Eγ2值越大，F(xiàn)WHM值就越小，譜儀的時間分辨率就越好。
在如圖1所示的起始道探測器1與停止道探測器2相對放置的常規(guī)正電子壽命譜儀中，由于正電子湮沒時產(chǎn)生的兩個0.511MeV的γ射線的方向是相反的，也就是說，該起始道探測器1探測正電子產(chǎn)生時發(fā)出的1.28MeV的γ射線作為起始信號，而停止道探測器2只能探測正電子湮沒放出的兩個0.511MeV的γ射線中的一個作為停止信號。即，Eγ1和Eγ2分別為1.28MeV和0.511MeV，正電子湮沒時產(chǎn)生的兩個0.511MeV的γ射線的能量其中的一個0.511MeV的γ射線的能量就白白損失掉了，這樣Eγ2值較小，F(xiàn)WHM值就較大，譜儀的時間分辨率就差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種正電子湮沒壽命譜儀的探測器，通過對正電子湮沒壽命譜儀的探測器合理的設(shè)計，實現(xiàn)將正電子湮沒產(chǎn)生的兩個0.511MeVγ信號被停止道探測器2的晶體同時吸收，并加和成能量為1.02MeV的脈沖信號，作為停止道信號，根據(jù)公式(1)，與僅探測0.511MeVγ信號的探測方式比較，可以獲得優(yōu)于常規(guī)正電子湮沒壽命譜儀的時間分辨率和高的計數(shù)效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種正電子湮沒壽命譜儀的探測器，該正電子湮沒壽命譜儀包括兩個閃爍探測器；所述的兩個閃爍探測器分別為起始道探測器和停止道探測器，所述的起始道探測器與停止道探測器分別包括閃爍體、CF4(Teflon)薄膜、光電倍增管、相應(yīng)的高壓分壓電路和密封的外殼體；起始道探測器與停止道探測器的外殼體的形狀及尺寸相同，起始道探測器的閃爍體為第一閃爍體，停止道探測器的閃爍體為第二閃爍體，兩閃爍體的外形及尺寸相同，第一閃爍體與第二閃爍體分別放置于各自的光電倍增管的頂部；在停止道探測器的第二閃爍體晶體的中央，設(shè)有一阱，該阱為圓形，用于放置測量樣品與22Na正電子放射源，測量樣品時，探測正電子湮沒時放出的兩個0.511MeV的γ射線。
根據(jù)正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述的外殼體包括探頭帽，其位于所述外殼體的頂端，其設(shè)計形狀為斷錐狀，其內(nèi)置有所述第一閃爍體或所述第二閃爍體。
根據(jù)所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述的探頭帽斷錐狀的兩側(cè)面與頂面的延長線分別呈45度角。
根據(jù)所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述探頭帽內(nèi)置的所述的第一閃爍體和所述的第二閃爍體的各自的上部形狀為斷錐狀，下部形狀為圓柱狀；其中所述的第一閃爍體和所述的第二閃爍體各自上部的斷錐狀的兩側(cè)面與頂面的延長線分別呈45度角。
根據(jù)所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述的起始道探測器與所述的停止道探測器分別還包括第一絕緣固定環(huán)，其形狀上部為中空斷錐狀，下部為中空圓柱狀；所述第一絕緣固定環(huán)的上部位于所述的CF4薄膜與所述外殼體之間，用于固定所述的CF4薄膜；所述第一絕緣固定環(huán)的下部位于所述的光電倍增管與所述外殼體之間，用于固定所述的光電倍增管。
根據(jù)所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述的起始道探測器與所述的停止道探測器分別還包括第二絕緣固定環(huán)；所述第二絕緣固定環(huán)，其位于所述外殼體與所述光電倍增管之間；所述第二絕緣固定環(huán)與所述第一絕緣固定環(huán)間以一定的間隔設(shè)置。
根據(jù)所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述的起始道探測器與所述的停止道探測器分別還包括全封閉的金屬內(nèi)膽，其位于所述外殼體與所述的高壓分壓電路之間，用于避光和屏蔽電磁干擾。
根據(jù)所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，所述的CF4薄膜，其位于所述外殼體與所述的第一閃爍體或所述的第二閃爍體之間，其呈傘狀，用于封裝所述的第一閃爍體和所述的第二閃爍體。
從上述技術(shù)方案可以看到，本發(fā)明的優(yōu)點如下1)本發(fā)明采用阱式停止道探測器，將一般正電子壽命譜儀以0.511MeV的γ射線作為停止信號的方案改為以雙0.511MeVγ射線的加和信號，即1.02MeV的信號作為停止信號，提高了停止信號的能量，有利于改進時間分辨率；2)晶體具有45度的倒角，在探測器頂部的外形為斷錐形的情況下，晶體與外殼能緊密相接，有利于提高探測效率；3)在探測內(nèi)部，設(shè)計有特殊形狀的絕緣固定環(huán)，可以在固定晶體與光電倍增管的同時，實現(xiàn)對晶體進行傘狀封裝，改善了閃爍光的收集效果，因而有利于提高時間分辨率；4)探測的底部設(shè)計有金屬內(nèi)膽，將分壓電路置于金屬內(nèi)膽中，有利于避光和減少電磁干擾。


圖1為常規(guī)正電子壽命譜儀探測器的放置位置示意圖；圖2為本發(fā)明的起始道探測器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的停止道探測器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a為本發(fā)明所用的起始道探測器閃爍體側(cè)視圖；圖4b為本發(fā)明所用的起始道探測器閃爍體俯視圖；圖5a為本發(fā)明所用的停止道探測器閃爍體側(cè)視圖；圖5b為本發(fā)明所用的停止道探測器閃爍體俯視圖；圖6為本發(fā)明的實施例樣品與放射源放置在停止道探測器的阱中的示意圖；圖7為正電子湮沒壽命譜儀的原理框圖；圖8為起始道和終止道能譜圖；
圖9為實施例正電子湮沒壽命譜儀采用60Co放射源測得的時間分辨曲線；圖10為實施例正電子在Ni(退火后)中的湮沒壽命譜。
其中，附圖標(biāo)記說明如下1 起始道探測器2 停止道探測器3 第一閃爍體4 第二閃爍體5 光電倍增管6 高壓分壓電路7 阱10 外殼體11 探頭帽12 探測器外筒13 探測器底座14a第一絕緣的固定環(huán)14b第二絕緣的固定環(huán)15 全封閉的金屬內(nèi)膽16 CF4薄膜20 樣品與放射源具體實施方式
本發(fā)明為一種正電子湮沒壽命譜儀的探測器，該正電子湮沒壽命譜儀包括兩個閃爍探測器；兩個閃爍探測器分別為起始道探測器1和停止道探測器2，請參閱圖2和圖3，圖2為本發(fā)明的起始道探測器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的停止道探測器結(jié)構(gòu)示意圖；起始道探測器1與停止道探測器2分別包括第一閃爍體3和第二閃爍體4，起始道探測器1與停止道探測器2同時還分別包括CF4薄膜16、光電倍增管5、相應(yīng)的高壓分壓電路6和外殼體10。
本發(fā)明采用阱式停止道探測器2，即在所述的停止道探測器2的第二閃爍體4中央有一圓形阱7，用于測量樣品時放置樣品與22Na正電子放射源20；這樣結(jié)構(gòu)能將一般正電子壽命譜儀以0.511MeV的伽馬射線作為停止信號的方案改為以雙0.511MeV伽馬射線的加和信號，即1.02MeV的信號作為停止信號，有利于改進時間分辨能力。
起始道探測器1與停止道探測器2的外殼體10的形狀及尺寸相同，外殼體10包括探頭帽11，其位于外殼體10的頂端，其設(shè)計形狀為斷錐狀，兩側(cè)面與頂面的延長線分別呈45度角，其內(nèi)部空間用于容置第一閃爍體3或第二閃爍體4；探測器外筒12，其位于外殼體10的中部，其內(nèi)部空間用于容置光電倍增管5；探測器底座13，其位于外殼體10的底部，其內(nèi)部空間用于容置高壓分壓電路6。
請參閱圖4a、4b和圖5a、5b，圖4a為本發(fā)明所用的起始道探測器閃爍體側(cè)視圖；圖4b為本發(fā)明所用的起始道探測器閃爍體附視圖；圖5a為本發(fā)明所用的停止道探測器閃爍體側(cè)視圖；圖5b為本發(fā)明所用的停止道探測器閃爍體附視圖；從圖上述圖中，我們可以看到，探頭帽11內(nèi)置的第一閃爍體3或第二閃爍體4，其各自的上部形狀為斷錐狀，下部形狀為圓柱狀；本實施例中，第一閃爍體3和第二閃爍體4各自上部的斷錐狀的兩側(cè)面與頂面的延長線分別呈45度角，并且第二閃爍體4中央有一圓形阱7。
第一閃爍體3和第二閃爍體4的上部的斷錐狀與探頭帽11內(nèi)壁精密相接觸，有利于探測效率的提高。
起始道探測器1與停止道探測器2分別還包括第一絕緣固定環(huán)14a，其形狀上部為中空斷錐狀，下部為中空圓柱狀；第一絕緣固定環(huán)14a的上部分別位于CF4薄膜16與外殼體10之間，用于固定CF4薄膜16；第一絕緣固定環(huán)14a的下部位于光電倍增管5與外殼體10之間，用于固定光電倍增管5；起始道探測器1與所述的停止道探測器2分別還包括第二絕緣固定環(huán)14b；第二絕緣固定環(huán)14b，其位于外殼體10與光電倍增管5之間；第二絕緣固定環(huán)14b與第一絕緣固定環(huán)14a間以一定的間隔設(shè)置。
起始道探測器1與停止道探測器2分別還包括全封閉的金屬內(nèi)膽15，其位于探測器底座13與高壓分壓電路6之間，可以起到避光作用，同時可以起到屏蔽電磁干擾的作用。
起始道探測器1與停止道探測器2分別還包括的CF4薄膜16，其位于外殼體10與第一閃爍體3或第二閃爍體4之間，其呈傘狀，用于封裝第一閃爍體3和第二閃爍體4，實現(xiàn)對閃爍體進行傘狀封裝，改善閃爍光的收集效果，因而有利于提高時間分辨率。
請參閱圖6，圖6為本發(fā)明的實施例樣品與放射源放置在停止道探測器的阱中的示意圖。如圖6所示，起始道探測器1與所述的停止道探測器2以平行相對的位置放置。
本實施例中，使用了本發(fā)明所述的起始道探測器1與停止道探測器2。兩個探測器中的閃爍體采用BaF2晶體，光電倍增管采用Hamamatsu R3377。實驗中使用了三種尺寸的晶體，分別為φ30×1mm，φ30×20mm和φ40×30mm。晶體和光電倍增管之間DC200硅油耦合，停止道使用阱式晶體，停止道探測器晶體上的阱的直徑是10mm，測量時，22Na源和樣品20置于晶體中心，正電子湮沒放出兩條0.511MeVγ射線能同時被BaF2晶體吸收(圖6)。
請參閱圖7，圖7為正電子湮沒壽命譜儀的原理框圖。譜儀采用快、慢符合方式。起始和停止探測器水平相對放置，中間插入6mm厚的W-Cu合金以減弱散射射線的影響?？斓烙珊惚榷〞r甄別器ORTEC935、延時器以及時幅轉(zhuǎn)換器ORTEC567組成。起始道的快信號由起始探測器的光電倍增管陽極引出，經(jīng)過劈裂器(ORTEC MT050)分為兩路，分別進入ORTEC935的第一道和第二道，其中第一道輸出作為時幅轉(zhuǎn)換器的起始信號(Start Input)，而第二道的輸出則作為時幅轉(zhuǎn)換器的停止門(Stop Gate)信號。停止道探測器的陽極信號也使用劈裂器分為兩路，分別進入ORTEC935的第三道和第四道，第三道的輸出作為時幅轉(zhuǎn)換器的停止信號(Stop Input)，而第四道的輸出作為時幅轉(zhuǎn)換器的起始門(Start Gate)信號。
慢道由放大器ORTEC460、定時單道分析器ORTEC551以及符合電路ORTEC414A組成。起始道和終止道的慢信號都是由探測器的一個打拿極引出，經(jīng)過放大器放大后，再由定時單道分析器進行能量選擇，經(jīng)過符合電路，作為時幅轉(zhuǎn)換器的外部選通信號。
選擇光電倍增管Hamamatsu R3377工作電壓為-2.85kV。ORTEC935使用1.0ns的外部延時。
請參閱圖8，圖8所示為起始道和停止道能譜圖；圖8中的a曲線和圖8中的b曲線分別是起始道和停止道的慢道能譜，起始道中有0.511MeV和1.276MeV兩個譜峰，而在停止道能譜中，除了0.511MeV和1.276MeV兩個峰之外，還有一個1.02MeV的峰，這就是兩個0.511MeVγ射線的加合。
測量中，我們使用了窄能窗、寬能窗兩種條件并和常規(guī)的22Na窗的測量進行了比較，表1中列出了三種能窗的能量選擇范圍。
表1不同能窗方式的能量選擇范圍

在窄能窗、寬能窗兩種條件并和常規(guī)的22Na窗幾種情況下。使用60Co源測量譜儀的時間分辨率，使用22Na源測量譜儀的計數(shù)效率，測量結(jié)果列于表2。請參閱圖9，圖9為實施例正電子湮沒壽命譜儀采用60Co放射源測得的時間分辨曲線；；可以看到，在使用較小的晶體(φ30×10)時，最好可以獲得FWHN＝107.5ps的時間分辨率(分辨曲線見圖8)，但是計數(shù)效率較低；在使用較大的晶體(φ40×30)時，最大可以獲得34cps/μCi的計數(shù)率(在22Na能窗下可到54cps/μCi)，時間分辨FWHM＝145ps。
表2實施例中得到的時間分辨和計數(shù)率

請參閱圖10，圖10為實施例正電子在退火的純金屬Ni的正電子湮沒壽命譜。其給出施測正電子在純Ni中的湮沒壽命譜，所使用BaF2晶體尺寸為φ30×20mm，窄能窗下時間分辨FWHM＝117.6ps(見表2)，以此時間分辨率，采用positronfit解譜程序按兩成分擬合解譜，得第一壽命τ1＝105.1±0.4ps，強度I1＝96.8％，認為是正電子在金屬Ni中的湮沒壽命；第二壽命τ2＝369.5±16.0ps，強度I2＝3.2％，為源成分；解譜擬合方差x2＝1.001。
以上所述，僅為本發(fā)明中的較佳實施例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其包括起始道探測器(1)和停止道探測器(2)，所述的起始道探測器(1)包括第一閃爍體(3)、CF4薄膜(16)、光電倍增管(5)、相應(yīng)的高壓分壓電路(6)和外殼體(10)；所述的停止道探測器(2)包括第二閃爍體(4)、CF4薄膜(16)、光電倍增管(5)、相應(yīng)的高壓分壓電路(6)和外殼體(10)；所述的起始道探測器(1)與所述的停止道探測器(2)的外殼體(10)的形狀及尺寸相同，第一閃爍體(3)與第二閃爍體(4)的外形及尺寸相同，所述第一閃爍體(3)與第二閃爍體(4)放置于所述光電倍增管(5)的頂部；其特征在于在所述的停止道探測器(2)的第二閃爍體(4)中央，設(shè)有一阱(7)，用于放置測量樣品與22Na正電子放射源(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的阱(7)為圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的外殼體(10)包括探頭帽(11)，其位于所述外殼體(10)的頂端，其設(shè)計形狀為斷錐狀，其內(nèi)置有所述第一閃爍體(3)或所述第二閃爍體(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的探頭帽(11)斷錐狀的兩側(cè)面與頂面的延長線分別呈45度角。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述探頭帽(11)內(nèi)置的所述的第一閃爍體(3)和所述的第二閃爍體(4)的各自的上部形狀為斷錐狀，下部形狀為圓柱狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述探頭帽(11)內(nèi)置的所述的第一閃爍體(3)和所述的第二閃爍體(4)的各自的上部形狀為斷錐狀，下部形狀為圓柱狀；其中所述的第一閃爍體(3)和所述的第二閃爍體(4)各自上部的斷錐狀的兩側(cè)面與頂面的延長線分別呈45度角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的起始道探測器(1)與所述的停止道探測器(2)分別還包括第一絕緣固定環(huán)(14a)，其形狀上部為中空斷錐狀，下部為中空圓柱狀；所述第一絕緣固定環(huán)(14a)的上部分別位于所述的CF4薄膜(16)與所述外殼體(10)之間，用于固定所述的CF4薄膜(16)；所述第一絕緣固定環(huán)(14a)的下部位于所述的光電倍增管(5)與所述外殼體(10)之間，用于固定所述的光電倍增管(5)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的起始道探測器(1)與所述的停止道探測器(2)分別還包括第二絕緣固定環(huán)(14b)；所述第二絕緣固定環(huán)(14b)，其位于所述外殼體(10)與所述光電倍增管(5)之間；所述第二絕緣固定環(huán)(14b)與所述第一絕緣固定環(huán)(14a)間以一定的間隔設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的起始道探測器(1)與所述的停止道探測器(2)分別還包括全封閉的金屬內(nèi)膽(15)，其位于所述外殼體(10)與所述的高壓分壓電路(6)之間，用于避光和屏蔽電磁干擾。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正電子湮沒壽命譜儀的探測器，其特征在于所述的CF4薄膜(16)，其位于所述外殼體(10)與所述的第一閃爍體(3)或所述的第二閃爍體(4)之間，其呈傘狀，用于封裝所述的第一閃爍體(3)和所述的第二閃爍體(4)。
全文摘要
一種用于正電子湮沒壽命譜儀的探測器，該正電子湮沒壽命譜儀包括起始道探測器和停止道探測器，與常規(guī)的正電子壽命譜儀與停止道采用相同的探測器不同，本發(fā)明采用了與起始道探測器不同的停止道探測器，在停止道探測器的閃爍體中央，有一圓形阱，放置測量樣品與
文檔編號G01N33/00GK1737550SQ20051009989
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者章志明, 王寶義, 馬創(chuàng)新, 周春蘭, 張?zhí)毂? 魏龍, 任紹霞 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所