一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统及测量方法与流程

本发明属于核技术应用领域，尤其涉及一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统及测量方法。

背景技术：

正电子湮没技术(Positron Annihilation Technique，PAT)，是一项较新的核物理技术，它利用正电子在凝聚物质中的湮没辐射带出物质内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态等信息，从而提供一种非破坏性的研究手段而备受人们青睐。现在正电子湮没技术已经进入固体物理、半导体物理、金属物理、原子物理、表面物理、超导物理、生物学、化学和医学诸多领域。特别是材料科学研究中，正电子对微观缺陷研究和相变研究正发挥着日益重大的作用。

正电子是电子的反粒子，除所带电荷与电子相等，符号相反外，其他特性均与电子相同。正电子进入物质后遇到电子会发生湮没，同时放出两个或三个伽马光子。常用正电子源通常是贝塔衰变的放射性同位素，如²²Na、⁶⁸Ge等。从放射源发射的正电子进入固体材料后，首先将在约3ps内通过与物质中原子的各种飞弹性散射作用(如电子电离、等离子激发、正电子-电子碰撞、正电子-声子相互作用等元激发过程)迅速损失能量并慢化至热能(～0.025eV)。正电子在固体中的注入深度有一个分布，实验得到的经验公式为p(x)＝αexp(-αx)，正电子射程式中ρ为固体的密度，E_max为入射正电子最大能量。对于²²Na放射源，E_max＝0.545MeV，正电子在固体中的注入深度一般不超过1mm。对于⁶⁸Ge放射源，E_max＝1.90MeV，正电子在固体中的注入深度一般不超过5mm。正电子在固体中发生湮没时，主要是发射两个光子，方向几乎相反。由于正电子-电子对具有动量，它会引起湮没辐射能量的多普勒移动，反映了物质中的动量密度分布。

多普勒展宽测量是比较常见的一种正电子湮没实验手段，即测量正电子在固体中湮没辐射的γ光子的能谱。我们常用线性参数法来分析多普勒展宽谱的变化，常用的有S参数和W参数。S参数反映低动量电子即价电子或者传导电子的动量信息，而W参数反映了高动量电子即芯电子的动量信息。单探头多普勒展宽测量使用一个高能量分辨率的高纯锗探测器，所测得的谱一般具有很高的本底。其峰计数与高能端本底之比高达150:1，在低能端的本底更高。多普勒展宽的细微变化通常被过高的本底所掩盖，很难研究核芯电子的动量分布。因此发展了双探头多普勒展宽技术，使用两个高纯锗探测器呈180度反向放置，可以将峰对本底之比提高2到3个数量级，并且提高了能量分辨率，可以用来鉴别元素，但是计数率较低，测量时间较长。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种实现待测样品的多普勒展宽深度分布测量自动控制，且增加了符合系统的低本底多普勒展宽深度分布测量系统。获取待测样品中不同深度的低本底的正电子湮没的多普勒展宽能谱，利用多普勒参数研究物质内部缺陷的深度分布信息。

本发明的另一目的是提供一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统的测量方法。

为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统，包括放置在水平电动平台上的参考样品、放射源和待测样品；碘化钠探测器、第一放大器、第一单道分析器，高纯锗探测器、第二放大器、第二单道分析器、前置放大器、第三放大器、模数转换器、多道分析器、计算机；还包括符合器和W-Cu准直器；

碘化钠探测器位于待测样品的一侧，与第一放大器和第一单道分析器相连；用于接收正电子在待测样品中湮灭产生的γ光子，产生脉冲信号I，输出到第一放大器；第一放大器将接收到的脉冲信号I放大后，输出到所述第一单道分析器；

第一单道分析器与符合器相连，第一单道分析器将接收到的脉冲信号I进行能量选择后输出到符合器；

W-Cu准直器位于待测样品的另一侧；高纯锗探测器位于W-Cu准直器的后方，分别与第二放大器和前置放大器相连，用于接收从狭缝里射出的γ光子，产生相应脉冲信号II，分别输出到前置放大器和第二放大器；

第二放大器与第二单道分析器相连，第二放大器将接收到的脉冲信号II放大后，输出到第二单道分析器；

前置放大器依次与第三放大器和模数转换器相连，脉冲信号II依次通过前置放大器和第三放大器放大后，输出到模数转换器；

第二单道分析器与符合器相连，第二单道分析器将接收到的脉冲信号II进行能量选择后，输出到符合器；

符合器依次与模数转换器和多道分析器相连，多道分析器与计算机相连；符合器输出门信号到模数转换器，模数转换器输出数字信号到多道分析器和计算机；

计算机连接水平电动平台，用于接收多道分析器的信号和控制水平电动平台的水平移动。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，W-Cu准直器的狭缝宽度为80μm至150μm。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，放射源夹在参考样品和待测样品之间；放射源采用⁶⁸Ge，E_max＝1.90MeV，正电子在固体中的注入深度不超过5mm；放射源由kapton高分子膜所包裹。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，待测样品深度测量范围控制在0-2000μm；待测样品若为高分子材料，则深度测量范围控制在0-5000μm。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，碘化钠探测器使用碘化钠闪烁体。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，水平电动平台包括样品台、可控制的水平电动旋钮和底座；计算机控制水平电动旋钮，使样品台在水平方向移动。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，γ光子能量为0.511MeV。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统中，脉冲信号I、脉冲信号II为均由能量为0.511MeV的γ光子产生的脉冲信号。

为实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案是：一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统的测量方法，该方法包括：

根据所需测量精度和高纯锗探测的计数率来确定W-Cu准直器的狭缝调节宽度；

将待测样品固定在水平电动平台上，调节高度至合适位置，通过计算机控制水平电动平台的水平移动；深度测量范围控制在0-2000μm，对高分子材料而言，深度测量范围可控制在0-5000μm；

正电子在待测样品中湮没时，相反方向发射出两个γ光子，其中一个γ光子通过碘化钠探测器接收并产生相应脉冲信号I，由第一放大器放大，经过第一单道分析器筛选，输出到符合器；另一个γ光子通过高纯锗探测器接收并产生相应脉冲信号II，经第二放大器放大，再经过第二单道分析器筛选出来，输出到符合器；

当脉冲信号I、脉冲信号II同时到达符合器时，符合器则输出有效门信号到模数转换器；

高纯锗探测器接收并产生的脉冲信号II通过前置放大器和第三放大器放大后，输出到模数转换器；

当接收到符合器的有效门信号时，模数转换器则输出信号到多道分析器；

多道分析器将数模转换器输入的信号计数至不同的道址，并在以道址或能量为横坐标、每个道址中的计数为纵坐标的坐标系中，得到多普勒展宽谱；

计算机利用软件收集多普勒展宽谱的数据，并通过对水平电动平台的控制，得到样品不同深度处的多普勒参数信息。

在上述的低本底多普勒展宽深度分布测量系统的测量方法中，γ光子能量为0.511MeV，第一单道分析器和第二单道分析器均选择由能量为0.511MeV的γ光子所产生的脉冲信号，分别输出到符合器进行符合。

综上所述，一方面，由于正电子在待测样品中湮没时产生两个γ光子，且几乎相反方向发射，该系统将碘化钠探测器接收到γ光子而输出的脉冲信号与高纯锗探测器接收到γ光子而输出的脉冲信号，通过符合器符合后，才输出有效门信号对模数转换器进行选通，使真正在待测样品中湮没的γ光子信号被记录下来，剔除了一些不在待测样品中湮没的γ光子信号，可以把多普勒展宽谱的峰顶与本底的计数比提高一个数量级。另一方面，通过计算机控制水平电动平台，收集待测样品从表面到体内不同深度的多普勒展宽谱，提供了待测样品缺陷深度分布信息。

本发明的有益效果是：实现了对待测样品的多普勒展宽深度分布测量的自动控制，并且在此基础上增加了符合系统，将测得的多普勒展宽谱的峰顶与本底的计数比提高一个数量级，有效降低了本底。

附图说明

图1为本发明一个实施例低本底多普勒展宽深度分布测量系统的示意图；

其中，1-水平电动平台、2-参考样品、3-放射源、4-待测样品、5-多道分析器、6-计算机、11-碘化钠探测器、12-第一放大器、13-第一单道分析器、14-W-Cu准直器、15-高纯锗探测器、16-第二放大器、17-第二单道分析器、18-符合器、21-前置放大器、22-第三放大器、23-模数转换器；

图2为本发明一个实施例水平电动平台的示意图；

其中，41-样品台、42-水平电动旋钮、43-底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用以下技术方案：一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统，包括放置在水平电动平台上的参考样品、放射源和待测样品；碘化钠探测器、第一放大器、第一单道分析器，高纯锗探测器、第二放大器、第二单道分析器、前置放大器、第三放大器、模数转换器、多道分析器、计算机；还包括符合器和W-Cu准直器；

碘化钠探测器位于待测样品的一侧，与第一放大器和第一单道分析器相连；用于接收正电子在待测样品中湮灭产生的γ光子，产生脉冲信号I，输出到第一放大器；第一放大器将接收到的脉冲信号I放大后，输出到所述第一单道分析器；

第一单道分析器与符合器相连，第一单道分析器将接收到的脉冲信号I进行能量选择后输出到符合器；

W-Cu准直器位于待测样品的另一侧；高纯锗探测器位于W-Cu准直器的后方，分别与第二放大器和前置放大器相连，用于接收从狭缝里射出的γ光子，产生相应脉冲信号II，分别输出到前置放大器和第二放大器；

第二放大器与第二单道分析器相连，第二放大器将接收到的脉冲信号II放大后，输出到第二单道分析器；

前置放大器依次与第三放大器和模数转换器相连，脉冲信号II依次通过前置放大器和第三放大器放大后，输出到模数转换器；

第二单道分析器与符合器相连，第二单道分析器将接收到的脉冲信号II进行能量选择后，输出到符合器；

符合器依次与模数转换器和多道分析器相连，多道分析器与计算机相连；符合器输出门信号到模数转换器，模数转换器输出数字信号到多道分析器和计算机；

计算机连接水平电动平台，用于接收多道分析器的信号和控制水平电动平台的水平移动。

进一步，W-Cu准直器的狭缝宽度为80μm至150μm。

进一步，放射源夹在参考样品和待测样品之间；放射源采用⁶⁸Ge，E_max＝1.90MeV，正电子在固体中的注入深度不超过5mm；放射源由kapton高分子膜所包裹。

进一步，待测样品深度测量范围控制在0-2000μm；待测样品若为高分子材料，则深度测量范围控制在0-5000μm。

进一步，碘化钠探测器使用碘化钠闪烁体。

进一步，水平电动平台包括样品台、可控制的水平电动旋钮和底座；计算机控制水平电动旋钮，使样品台在水平方向移动。

进一步，γ光子能量为0.511MeV。

更进一步，脉冲信号I、脉冲信号II为均由能量为0.511MeV的γ光子产生的脉冲信号。

一种低本底多普勒展宽深度分布测量系统的测量方法，该方法包括：

根据所需测量精度和高纯锗探测的计数率来确定W-Cu准直器的狭缝调节宽度；

将待测样品固定在水平电动平台上，调节高度至合适位置，通过计算机控制水平电动平台的水平移动；深度测量范围控制在0-2000μm，对高分子材料而言，深度测量范围可控制在0-5000μm；

正电子在待测样品中湮没时，相反方向发射出两个γ光子，其中一个γ光子通过碘化钠探测器接收并产生相应脉冲信号I，由第一放大器放大，经过第一单道分析器筛选，输出到符合器；另一个γ光子通过高纯锗探测器接收并产生相应脉冲信号II，经第二放大器放大，再经过第二单道分析器筛选出来，输出到符合器；

当脉冲信号I、脉冲信号II同时到达符合器时，符合器则输出有效门信号到模数转换器；

高纯锗探测器接收并产生的脉冲信号II通过前置放大器和第三放大器放大后，输出到模数转换器；

当接收到符合器的有效门信号时，模数转换器则输出信号到多道分析器；

多道分析器将数模转换器输入的信号计数至不同的道址，并在以道址或能量为横坐标、每个道址中的计数为纵坐标的坐标系中，得到多普勒展宽谱；

计算机利用软件收集多普勒展宽谱的数据，并通过对水平电动平台的控制，得到样品不同深度处的多普勒参数信息。

进一步，γ光子能量为0.511MeV，第一单道分析器和第二单道分析器均选择由能量为0.511MeV的γ光子所产生的脉冲信号，分别输出到符合器进行符合。

具体实施时，如图1所示，低本底多普勒展宽深度分布测量系统包括水平电动平台1、多道分析器5、计算机6，碘化钠探测器11、第一放大器12、第一单道分析器13、W-Cu准直器14、高纯锗探测器15、第二放大器16、第二单道分析器17、符合器18，前置放大器21、第三放大器22、模数转换器23；

水平电动平台1如图2所示，包括样品台41，可控制的水平电动旋钮42和底座43；计算机6控制水平电动旋钮42，使样品台41在水平方向精确移动；

样品台41上放置参考样品2，放射源3和待测样品4，放射源3由kapton高分子膜包裹，夹在参考样品2和待测样品4之间；

碘化钠探测器11位于待测样品4的一侧，用于接收正电子在待测样品4中湮没产生的γ光子，产生相应脉冲信号I，输出到第一放大器12；

第一放大器12将接收到的脉冲信号I放大后，输出到第一单道分析器13；

W-Cu准直器14位于待测样品4的另一侧，调节到适当的缝宽，使在待测样品4某一深度层中湮没的γ光子通过；保证较高的精确度和计数率；

高纯锗探测器15位于W-Cu准直器14的后方，接收从W-Cu准直器14狭缝里出来的γ光子，产生相应脉冲信号II，分别输出到前置放大器21和第二放大器16；

脉冲信号II依次通过前置放大器21和第三放大器22放大后，输出到模数转换器23；

第二放大器16将接收到的脉冲信号II放大后，输出到第二单道分析器17；

第一单道分析器13和第二单道分析器17分别将各自接收到的脉冲信号I、脉冲信号II进行能量选择后，分别输出到符合器18；

符合器18输出门信号到模数转换器23；

模数转换器23输出数字信号到多道分析器5和计算机；

计算机6与水平电动平台1和多道分析器5相连接，控制水平电动平台1在水平方向精确移动，并且收集和处理多道分析器5输入的数据。

放射源3选用⁶⁸Ge。

关于⁶⁸Ge放射源，E_max＝1.90MeV，正电子在固体中的注入深度一般不超过5mm。

碘化钠探测器11使用碘化钠闪烁体，相对于其他无机闪烁体，其能量分辨率较高。

低本底多普勒展宽深度分布测量系统的测量方法通过以下过程实现：

将W-Cu准直器14的狭缝调节到合适宽度，根据所需测量精度和高纯锗探测器15探测的计数率来确定，通常为80μm至150μm；

将待测样品4固定在水平电动平台1上，高度调节合适位置，在计算机6的控制下可以精确地水平移动，深度测量范围控制在0-2000μm，对高分子材料而言，深度测量范围可控制在0-5000μm；

正电子在待测样品4中湮没时，通常考虑两个几乎相反方向发射出的两个γ光子，其中一个通过碘化钠探测器11接收并产生相应脉冲信号I，通过第一放大器12放大，经过第一单道分析器13筛选出来，输出到符合器18；另一个通过高纯锗探测器14接收并产生相应脉冲信号II，通过第二放大器17放大，经过第二单道分析器17筛选出来，输出到符合器18。

正电子湮没辐射的γ光子能量为0.511MeV，第一单道分析器13和第二单道分析器17均选择由能量为0.511MeV的光子所产生的脉冲信号。

当脉冲信号I、脉冲信号II同时到达符合器18后，符合器18才输出有效门信号到模数转换器23。

高纯锗探测器15接收并产生的脉冲信号II通过前置放大器21和第三放大器22放大后，输出到模数转换器23。

当接收到符合器18的有效门信号时，模数转换器23才输出信号到多道分析器5。

多道分析器5将从数模转换器23输入的信号计数至不同的道址，并在以道址或能量为横坐标、每个道址中的计数为纵坐标的坐标系中，得到多普勒展宽谱。

计算机6利用软件收集多普勒展宽谱的数据，并通过对水平电动平台1的控制，得到待测样品4不同深度处的多普勒参数信息。

上述测量方法具有两个特点，；一是使用W-Cu准直器，通过计算机自动控制待测样品的水平移动，获得样品从表面到体内不同深度的多普勒展宽谱，实现了样品缺陷深度分布测量；二是增加符合系统，使测得的多普勒展宽谱的峰顶与本底的计数比提高一个数量级，有效降低了本底。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。