慢正电子束团湮没寿命测量方法研究

摘要

正电子湮没技术是研究材料微观结构尤其是原子尺度的缺陷等独具特色的表征技术，目前已广泛应用于金属、半导体、聚合物等多个材料领域。随着粒子捕获技术的发展，基于捕获的慢正电子脉冲束流技术提供了一种可以大大提高慢正电子束团“亮度”的脉冲束方法，每次脉冲都包含了大量的慢正电子，同时通过相互配合的冷却、径向压缩、聚束等技术，能够得到能散极低，且具有较短时间宽度的低能单色慢正电子束团。我们知道正电子湮没寿命谱是利用正电子进行缺陷表征最常用的一种表征手段，那么基于捕获的慢正电子脉冲束流技术则为开展微纳秒级的慢正电子湮没寿命谱的测量提供了可能。传统伽马探测器在测量慢正电子束团时，由于堆积效应，探测器很难分辨单个伽马信号，容易导致探测器信号堆积过饱和。本文提出了一种基于空间分布阵列探测器的慢正电子束团寿命测量方法，对探测器单元进行合理的空间分配后，使其在保持最大探测效率的同时能够尽量平均探测到一个伽马光子，以慢正电子束团产生时刻为起始零点，统计探测器单元定时信号的时间分布，重复多个束团累积测量，即可得到足够统计计数的正电子湮没寿命谱。硅光电倍增管(SiPM)以其结构紧凑、抗磁、低工作电压、增益高、灵敏度高等优势正逐渐被用于高能物理探测等领域。本文为了测试该方法的可行性，并试图找出探测器单元的测量规律，采用四个小体积的SiPM闪烁探测器，依托中科院高能所的新型慢束系统进行了相关实验探索。
　　本文首先详细地介绍了基于固态氖的慢正电子束流系统，给出了目前束流的运行状态;
　　然后依据本文提出的测量方法原理，设计并搭建了简易的测试平台，主要包括样品腔室、负高压馈入、探测器的摆放、磁场线圈等。作为数字化信息采集与分析设备，本文接着又较为详细的介绍了数字示波器的工作原理和在本实验中的应用。
　　最后测试分析了各探测器的性能，并对慢正电子束团进行了初步测量探索。理论与实验表明，随着闪烁探测器与放射源距离的增加，其本征探测效率会逐渐增大，但受到空间角度的限制，其绝对探测效率会逐渐减小。而探测器对束团的探测效率主要与探测器立体空间角度、束团正电子数和探测器的本征探测效率等因素有关。当固定与湮没点的距离，探测单元的束团探测效率则随入射至探测器表面的伽马光子个数(n)的增加而增加，当n为40左右，探测器达到工作饱和状态，与理论公式符合的很好。不过n的增加就意味着探测器单元输出堆积信号的概率越大，计算表明，要控制其堆积信号发生的概率需满足几何探测效率εG＜＜1/M(M为正电子个数)即可;阵列探测器对束团的探测效率满足二项分布规律，实验结果与理论结果也较为符合。对于稳定的脉冲束流，可通过增加探测器单元个数和探测器的伽马探测效率，来适当提高整体阵列探测器对于束团的探测效率。

目录

声明

摘要

图录

1 绪论

1．1 正电子介绍

1．1．1 正电子的发现

1．1．2 正电子的物理性质

1．1．3 正电子的湮没特性

1．2 正电子湮没谱学技术

1．2．1 正电子源

1．2．2 正电子湮没寿命谱

1．2．3 正电子湮没多普勒展宽能谱

1．2．4 正电子湮没角关联谱

1．3 慢正电子束流技术

1．3．1 慢正电子湮没寿命谱

1．3．2 基于捕获的慢正电子脉冲束流技术

1．4 论文选题意义及内容安排

2 基于固态氖的慢正电子束流系统

2．1 系统概述

2．2 束流状态

2．3 本章小结

3 慢正电子束团湮没寿命测量原理

3．1 SSPLAS

3．2 阵列探测器空间测量

3．2．1 设计原理

3．2．2 SiPM探测器

3．3 本章小结

4 实验平台的搭建

4．1 样品室的设计

4．2 磁场线圈及探测器摆放

4．3 稳压稳流电源

4．4 数字示波器

4．4．1 示波器定时原理

4．4．2 示波器时间差测量方法

4．5 本章小结

5 慢正电子束团湮没测量

5．1 探测器性能测试

5．1．1 探测器的组成

5．1．2 探测器信号

5．1．3 对511keV伽马射线的探测效率测量

5．2 探测器单元的束团探测效率

5．2．1 束团正电子个数

5．2．2 测量原理

5．2．3 实验结果

5．3 探测器阵列的束团探测效率

5．3．1 二项分布

5．4 堆积信号对寿命谱及其时间分辨的影响

5．5 寿命谱测量

6 结论与展望

参考文献

个人简历、攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

致谢