正电子束团在材料中湮没分布的测量方法和测量系统

摘要

本发明公开一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法和测量系统，所述测量方法由测量系统进行，所述测量系统包括正电子束团发生器、束团加速器、探测器以及示波器，其中，所述测量方法包括以下步骤：使用所述正电子束发生器产生正电子束团；将所述正电子束团通入到所述束团加速器中进行加速，其中所述束团加速器用于对正电子束团的能量进行调节；经加速后的所述正电子束团运动到与所述正电子束发生器相对设置的材料中发生湮没并发射出伽马射线束；将所述伽马射线束投射到探测器上，所述探测器收集所述伽马射线束并将光信号转化为电信号；由示波器记录并保存所述电信号。通过上述测量方法可测量出材料的微观结构及其结构的空间分布情况。

说明书

技术领域

本发明总体来说涉及一种核探测器技术和正电子湮没谱学技术，具体而言，涉及一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法。本发明还涉及一种测量系统。

背景技术

正电子是电子的反粒子，它的质量、电荷量均与电子相同，但它带正电荷，是人类最早认识的反物质。当电子和正电子相互结合时，它们被转换成电子偶素或湮没发射特征γ射线。

正电子湮没技术就是利用探测的特征γ射线通过寿命谱和多普勒能量展宽谱等分析方法来表征材料缺陷，经过数十年的研究，我国在该领域积累了丰富的经验，但在基于正电子的反物质基础研究方面仍需借鉴国外经验，譬如在正电子素分子形成研究方面，国内相比国外的研究差距显著，其原因与国内正电子实验技术的发展密不可分。

正电子束团在材料中湮没分布的测量方法，主要为探测正电子在材料中湮没数量随材料空间深度和时间的分布情况。可用于表征材料的微观结构及其结构的空间分布情况。然而，现有技术中并没有对正电子束团在材料中的湮没分布的测量方法，因此本发明的发明人提出了该测量方法。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法，以测量材料的微观结构及其结构的空间分布情况。

本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一个缺陷，提供一种测量系统，以测量材料的微观结构及其结构的空间分布情况。

根据本发明的一个方面，提供一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法，所述测量方法由测量系统进行，所述测量系统包括正电子束团发生器、束团加速器、探测器以及示波器，其中，所述测量方法包括以下步骤：发生步骤、使用所述正电子束发生器产生正电子束团；加速步骤、将所述正电子束团通入到所述束团加速器中进行加速，其中所述束团加速器用于对正电子束团的能量进行调节；湮没步骤、经加速后的所述正电子束团运动到与所述正电子束发生器相对设置的靶上发生湮没并发射出伽马射线束；信号处理步骤、将所述伽马射线束投射到探测器上，所述探测器收集所述伽马射线束并将光信号转化为电信号；记录步骤、由示波器记录并保存所述电信号随时间变化关系。

根据本发明的一实施方式，其中所述测量系统还包括聚束器，所述聚束器设置于所述正电子束团发生器和所述束团加速器之间，所述发生步骤和所述加速步骤之间还设置有聚束步骤：所述正电子束团进入到所述聚束器中进行聚束，以缩小所述正电子束团的时间宽度，经过聚束处理的所述正电子束团再通入到所述束团加速器中进行加速。

根据本发明的一实施方式，其中所述正电子束团的所述时间宽度为2-10ns。

根据本发明的一实施方式，其中所述束团加速器包括：高压隔离真空腔、高压加速腔、出射电极以及脉冲高压电源，所述高压加速腔设置在所述高压隔离真空腔内；所述出射电极设置在所述高压隔离真空腔内且处于所述高压加速腔的下游；所述脉冲高压电源用于向所述高压加速腔施加脉冲高压以加速低能脉冲带电粒子束团，所述脉冲高压电源配置为：在低能脉冲带电粒子束团完全进入所述高压加速腔之前，使所述高压加速腔处于地电位；在低能脉冲带电粒子束团完全进入所述高压加速腔之后，向所述高压加速腔施加脉冲高压；在低能脉冲带电粒子束团开始进入所述出射电极之后，使所述高压加速腔下降到地电位。

根据本发明的一实施方式，其中所述探测器包括辐射体，所述辐射体由氟化铅晶体制成。

根据本发明的一实施方式，其中所述伽马射线束投射到所述氟化铅晶体中后产生切伦科夫光，所述切伦科夫光作为所述光信号。

根据本发明的一实施方式，其中所述示波器的采样率为40G/s，频宽为4GHz。

根据本发明的一实施方式，其中所述正电子束团发生器包括RGM-1正电子源和APBS Trap束团化系统。

根据本发明的另一个方面，本发明的一种实施方式提供一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法，所述测量方法由测量系统进行，所述测量系统包括伽马射线发生器、探测器以及示波器，其中，所述测量方法包括以下步骤：发生步骤，使用所述伽马射线发生器产生伽马射线束；激发步骤，所述伽马射线束打到材料中激发产生正电子束团；湮没步骤，所述正电子束团发生湮没并发射出511Kev特征能量伽马射线束；信号处理步骤，将所述湮没步骤中产生的所述伽马射线束投射到探测器上，所述探测器收集所述伽马射线束并将光信号转化为电信号；记录步骤，由示波器记录并保存所述电信号随时间变化关系；多次测量步骤，调整所述伽马射线发生器的能量，并重复上述发生步骤至记录步骤。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种测量系统，所述测量系统包括正电子束团发生器、束团加速器、探测器以及示波器，所述正电子束团发生器能够产生低能脉冲正电子束团；沿所述正电子束团发生器的发射方向，所述正电子束团发生器、束团加速器及探测器依次设置；所述束团加速器为所述正电子束团提供能量；所述探测器接收所述正电子束团湮没后发射出的伽马射线束并将其转化为电信号；所述示波器与所述探测器电连接，以记录所述探测器中的所述电信号随时间变化的关系。

由上述技术方案可知，本发明的正电子寿命谱的测量方法和测量系统的优点和积极效果在于：

本发明提供的正电子束团在材料中湮没分布的测量方法，通过正电子在不同深度和不同材料中的湮没发射出伽马射线为信号，以表征正电子束团进入到材料的不同深度中，从而测量材料的微观结构及其结构的空间分布情况。

更进一步地，本发明通过探测器探测到的伽马射线的强度反应了正电子湮没的数量，即伽马射线随时间变化的关系可以体现正电子湮没的数量随时 间变化的关系，也就体现了正电子束团在材料中的湮没分布情况，简化了测量过程，缩短了测量时间。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法的流程图；

图2示意性示出根据本发明一实施例的束团加速器；

图3示意性示出根据本发明另一实施例的束团加速器；

图4示意性示出根据本发明另一实施例的束团加速器；

图5示意性示出根据本发明实施例的加速低能脉冲带电粒子束团的过程；及

图6示出根据本发明一实施例的脉冲高压电源的示意等效电路图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的步骤。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本发明中的正电子束团在材料中湮没分布的测量方法主要通过探测正电子束团湮没产生的511KeV伽马射线束强度随时间变化，来得到正电子在材料中湮没分布的情况。不同材料的微观结构不同，正电子湮没过程不同，得到的正电子湮没个数随时间的分布也不同；同种材料在近表面的微观结构变化较大，随着正电子能量不同，其注入材料的深度也不同，得到的湮没事件数随时间分布也不同，因此，可以通过正电子随空间和时间的湮没变化信息对材料的微观结构进行表征。

本发明所称的正电子束团表示一次脉冲中含有大量正电子，例如但不限于一次脉冲中含有超过10⁶个的正电子。正电子束团在材料中湮没分布的测量方法拟采用脉冲正电子束团，即一个脉冲含有一个正电子束团，正电子束团内含有超过10⁶个正电子，也可以理解为一个正电子束团内含有超过10⁶个事件，这些事件都几乎发生在所测样品的正电子寿命(通常为十几纳秒到百纳秒之间)的时间范围内。

本发明所要实现的方法思路是：一个脉冲内的总事件数足够反应正电子束团在材料中的同一深度内的湮没信息，且同一脉冲内的不同正电子湮没的事件数是个随时间分布的；而每个正电子湮没会产生两个方向相反的511keV能量的伽马射线，正电子的湮没数量与探测器探测到的伽马射线强度成线性关系，即正电子湮没数量越多，伽马射线强度越强，因此，探测器探测到的伽马射线的强度也随时间变化。该测量方法减少了测量时间，提高了工作效率。可以理解的是，本发明通过探测器探测到的伽马射线的强度反应了正电子湮没的数量，即伽马射线随时间变化的关系可以体现正电子湮没的数量随时间变化的关系，也就体现了正电子束团在材料中的湮没分布情况。

除此，固定能量511keV的伽马射线在辐射体中的光转换率可以认为是不变的，因此辐射体中的光产额与伽马射线的强度成线性关系，因此，光产额随时间变化关系反应了正电子湮没数量随时间变化关系。

进一步地，光电倍增管将光子转化成电信号，电信号的强弱与光子数量成正比，即与光产额成正比，因此电信号的强度随时间变化的关系反应了正电子湮没数量随时间变化关系。也就是，电信号的强度随时间变化的关系反应了正电子湮没数量随时间变化关系，只要探测到电信号随时间的强度变化就得到了反应了正电子湮没数量随时间变化关系，也就得到了正电子束团在 材料中的湮没分布情况。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法的流程图。

如图1所示，作为本发明的一实施方式，一种正电子束团在材料中湮没分布的测量方法，测量方法由测量系统进行，测量系统包括正电子束团发生器、束团加速器、探测器以及示波器，其中按照正电子束团从上游向下游的运动方向，正电子束团发生器、束团加速器、探测器以及示波器依次排列。其中，上述测量方法包括发生步骤，使用正电子束发生器产生正电子束团，正电子束团发生器作为正电子源，位于测量装置的上游，以为测量过程提供所需的正电子束团。可以理解的是，正电子束团发生器可以为本领域技术人员能够想到的发生器，例如但不限于本发明中使用的正电子束团发生器包括RGM-1正电子源和APBS Trap束团化系统。

为了使测试结果更加接近真实值，上述测量方法还包括聚束步骤，具体地，需要将正电子束团通入到所述聚束器中进行聚束，经过聚束器的正电子束团进行横向压缩，从而可以形成超短的正电子束团，以缩小正电子束团的时间宽度，例如但不限于，缩小后的时间宽度(横向宽度)可以为2-10ns，但并不局限于此。本发明的一种实施方式选择的时间宽度为2ns。

另外，该测量方法还包括加速步骤，在该步骤中，将上述正电子束团发生器产生的正电子束团或者经过聚束处理的正电子束团通入到束团加速器中进行加速，其中束团加速器用于对正电子束团的能量进行调节，例如但不限于将正电子的能量增大为小于等于30KeV，从而可以改变测量过程中的正电子束团的能量，以获得同一材料中不同深度的正电子束团的湮没信息。

更进一步地，上述测量方法还包括湮没步骤，经加速后的正电子束团运动到与正电子束发生器相对设置的靶上发生湮没，并发射出伽马射线束。

正电子进入材料后，通过与电子，原子，或离子的非弹性碰撞损失能量，其动能降到热能水平，然后以热运动速度扩散，在扩散过程中与材料中的电子发生湮没，正电子湮没主要发生在射程的末端，所以正电子湮没反映的信息是正电子射程末端处材料的微观结构信息。具有keV能量的正电子，进入介质后，只需经过几个ps(1ps＝10^-12s)，能量降到热能水平(kT量级，在300K时，正电子动能为0.025eV)，然后在以热运动的速度扩散。总的热化时长 (10^-12～10^-11s)和正电子在物质中的寿命(10^-10s)相比要短得多。热化后的正电子在材料中扩散，在扩散过程中与材料中的电子发生湮没，产生γ光子，由它将材料中的信息带出来。这一扩散湮没过程的持续时间因材料不同而不同，在固体中的时间范围是100～10000ps。

上述测量方法还包括信号处理步骤，将伽马射线束投射到探测器上，该探测器包括由氟化铅晶体制成的辐射体。可以理解的是，任何时间分辨率高且光产额低的晶体均可作为辐射体的材料，并不以氟化铅晶体为限。伽马射线在氟化铅晶体中可以产生切伦科夫光，将该切伦科夫光作为光信号输入到光电倍增管上，探测器收集伽马射线束，该伽马射线束的强度随时间变化的关系反应了正电子束团湮没数量随时间变化的关系。

本发明中使用的氟化铅晶体作为探测器的辐射体，其产生的切伦科夫光的发光时间比一般闪烁体产生荧光的发光时间快两个量级，从而使得探测器的时间分辨率更高，有利于探测正电子束团在材料中湮没的时间分布情况。例如但不限于氟化铅晶体产生的切伦科夫光的发光时间可以为10^-9—10^-11s，一般闪烁体产生荧光的发光时间可以为10^-7—10^-9s。

可以理解的是，探测器还可以包括光电倍增管，以将光信号输入转化为电信号，并将电信号进行放大并输出。为了提高时间分辨率，本发明可以选用快信号衰减的光电倍增管，由于光信号在该光电倍增管中可以转化为强度随时间变化一致的电信号，该电信号可以经过光电倍增管线性放大并输出，因此可以通过电信号的信息反映光信号的信息。

除此，上述测量方法还包括记录步骤，由示波器记录并保存电信号。该步骤中的示波器可以为采样率较高的信号收集器作为采样装置，例如但不限于采样率大于20G/s的信号收集器。本发明中采用采样率为40G/s，频宽为4GHz的数字化示波器作为采样装置，但不限于此。具体地，采样装置可以以25ps/采样点的速度收集电信号。

可以理解的是，上述示波器的触发信号可以为聚束器的触发信号，但不以此为限，上述聚束器的触发事件经延时后可以为进行正电子束团测试的触发事件。另外，还可以理解的是，本发明中的正电子束团可以包含至少10⁶个正电子，即可以包含至少10⁶个湮没事件。

综上，本发明的正电子束团在材料中湮没分布的测量方法为：使用正电 子束团发生器产生的高强度低温正电子束团作为正电子源，正电子束团经过聚束器横向压缩后，形成超短正电子束团，其时间宽度可达2ns；再通过束团加速器的脉冲高压，使正电子束团动能可调，漂移到固定距离的靶上发生湮没，转化成0.511MeV能量的伽马射线以4π立体角发射；选择氟化铅晶体作为探测器的辐射体，利用伽马射线在氟化铅晶体中产生的切伦科夫光作为光信号输入光电倍增管，使探测器在极短时间内完成对伽马射线的信号收集，并且转化成电信号；由最高采样率达40G/s的4GHz频宽数字化示波器记录并保存。

上述过程中以聚束器的触发信号作为数字化示波器的触发信号，该信号可作为寿命谱的起始信号，以氟化铅探测器的输出信号作为终止信号，由示波器记录探测器输出电信号的幅值随时间变化，此变化反映出伽马强度随时间的变化，即是正电子湮没事件随时间的变化关系。

探测器一次记录一个正电子束团的湮没信息，可以得到正电子湮没事件随时间的变化关系。利用束团加速器可以改变正电子能量，以得到在不同材料不同深度的正电子湮没信息。不同材料的微观结构不同，正电子湮没过程不同，得到的正电子湮没个数随时间的分布也不同；同种材料在近表面的微观结构变化较大，随着正电子能量不同，其注入材料的深度也不同，得到的湮没事件数随时间分布也不同，因此，可以通过正电子随空间和时间的湮没变化信息对材料的微观结构进行表征。

正电子束团在材料中湮没分布的测量方法的原理为：单个脉冲中的多个正电子的速度看作是相同，从而可以进入到材料中的同一深度；通过束团加速器调整正电子束团中正电子的速度，从而可以使不同脉冲中的正电子束团进入到不同的深度；如此，经过上述多次测量便可以测得正电子束团在材料中的湮没分布。

为方便理解，将对上述测量原理进行举例说明，但不用于对本发明的限制。可以调整束团加速器，使经过加速后的正电子束团的速度为V1，此时可以测量该速度下的正电子束团的湮没分布情况；再次调整束团加速器，使经过加速后的正电子束团的速度为V2，此时可以测量该速度下的正电子束团的湮没分布情况；依次调整束团加速器，可以使加速后的正电子束团的速度分别为V3，V4，V5……上述多次测量后的结果进行汇总即可得到相同材料不 同深度的正电子湮没信息。

需要理解的是，本发明中的束团加速器不同于现有的正电子加速方法，其原理具有本质的不同，现有的正电子加速方法为使用静电正高压排斥或静电负高压吸引正电子，使之获得能量，而束团加速器使用脉冲高压进行加速，可实现对脉冲正电子束团的加速。

可以理解的是，正电子束团可以通过本领域技术人员能够想到的其他产生方式产生，例如但不限于通过伽马射线束在材料中激发产生。

使用伽马射线发生器产生伽马射线束；将伽马射线束打到靶上激发产生正电子束团；该正电子束团发生湮没并发射出511Kev特征能量伽马射线束；将湮没发射出的伽马射线束投射到探测器上，该探测器包括由氟化铅晶体制成的辐射体。可以理解的是，任何时间分辨率高且光产额低的晶体均可作为辐射体的材料，并不以氟化铅晶体为限。伽马射线在氟化铅晶体中可以产生切伦科夫光，将该切伦科夫光作为光信号输入到光电倍增管上，探测器收集伽马射线束，该伽马射线束的强度随时间变化的关系反应了正电子束团湮没数量随时间变化的关系。

图2示意性示出根据本发明一实施例的束团加速器。

如图2所示，根据一实施例的束团加速器包括高压(高于0.1kV,例如0.5-50kV)隔离真空腔110、高压加速腔120、出射电极140及脉冲高压电源(HV)150。束团加速器还可包括围绕高压隔离真空腔110的磁场线圈130。

如图2所示，高压加速腔120和出射电极140设置在高压隔离真空腔110内，出射电极140设置在处于高压加速腔120的下游，即带电粒子束团行进方向的下游。高压隔离真空腔110的作用之一是可隔绝高压加速腔120上的高压。

脉冲高压电源150可电连接至高压隔离真空腔110，用于在被触发后向高压加速腔120施加脉冲高压以加速低能脉冲带电粒子束团。

根据一实施例，高压隔离真空腔120和出射电极140连接到地电位。

根据本发明实施例的束团加速器，由于高压加速腔120处于高压隔离真空腔110中，可有效降低高压隔离的难度。另外，由于包括高压加速腔120的束团加速器从其他系统中分离出来，成为独立的一部分，方便其他系统进行多样化操作，提高了高压加速方式的安全性和稳定性。

根据本发明实施例的束团加速器可用于加速各种脉冲带电粒子束团，如脉冲正电子束团或脉冲电子束团。易于理解，当加速带正电的粒子束团时，脉冲高压电源150可为脉冲正高压电源，而当加速带负电的粒子束团时，脉冲高压电源150可为脉冲负高压电源。

图3示意性示出根据本发明另一实施例的束团加速器。

如图3所示，根据本实施例的束团加速器可包括粒子源系统202、脉冲带电粒子源部件204和206、参照图2描述的束团加速器100、以及放置样品280的真空室270。

粒子源系统202用于产生低能带电粒子。根据一些实施例，粒子源系统202可以是基于固体氖慢化体正电子源系统，但本公开不限于此。

脉冲带电粒子源部件204和206可发射低能脉冲带电粒子束团。根据一些实施例，脉冲带电粒子源部件204和206可包括基于缓冲气体的潘宁阱束团化系统204和基于旋转墙技术和聚束腔的压缩系统206，但本公开不限于此。

根据一些实施例，脉冲带电粒子源部件204和206可设置在密封真空系统中，而该密封真空系统可与高压隔离真空腔110连接，例如通过真空密封方式。

图4示意性示出根据本发明另一实施例的束团加速器。

如图4所示，根据本实施例的束团加速器可包括高压隔离真空腔310以及设置在高压隔离真空腔310中的脉冲带电粒子源部件304和306、高压加速腔320及出射电极340。另外，该束团加速器还可包括脉冲高压电源(HV)350、同步信号发生器306以及延迟元件306，但本公开不限于此。

脉冲带电粒子源部件304和306可发射低能脉冲带电粒子束团。根据一些实施例，脉冲带电粒子源部件304和306可包括基于缓冲气体的潘宁阱束团化系统304和基于旋转墙技术和聚束腔的压缩系统306，但本公开不限于此。

同步信号发生器306向脉冲带电粒子源部件提供波形信号。该波形信号可通过延迟元件306延迟一预定延迟时间，作为向脉冲高压电源350提供的触发信号。脉冲高压电源350被触发信号触发后可向高压加速腔320施加脉冲高压，从而加速低能脉冲带电粒子束团。

根据本发明实施例的束团加速器，脉冲带电粒子源部件304和306、高压加速腔320及出射电极340可均设置在高压隔离真空腔310中，从而可使系统更紧凑。

下面以加速低能正电子束团为例，说明利用图2所示的束团加速器的加速过程。

参见图3至图5，粒子源系统202可以是脉冲正电子源。脉冲正电子源发射低能正电子束流。低能正电子束流通过例如基于缓冲气体的潘宁阱束团化系统304和基于旋转墙技术和聚束腔的压缩系统306被束团化并发射出来。脉冲正电子束团可具有脉冲宽度tw(束团的时间长度)。

高压加速腔320此时是地电位。压缩系统306的出射端距离高压加速腔320的入射端有一距离S1，正电子束团漂移一段时间tm后，沿磁场方向进入高压加速腔320。

为了尽可能缩短高压加速腔320的长度L，可在正电子束团完全进入高压加速腔320之后，脉冲高压电源350立即给高压加速腔320施加正高压。

如前，同步信号发生器306向脉冲带电粒子源部件提供波形信号，该波形信号可通过延迟元件306延迟一预定延迟时间，作为向脉冲高压电源350提供的触发信号。脉冲高压电源350被触发信号触发后可向高压加速腔320施加脉冲高压。延迟时间tm可由压缩系统306的出射端与高压加速腔320的入射端的距离S1和正电子束团初始能量决定。

由于高压加速腔320中的正电子束团处在一个等势空间，正电子束团在高压加速腔320中保持匀速运动。高压加速腔320的最短长度L_min和正电子束团的初速度决定了脉冲正高压达到峰值的上升时间tr。加速腔长度L越短，则上升时间tr越小，但这对脉冲高压电源350的要求也越高。

距离S1与高压加速腔320的长度L之和与束团的聚焦距离有关，聚焦距离一般固定不变。在确定L值之后，可以据此得到S1。

经过上升时间tr，高压加速腔320的脉冲正高压达到峰值后，高压加速腔320与地电位的出射电极340之间形成电势差。正电子束团从高压加速腔320出射后在电场中加速获得动能。到达出射电极340的位置时，正电子束团获得的能量最大。

高压加速腔320上的正高压峰值应保持到正电子束团开始进入出射电极 340之后，可开始下降到零电位。因此，在正电子束团初始速度一定的情况下，高压峰值的最短维持时间tp由高压加速腔320与出射电极340之间的电势差和距离S2决定。距离S2一般固定不变。一般可以最小能量(100eV)来估算最长维持时间；同时，需保证下降时间在同步信号的时间间隔T之内，即，为了保证下一个正电子束团能顺利进入高压加速腔320，高压加速腔320上的正高压在下一个同步信号触发之前降到地电位。

如图5所示，一个正电子束团的加速过程完成后，可如前进行下一个的正电子束团的加速过程，如此可循环往复。脉冲高压电源直接由同步信号触发，只要保证正高压的时间宽度(上升时间、峰值维持时间和下降时间之和)在同步信号时间间隔范围内。正电子束团可以是周期性的，也可以非周期性的。

根据本发明的实施例，束团加速器与其他系统相互独立，避免了负高压方式会对样品的干扰。

根据本发明的实施例，施加到高压加速腔320的脉冲正高压的频率可与脉冲正电子束团的重复频率一致，当正电子束团到达高压加速腔之前，高压加速腔处于地电位；当正电子束团完全进入高压加速腔后，给高压加速腔320施加正高压，能够保证正电子束团通过高压加速腔获得动能。

根据实施例，高压加速腔320与真空腔310之间可等效为同轴环形电容，其充放电速度影响脉冲高压的上升和下降时间。

根据柱状环形电容计算公式

$C=\frac{2{\mathrm{\pi ϵ}}_{0}L}{ln\frac{D}{D-2d}},$

高压加速腔320的长度L越大，高压加速腔320与真空腔310的距离d越小，等效电容C越大，其中D是真空腔的内径。

再由电容充放电时间公式

t＝RC×ln[V0/V0-Vt]，

电容C越大，充放电时间越长。因此，为了缩短充放电时间，L可设计得尽量小，d设计尽量大。

另外，需考虑避免高压加速腔高压与真空腔地电位之间的放电影响。若高压加速腔最大高压为30kV，高真空环境中击穿距离为10mm，考虑高压加 速腔壁厚(1.5mm)和束团径向宽度(1mm)，则d应在11～15mm之间。

表1和表2示出了根据一实施例的束团加速器参数和脉冲正电子束团参数。

表1

单脉冲包含正电子强度≤10⁶e⁺脉冲重复频率(脉冲间隔)≤500Hz(≥2ms)正电子束团能量(能散)12eV(0.05eV)正电子束团速度2.053×10⁶m/s正电子束团时间长度2ns正电子束团横向长度4.11mm正电子束团径向宽度1mm真空腔内径D35mm束团聚焦距离S1+L300mm

表2

图6示出根据本发明一实施例的脉冲高压电源的示意等效电路图。

如图6所示，根据本实施例的脉冲高压电源可采用Behlke公司生产的HTS300脉冲高压发生器，其最高电压/电流为30kV/30A，通过TTL触发信号触发HTS的开启与闭合。

如图6所示，R_L为限流电阻，C_B为负载电容，HTS断开产生高压，C_B带高压，HTS闭合高压消失，C_B高压通过限流电阻放电衰减，其峰值时间最长可达150ns，上升时间与触发信号的响应时间有关。

对于表1和表2中L_min＝20mm，S₂＝10mm，d＝11mm的设计参数，高压的上升时间为9.7ns，峰值高压最短维持时间为4.4ns(可延长)，总时间在15ns以内，根据脉冲间隔最短为2ms，能够保证足够的高压衰减时间，该实施例的脉冲高压电源可满足需求。

通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本公开实施例的系统和束团加速器具有以下优点中的一个或多个。

根据本发明的实施例的，高压加速腔处于高压隔离真空腔中，可有效降低高压隔离的难度。另外，由于包括高压加速腔的束团加速器从其他系统中分离出来，成为独立的一部分，方便其他系统进行多样化操作，提高了高压加速方式的安全性和稳定性。

根据本发明的实施例，束团加速器与其他系统相互独立，避免了负高压方式会对样品的干扰。

根据本发明的一些实施例，脉冲带电粒子源部件、高压加速腔及出射电极可均设置在高压隔离真空腔中，从而可使系统更紧凑。

根据本发明的一些实施例，施加到高压加速腔的脉冲高压的频率可与脉冲带电粒子束团的重复频率一致，当脉冲带电粒子束团到达高压加速腔之前，高压加速腔处于地电位；当脉冲带电粒子束团完全进入高压加速腔后，给高压加速腔施加高压，能够保证脉冲带电粒子束团通过高压加速腔获得动能。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或过程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。

本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应该理解，本公开不限于所公开的实施例，相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。