多维度正电子湮没寿命谱和多普勒展宽谱测量系统

摘要

本发明公开了一种多维度正电子湮没寿命谱和多普勒展宽谱测量系统，多维度正电子湮没寿命谱测量系统和多普勒展宽谱测量系统中均包括反符合系统和三维移动系统。所述的反符合系统包括依次相连的正电子探测器、第一前置放大器、第一谱放大器、第一单道分析器、符合器；正电子探测器由闪烁片和光电倍增管通过硅油耦合组成，放射源为同位素放射源，其直接滴于闪烁片上。所述的三维移动系统用来装载样品并使样品在三维方向移动。本发明采用反符合系统实现非样品中湮没信息的排除，可提高探测的可靠性和探测精度；采用三维移动平台调整样品与正电子探测器间的距离和方位，可实现单块不规则样品多维度缺陷的精确无损检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可探测多维度缺陷的正电子湮没寿命谱和多普勒展宽谱测量系统。

背景技术

正电子谱学是以正电子为探针，研究正电子与物质相互作用，利用现代核谱学方法精确测量湮没参数，从而得到有关物质微观结构的有用信息。作为一种无损检测技术，常规的正电子湮没技术包含正电子湮没寿命谱技术和多谱勒展宽谱技术。正电子放射源²²Na发出的能量为1.28MeV的γ光子作为正电子的起始信号，正电子在样品中湮没后发出的能量为0.511MeV的γ光子作为正电子的终止信号，起始信号和终止信号之间的时间间隔即为正电子寿命。通过大量事件的统计结果，即可得到正电子寿命谱。正电子湮没寿命可分辨样品中存在的多种缺陷，给出各类缺陷的尺寸和浓度，通过数据分析，还可以得到缺陷尺寸的分布。多普勒展宽技术主要测量的是正电子在样品中湮没后产生的能量为0.511MeV的γ光子的能谱。由于电子-正电子对具有一定的动量，导致湮没对的动量不为零，而电子的能量通常在几电子伏，远大于正电子湮没前的能量，因此正电子的动量可以忽略不计，多普勒展宽测量主要反映了电子的动量分布，可用来研究固体缺陷的电子结构，符合多普勒展宽还能得到缺陷周围化学环境(元素组成)的信息。

目前，为了提高材料机械性能和满足实际需求，材料往往需要通过磨具制造或者切割等技术制作成各种形状，比如圆形，凹槽形，弧形或是管状等，而不再是表面光滑且完整的平面。在实际应用现场中，利用目前常规的检测手段仅仅探测的是材料的外表面是否受损，而材料内表面的情况难以探测到。虽然正电子湮没谱测量可以灵敏地探测材料的缺陷，但是目前常规的正电子湮没谱仪也只能探测表面光滑完整的材料而不能探测形状不规则的样品。正电子湮没寿命谱和多普勒展宽谱测量系统大都采用“三明治式”夹心结构即用两片相同的样品将放射源夹住进行测量，严格来说并非真正的无损检测(NDT)，在实际应用中存在以下几点不足：(1)由于这种“三明治式”夹心结构，样品与放射源直接接触，易导致放射源破损以及放射性物质泄露对样品的污染，同时不易于实现样品实时测量环境(光照、磁场、温度等)的改变。(2)这种“三明治式”夹心结构无法实现大块样品及厚样品的缺陷检测，也无法实现现场(in the field)检测。(3)“三明治式”夹心结构所用的样品通常是两块相同的二维平面结构，无法实现对单块不规则样品多维度缺陷的精确无损检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种可探测多维度缺陷的正电子湮没寿命谱和多普勒展宽谱测量系统。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一、一种多维度正电子湮没寿命谱测量系统，包括时间测量系统、反符合系统、三维移动系统和控制系统，其中：

时间测量系统包括第一BaF₂闪烁体探测器、第一恒比甄别器、第一延时箱、第二BaF₂闪烁体探测器、第二恒比甄别器、第二延时箱、符合器、时幅转换器和多道分析器；第一BaF₂闪烁体探测器、第一恒比甄别器、第一延时箱依次相连；第二BaF₂闪烁体探测器、第二恒比甄别器、第二延时箱依次相连；第一恒比甄别器和第二恒比甄别器的输出端还连接符合器；第一延时箱和第二延时箱的输出端均连接时幅转换器，时幅转换器连接多道分析器，多道分析器连接控制系统；

反符合系统包括放射源、正电子探测器、第一前置放大器、第一谱放大器和第一单道分析器；正电子探测器、第一前置放大器、第一谱放大器、第一单道分析器、符合器依次相连；正电子探测器由闪烁片和光电倍增管通过硅油耦合组成，且闪烁片和光电倍增管完全避光；放射源为同位素放射源，其直接滴于闪烁片上，并由Kapton膜密封；作为优选，放射源选取²²Na；

三维移动系统用来装载样品并使样品在三维方向移动。

作为优选，硅油的折射率大于1.3且透射率大于95％。

进一步的，正电子探测器设于第一BaF₂闪烁体探测器和第二BaF₂闪烁体探测器间，且第一BaF₂闪烁体探测器和正电子探测器间、以及第二BaF₂闪烁体探测器和正电子探测器间均设有屏蔽件。

进一步的，三维移动系统包括旋转夹、U型力臂、竖直平移台和水平平移台，竖直平移台设于水平平移台上，U型力臂其中一臂下端连接竖直平移台上端，另一臂下端设有旋转夹。

作为优选，U型力臂中设有旋转夹的一臂，该臂与U型力臂横梁的连接处设有旋转轴。

多维度正电子湮没寿命谱测量系统中，第一BaF₂闪烁体探测器和第二BaF₂闪烁体探测器分别设于样品两侧，且第一BaF₂闪烁体探测器和第二BaF₂闪烁体探测器位于同一水平面且轴线呈90°～120°夹角。第一BaF₂闪烁体探测器用于探测放射源产生正电子时伴随发射的能量为1.28MeV的γ光子信号并输出相应的脉冲信号，第二BaF₂闪烁体探测器用于探测正电子在样品中湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子信号并输出相应的脉冲信号。

第一恒比甄别器用来对第一BaF₂闪烁体探测器发出的脉冲信号进行能量选择得到起始脉冲信号，第二恒比甄别器用于对第二BaF₂闪烁体探测器发出的脉冲信号进行能量选择得到终止脉冲信号。

符合器用于实现对输入信号的符合与反符合判选。第一延时箱和第二延时箱用于对探测到的起始脉冲信号和终止脉冲信号进行适当的延时。符合器输出时幅转换器的门信号，时幅转换器用于将起始脉冲信号和终止脉冲信号间的时间间隔转换成幅度与时间间隔成正比的输出信号。多道分析器用于记录时幅转换器输出的脉冲幅度。

二、一种多维度多普勒展宽谱测量系统，包括γ能谱测量系统、反符合系统、三维移动系统和控制系统，其中：

γ能谱测量系统包括NaI探测器、HP-Ge探测器、第二前置放大器、第三前置放大器、第二谱放大器、第三谱放大器、第二单道分析器、第三单道分析器、符合器、模数转换器和多道分析器，NaI探测器、第二前置放大器、第二谱放大器、第二单道分析器依次相连，HP-Ge探测器、第三前置放大器、第三谱放大器、第三单道分析器依次相连，第二单道分析器和第三单道分析器的输出端分别连接符合器；符合器、模数转换器、多道分析器依次相连，多道分析器连接控制系统，第三谱放大器的输出端还连接模数转换器；

反符合系统包括放射源、正电子探测器、第一前置放大器、第一谱放大器和第一单道分析器；正电子探测器、第一前置放大器、第一谱放大器、第一单道分析器、符合器依次相连；正电子探测器由闪烁片和光电倍增管通过硅油耦合组成，且闪烁片和光电倍增管完全避光；放射源为同位素放射源，其直接滴于闪烁片上，并由Kapton膜密封；作为优选，放射源选取²²Na；

三维移动系统用来装载样品并使样品在三维方向移动。

作为优选，硅油的折射率大于1.3且透射率大于95％。

进一步的，三维移动系统包括旋转夹、U型力臂、竖直平移台和水平平移台，竖直平移台设于水平平移台上，U型力臂其中一臂下端连接竖直平移台上端，另一臂下端设有旋转夹。

作为优选，U型力臂中设有旋转夹的一臂，该臂与U型力臂横梁的连接处设有旋转轴。

本发明多维度多普勒展宽谱测量系统中，NaI探测器和HP-Ge探测器设于样品的两侧，且NaI探测器和HP-Ge探测器的轴线位于同一轴线上。NaI探测器和HP-Ge探测器的距离可根据源强大小进行适当调节。NaI探测器和HP-Ge探测器分别探测的是同一正电子湮没时产生能量(0.511MeV)相等、方向相反的2个γ光子信号。

第二前置放大器和第三前置放大器用于减少外界干扰的相对影响，提高系统的信噪比，实现阻抗转换及匹配。第二谱放大器和第三谱放大器用于对输入的脉冲信号信号进行成形放大。第二单道分析器和第三单道分析器用于对放大的脉冲信号进行精确的能量选择，选择能量为0.511MeV的γ光子信号。

符合器用于实现对输入信号的符合与反符合判选。模数转换器用于将输入的模拟信号转换成数字信号。多道分析器用于记录模数转换器输入的数字信号。

上述反符合系统中，正电子探测器用来探测放射源发射的正电子在闪烁片中湮没或穿过闪烁片时产生的光信号。第一前置放大器用于减少外界干扰的相对影响，提高系统的信噪比，实现阻抗转换及匹配。第一谱放大器用于对第一前置放大器输出的脉冲信号进行成形放大。第一单道分析器用于对输入的脉冲信号进行适当的能量选择，以去除噪声信号。第一单道分析器输出的脉冲信号送至符合器进行反符合，实现非样品中湮没信息的排除。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)采用反符合系统实现非样品中湮没信息的排除，从而提高探测的可靠性和探测精度；

(2)采用三维移动平台调整样品与正电子探测器间的距离和方位，从而可实现单块不规则样品多维度缺陷的精确无损检测。

(3)本发明的多维度正电子湮没寿命谱测量系统和多维度多普勒展宽谱测量系统可实现同步关联测量。

本发明系统可实现如下功能：

(a)Z方向一维缺陷分布；(b)X-Y平面样品的二维缺陷分布；(c)规则样品各个表面或截面的缺陷分布；(d)复杂几何形状样品不同部位的缺陷和损伤，如管道样品内表面及外表面，弯曲样品，开槽样品等。

附图说明

图1为多维度正电子湮没寿命谱测量系统的具体结构示意图；

图2为多维度多普勒展宽谱测量系统的具体结构示意图；

图3为三维移动系统的具体结构示意图；

图4为多维度正电子湮没寿命谱—多普勒展宽谱同步测量系统的具体结构示意图。

图中：10a-第一BaF₂闪烁体探测器，10b-第二BaF₂闪烁体探测器，11a-第一恒比甄别器，11b-第二恒比甄别器，12a-第一延时箱，12b-第二延时箱，13-时幅转换器，14-符合器，15-多道分析器，16a-第一铅块，16b-第二铅块；

20-放射源，21-闪烁片，22-正电子探测器，23-第一前置放大器，24-第一谱放大器，25-第一单道分析器；

30-NaI探测器，31-HP-Ge探测器，32a-第二前置放大器，32b-第三前置放大器，33a-第二谱放大器，33b-第三谱放大器，34a-第二单道分析器，34b-第三单道分析器，35-模数转换器；

40-旋转夹，41-样品，42-U型力臂，43-第一臂，44-第二臂，45-横梁，46-旋转轴，47-竖直平移台，48-水平平移台；

50-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作详细的介绍。

本发明多维度正电子湮没寿命谱测量系统是指根据放射源²²Na发射正电子时伴随一个能量为1.28MeV的γ光子作为起始信号，正电子在样品41中湮没产生的能量为0.511MeV的γ光子作为终止信号，起始信号和终止信号之间的时间间隔即为正电子的寿命，反符合系统实现非样品中湮没信息的排除。

多维度正电子湮没寿命谱测量系统包括时间测量系统、反符合系统、三维移动系统和控制系统。见图1，本具体实施例中，时间测量系统包括第一BaF₂闪烁体探测器10a、第一恒比甄别器11a、第一延时箱12a、第二BaF₂闪烁体探测器10b、第二恒比甄别器11b、第二延时箱12b、时幅转换器13、符合器14和多道分析器15。

第一BaF₂闪烁体探测器10a的阳极输出端与第一恒比甄别器11a相连，第一BaF₂闪烁体探测器10a的阳极信号分为两支，一支信号进入第一恒比甄别器11a的定时电路，给出定时脉冲，经第一延时箱12a进行适当的延时后进入时幅转换器13。另一支信号进入第一恒比甄别器11a的单道分析器对探测的γ光子信号进行能量甄别，选取出能量为1.28MeV的γ光子信号，然后进入符合器14。

同样的，第二BaF₂闪烁体探测器10b的阳极输出端与第二恒比甄别器11b相连，第二BaF₂闪烁体探测器10b的阳极信号分也为两支，一支信号进入第二恒比甄别器11b的定时电路，给出定时脉冲，经第二延时箱12b进行适当的延时后进入时幅转换器13。另一支信号进入第二恒比甄别器11b的单道分析器对探测的γ光子信号进行能量甄别，选取能量为0.511MeV的γ光子信号，然后进入符合器14。

反符合系统包括放射源20、正电子探测器22、第一前置放大器23、第一谱放大器24和第一单道分析器25。正电子探测器22由闪烁片21和光电倍增管(未在图中画出)通过折射率大于1.3、透射率大于95％的硅油耦合组成，具体实施方式中闪烁片21采用Pilot-U闪烁片。将放射源20直接滴在闪烁片21上，密封放射源20的材料选取Kapton膜。放射源20一面设于闪烁片21上，另一面紧靠样品41，原则上可认为放射源20发射的正电子一部分在样品41中湮没，另一部分在闪烁片21中湮没。由于闪烁片21对γ光子探测效率非常低，正电子探测器22探测正电子湮没产生的γ光子信号可以忽略不计。当放射源20发射的正电子进入闪烁片21中湮没或穿过闪烁片21时，闪烁片21会以非常高的探测效率产生闪烁光并且被光电倍增管接收产生一个脉冲信号，该脉冲信号经第一前置放大器23、第一谱放大器24成形放大后输入第一单道分析器25进行适当的能量选择，以去除噪声信号，并将第一谱放大器24输出的波形转换成逻辑信号，然后输入符合器14进行反符合。

进入符合器14有三个脉冲信号，分别为第一恒比甄别器11a输出的能量为1.28MeV的γ光子起始脉冲信号(记为信号1)、第二恒比甄别器11b输出的能量为0.511MeV的γ光子终止脉冲信号(记为信号2)和正电子在闪烁片21中湮没产生的光信号(记为信号3)；符合器14进行反符合判选的条件为：(1)信号3没有输出到符合器14，且(2)信号1和信号2接入到符合器15；当同时满足条件(1)和(2)，符合器14才会有脉冲输出，输出的脉冲即时幅转换器13的门信号。多道分析器15实现对同一湮没事件的甄别并记录这一湮没信息，多道分析器15的输出连接控制系统50。原则上所得的正电子寿命测量谱中仅有正电子在样品41中湮没的信息，而正电子在闪烁片21中湮没的信息被去除，从而实现正电子在非样品中湮没信息的排除。这里，非样品中湮没信息即正电子在样品外湮没的信息。

本具体实施例中，正电子探测器22设于第一BaF₂闪烁体探测器10a和第二BaF₂闪烁体探测器10b间，且第一BaF₂闪烁体探测器10a和正电子探测器22间、以及第二BaF₂闪烁体探测器10b和正电子探测器22间分别设有第一铅块16a和第二铅块16b。

正电子探测器22中闪烁片21和光电倍增管必须处于完全避光状态，选用铝壳包裹闪烁片21和光电倍增管。根据样品41的尺寸和形状，以及更换方便原则，可适当调整所述的第一BaF₂闪烁体探测器10a、第二BaF₂闪烁体探测器10b和正电子探测器22三者之间的位置关系。

三维移动系统用来装载样品41并实现样品41在三维方向的移动。见图3，三维移动系统包括旋转夹40、U型力臂42、竖直平移台47和水平平移台48，竖直平移台47设于水平平移台48上，水平平移台48可在水平方向移动，竖直平移台47可在竖直方向移动。U型力臂42包括第一臂43、第二臂44和横梁45，第一臂43和第二臂44的上端分别连接横梁45两端。第一臂43下端连接竖直平移台47上端，第二臂44下端设有用来夹持样品41的旋转夹40。旋转夹40可360°旋转，旋转夹40的旋转带动样品41旋转。为了便于样品41更换，第二臂44和横梁45连接处设有旋转轴46，第二臂44可绕旋转轴46旋转，从而调整样品41与放射源20间的距离，以便于更换样品41。竖直平移台47和水平平移台48可通过人力控制或电力控制。本具体实施例中，竖直平移台47和水平平移台48均为电控平移台，由控制系统50控制。通过使竖直平移台47和水平平移台48在竖直方向和水平方向移动，并通过调整旋转夹40，即可调整样品41与正电子探测器22间的距离和方位，获得样品41在不同位置的正电子湮没寿命值，从而实现样品41的多维度缺陷精确检测。

本发明多维度多普勒展宽谱测量系统可测量正电子在样品41中湮没辐射产生的γ光子的能谱，从而得到样品41中缺陷处电子的动量分布信息。多维度多普勒展宽谱测量系统包括γ能谱测量系统、反符合系统、三维移动系统和控制系统，其中反符合系统、三维移动系统和控制系统同多维度正电子湮没寿命谱测量系统中的反符合系统、三维移动系统和控制系统，在此不再赘述。

见图2，本具体实施例中，γ能谱测量系统包括NaI探测器30、HP-Ge探测器31、第二前置放大器32a、第三前置放大器32b、第二谱放大器33a、第三谱放大器33b、第二单道分析器34a、第三单道分析器34b、符合器15、模数转换器35和多道分析器15。

NaI探测器30的打拿极信号经第二前置放大器32a、第二谱放大器33a成形放大后输入第二单道分析器34a进行能量甄别，然后接入符合器14。HP-Ge探测器31的打拿极信号经第三前置放大器32b、第三谱放大器33b成形放大后输入第三单道分析器34b进行能量甄别，然后接入符合器14，同时第三谱放大器33b的脉冲反堆积信号输入模数转换器35以消除信号堆积效应的影响。

经过第二单道分析器34a和第三单道分析器34b进行适当的能量选择，只选取能量为0.511MeV的γ光子信号，使得只有当NaI探测器30和HP-Ge探测器31分别探测到同一正电子湮没产生能量(0.511MeV)相同、方向相反的2个γ光子信号时，并且反符合系统实现非样品中湮没信息的排除。符合器14的输出信号才打开模数转换器38的门信号，使之记录信号，并在多道分析器15中记录一个数据，得到多普勒展宽谱。

可联合上述多维度正电子湮没寿命谱测量系统和多维度多普勒展宽谱测量系统，获得多维度正电子湮没寿命谱—多普勒展宽谱同步测量系统，见图4，同步测量可通过以下方法实现：

时间测量系统可实现时间测量，采用γ能谱测量系统可实现γ能谱测量，反符合系统用来排除非样品中的湮没信息。将测量的时间信号和γ能谱信号同时输入符合器14进行符合和反符合判选。多道分析器15实现对同一正电子湮没事件的甄别，控制系统50同时记录正电子湮没寿命谱和多普勒展宽谱，实现正电子湮没寿命谱—多普勒展宽谱测量系统同步关联测量。

以上所述只为说明本发明的技术构思和特点，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员凡根据本发明的精神实质所作的修改或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。