本發(fā)明屬于核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

正電子湮沒技術(shù)(Positron Annihilation Technique，PAT)，是一項較新的核物理技術(shù)，它利用正電子在凝聚物質(zhì)中的湮沒輻射帶出物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、電子動量分布及缺陷狀態(tài)等信息，從而提供一種非破壞性的研究手段而備受人們青睞?，F(xiàn)在正電子湮沒技術(shù)已經(jīng)進入固體物理、半導(dǎo)體物理、金屬物理、原子物理、表面物理、超導(dǎo)物理、生物學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)諸多領(lǐng)域。特別是材料科學(xué)研究中，正電子對微觀缺陷研究和相變研究正發(fā)揮著日益重大的作用。

正電子是電子的反粒子，除所帶電荷與電子相等，符號相反外，其他特性均與電子相同。正電子進入物質(zhì)后遇到電子會發(fā)生湮沒，同時放出兩個或三個伽馬光子。常用正電子源通常是貝塔衰變的放射性同位素，如²²Na、⁶⁸Ge等。從放射源發(fā)射的正電子進入固體材料后，首先將在約3ps內(nèi)通過與物質(zhì)中原子的各種飛彈性散射作用(如電子電離、等離子激發(fā)、正電子-電子碰撞、正電子-聲子相互作用等元激發(fā)過程)迅速損失能量并慢化至熱能(～0.025eV)。正電子在固體中的注入深度有一個分布，實驗得到的經(jīng)驗公式為p(x)＝αexp(-αx)，正電子射程式中ρ為固體的密度，E_max為入射正電子最大能量。對于²²Na放射源，E_max＝0.545MeV，正電子在固體中的注入深度一般不超過1mm。對于⁶⁸Ge放射源，E_max＝1.90MeV，正電子在固體中的注入深度一般不超過5mm。正電子在固體中發(fā)生湮沒時，主要是發(fā)射兩個光子，方向幾乎相反。由于正電子-電子對具有動量，它會引起湮沒輻射能量的多普勒移動，反映了物質(zhì)中的動量密度分布。

多普勒展寬測量是比較常見的一種正電子湮沒實驗手段，即測量正電子在固體中湮沒輻射的γ光子的能譜。我們常用線性參數(shù)法來分析多普勒展寬譜的變化，常用的有S參數(shù)和W參數(shù)。S參數(shù)反映低動量電子即價電子或者傳導(dǎo)電子的動量信息，而W參數(shù)反映了高動量電子即芯電子的動量信息。單探頭多普勒展寬測量使用一個高能量分辨率的高純鍺探測器，所測得的譜一般具有很高的本底。其峰計數(shù)與高能端本底之比高達(dá)150:1，在低能端的本底更高。多普勒展寬的細(xì)微變化通常被過高的本底所掩蓋，很難研究核芯電子的動量分布。因此發(fā)展了雙探頭多普勒展寬技術(shù)，使用兩個高純鍺探測器呈180度反向放置，可以將峰對本底之比提高2到3個數(shù)量級，并且提高了能量分辨率，可以用來鑒別元素，但是計數(shù)率較低，測量時間較長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的是提供一種實現(xiàn)待測樣品的多普勒展寬深度分布測量自動控制，且增加了符合系統(tǒng)的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)。獲取待測樣品中不同深度的低本底的正電子湮沒的多普勒展寬能譜，利用多普勒參數(shù)研究物質(zhì)內(nèi)部缺陷的深度分布信息。

本發(fā)明的另一目的是提供一種低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)的測量方法。

為實現(xiàn)上述第一個目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)，包括放置在水平電動平臺上的參考樣品、放射源和待測樣品；碘化鈉探測器、第一放大器、第一單道分析器，高純鍺探測器、第二放大器、第二單道分析器、前置放大器、第三放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器、計算機；還包括符合器和W-Cu準(zhǔn)直器；

碘化鈉探測器位于待測樣品的一側(cè)，與第一放大器和第一單道分析器相連；用于接收正電子在待測樣品中湮滅產(chǎn)生的γ光子，產(chǎn)生脈沖信號I，輸出到第一放大器；第一放大器將接收到的脈沖信號I放大后，輸出到所述第一單道分析器；

第一單道分析器與符合器相連，第一單道分析器將接收到的脈沖信號I進行能量選擇后輸出到符合器；

W-Cu準(zhǔn)直器位于待測樣品的另一側(cè)；高純鍺探測器位于W-Cu準(zhǔn)直器的后方，分別與第二放大器和前置放大器相連，用于接收從狹縫里射出的γ光子，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號II，分別輸出到前置放大器和第二放大器；

第二放大器與第二單道分析器相連，第二放大器將接收到的脈沖信號II放大后，輸出到第二單道分析器；

前置放大器依次與第三放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，脈沖信號II依次通過前置放大器和第三放大器放大后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

第二單道分析器與符合器相連，第二單道分析器將接收到的脈沖信號II進行能量選擇后，輸出到符合器；

符合器依次與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多道分析器相連，多道分析器與計算機相連；符合器輸出門信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號到多道分析器和計算機；

計算機連接水平電動平臺，用于接收多道分析器的信號和控制水平電動平臺的水平移動。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，W-Cu準(zhǔn)直器的狹縫寬度為80μm至150μm。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，放射源夾在參考樣品和待測樣品之間；放射源采用⁶⁸Ge，E_max＝1.90MeV，正電子在固體中的注入深度不超過5mm；放射源由kapton高分子膜所包裹。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，待測樣品深度測量范圍控制在0-2000μm；待測樣品若為高分子材料，則深度測量范圍控制在0-5000μm。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，碘化鈉探測器使用碘化鈉閃爍體。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，水平電動平臺包括樣品臺、可控制的水平電動旋鈕和底座；計算機控制水平電動旋鈕，使樣品臺在水平方向移動。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，γ光子能量為0.511MeV。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)中，脈沖信號I、脈沖信號II為均由能量為0.511MeV的γ光子產(chǎn)生的脈沖信號。

為實現(xiàn)上述第二個目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)的測量方法，該方法包括：

根據(jù)所需測量精度和高純鍺探測的計數(shù)率來確定W-Cu準(zhǔn)直器的狹縫調(diào)節(jié)寬度；

將待測樣品固定在水平電動平臺上，調(diào)節(jié)高度至合適位置，通過計算機控制水平電動平臺的水平移動；深度測量范圍控制在0-2000μm，對高分子材料而言，深度測量范圍可控制在0-5000μm；

正電子在待測樣品中湮沒時，相反方向發(fā)射出兩個γ光子，其中一個γ光子通過碘化鈉探測器接收并產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號I，由第一放大器放大，經(jīng)過第一單道分析器篩選，輸出到符合器；另一個γ光子通過高純鍺探測器接收并產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號II，經(jīng)第二放大器放大，再經(jīng)過第二單道分析器篩選出來，輸出到符合器；

當(dāng)脈沖信號I、脈沖信號II同時到達(dá)符合器時，符合器則輸出有效門信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

高純鍺探測器接收并產(chǎn)生的脈沖信號II通過前置放大器和第三放大器放大后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

當(dāng)接收到符合器的有效門信號時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器則輸出信號到多道分析器；

多道分析器將數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入的信號計數(shù)至不同的道址，并在以道址或能量為橫坐標(biāo)、每個道址中的計數(shù)為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，得到多普勒展寬譜；

計算機利用軟件收集多普勒展寬譜的數(shù)據(jù)，并通過對水平電動平臺的控制，得到樣品不同深度處的多普勒參數(shù)信息。

在上述的低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)的測量方法中，γ光子能量為0.511MeV，第一單道分析器和第二單道分析器均選擇由能量為0.511MeV的γ光子所產(chǎn)生的脈沖信號，分別輸出到符合器進行符合。

綜上所述，一方面，由于正電子在待測樣品中湮沒時產(chǎn)生兩個γ光子，且?guī)缀跸喾捶较虬l(fā)射，該系統(tǒng)將碘化鈉探測器接收到γ光子而輸出的脈沖信號與高純鍺探測器接收到γ光子而輸出的脈沖信號，通過符合器符合后，才輸出有效門信號對模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行選通，使真正在待測樣品中湮沒的γ光子信號被記錄下來，剔除了一些不在待測樣品中湮沒的γ光子信號，可以把多普勒展寬譜的峰頂與本底的計數(shù)比提高一個數(shù)量級。另一方面，通過計算機控制水平電動平臺，收集待測樣品從表面到體內(nèi)不同深度的多普勒展寬譜，提供了待測樣品缺陷深度分布信息。

本發(fā)明的有益效果是：實現(xiàn)了對待測樣品的多普勒展寬深度分布測量的自動控制，并且在此基礎(chǔ)上增加了符合系統(tǒng)，將測得的多普勒展寬譜的峰頂與本底的計數(shù)比提高一個數(shù)量級，有效降低了本底。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個實施例低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)的示意圖；

其中，1-水平電動平臺、2-參考樣品、3-放射源、4-待測樣品、5-多道分析器、6-計算機、11-碘化鈉探測器、12-第一放大器、13-第一單道分析器、14-W-Cu準(zhǔn)直器、15-高純鍺探測器、16-第二放大器、17-第二單道分析器、18-符合器、21-前置放大器、22-第三放大器、23-模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

圖2為本發(fā)明一個實施例水平電動平臺的示意圖；

其中，41-樣品臺、42-水平電動旋鈕、43-底座。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細(xì)描述。

所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進行描述。它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其它工藝的可應(yīng)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”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。

本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有規(guī)定和限定，術(shù)語“相連”“連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

本實施例采用以下技術(shù)方案：一種低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)，包括放置在水平電動平臺上的參考樣品、放射源和待測樣品；碘化鈉探測器、第一放大器、第一單道分析器，高純鍺探測器、第二放大器、第二單道分析器、前置放大器、第三放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器、計算機；還包括符合器和W-Cu準(zhǔn)直器；

碘化鈉探測器位于待測樣品的一側(cè)，與第一放大器和第一單道分析器相連；用于接收正電子在待測樣品中湮滅產(chǎn)生的γ光子，產(chǎn)生脈沖信號I，輸出到第一放大器；第一放大器將接收到的脈沖信號I放大后，輸出到所述第一單道分析器；

第一單道分析器與符合器相連，第一單道分析器將接收到的脈沖信號I進行能量選擇后輸出到符合器；

W-Cu準(zhǔn)直器位于待測樣品的另一側(cè)；高純鍺探測器位于W-Cu準(zhǔn)直器的后方，分別與第二放大器和前置放大器相連，用于接收從狹縫里射出的γ光子，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號II，分別輸出到前置放大器和第二放大器；

第二放大器與第二單道分析器相連，第二放大器將接收到的脈沖信號II放大后，輸出到第二單道分析器；

前置放大器依次與第三放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，脈沖信號II依次通過前置放大器和第三放大器放大后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

第二單道分析器與符合器相連，第二單道分析器將接收到的脈沖信號II進行能量選擇后，輸出到符合器；

符合器依次與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多道分析器相連，多道分析器與計算機相連；符合器輸出門信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號到多道分析器和計算機；

計算機連接水平電動平臺，用于接收多道分析器的信號和控制水平電動平臺的水平移動。

進一步，W-Cu準(zhǔn)直器的狹縫寬度為80μm至150μm。

進一步，放射源夾在參考樣品和待測樣品之間；放射源采用⁶⁸Ge，E_max＝1.90MeV，正電子在固體中的注入深度不超過5mm；放射源由kapton高分子膜所包裹。

進一步，待測樣品深度測量范圍控制在0-2000μm；待測樣品若為高分子材料，則深度測量范圍控制在0-5000μm。

進一步，碘化鈉探測器使用碘化鈉閃爍體。

進一步，水平電動平臺包括樣品臺、可控制的水平電動旋鈕和底座；計算機控制水平電動旋鈕，使樣品臺在水平方向移動。

進一步，γ光子能量為0.511MeV。

更進一步，脈沖信號I、脈沖信號II為均由能量為0.511MeV的γ光子產(chǎn)生的脈沖信號。

一種低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)的測量方法，該方法包括：

根據(jù)所需測量精度和高純鍺探測的計數(shù)率來確定W-Cu準(zhǔn)直器的狹縫調(diào)節(jié)寬度；

將待測樣品固定在水平電動平臺上，調(diào)節(jié)高度至合適位置，通過計算機控制水平電動平臺的水平移動；深度測量范圍控制在0-2000μm，對高分子材料而言，深度測量范圍可控制在0-5000μm；

正電子在待測樣品中湮沒時，相反方向發(fā)射出兩個γ光子，其中一個γ光子通過碘化鈉探測器接收并產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號I，由第一放大器放大，經(jīng)過第一單道分析器篩選，輸出到符合器；另一個γ光子通過高純鍺探測器接收并產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號II，經(jīng)第二放大器放大，再經(jīng)過第二單道分析器篩選出來，輸出到符合器；

當(dāng)脈沖信號I、脈沖信號II同時到達(dá)符合器時，符合器則輸出有效門信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

高純鍺探測器接收并產(chǎn)生的脈沖信號II通過前置放大器和第三放大器放大后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

當(dāng)接收到符合器的有效門信號時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器則輸出信號到多道分析器；

多道分析器將數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入的信號計數(shù)至不同的道址，并在以道址或能量為橫坐標(biāo)、每個道址中的計數(shù)為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，得到多普勒展寬譜；

計算機利用軟件收集多普勒展寬譜的數(shù)據(jù)，并通過對水平電動平臺的控制，得到樣品不同深度處的多普勒參數(shù)信息。

進一步，γ光子能量為0.511MeV，第一單道分析器和第二單道分析器均選擇由能量為0.511MeV的γ光子所產(chǎn)生的脈沖信號，分別輸出到符合器進行符合。

具體實施時，如圖1所示，低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)包括水平電動平臺1、多道分析器5、計算機6，碘化鈉探測器11、第一放大器12、第一單道分析器13、W-Cu準(zhǔn)直器14、高純鍺探測器15、第二放大器16、第二單道分析器17、符合器18，前置放大器21、第三放大器22、模數(shù)轉(zhuǎn)換器23；

水平電動平臺1如圖2所示，包括樣品臺41，可控制的水平電動旋鈕42和底座43；計算機6控制水平電動旋鈕42，使樣品臺41在水平方向精確移動；

樣品臺41上放置參考樣品2，放射源3和待測樣品4，放射源3由kapton高分子膜包裹，夾在參考樣品2和待測樣品4之間；

碘化鈉探測器11位于待測樣品4的一側(cè)，用于接收正電子在待測樣品4中湮沒產(chǎn)生的γ光子，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號I，輸出到第一放大器12；

第一放大器12將接收到的脈沖信號I放大后，輸出到第一單道分析器13；

W-Cu準(zhǔn)直器14位于待測樣品4的另一側(cè)，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)目p寬，使在待測樣品4某一深度層中湮沒的γ光子通過；保證較高的精確度和計數(shù)率；

高純鍺探測器15位于W-Cu準(zhǔn)直器14的后方，接收從W-Cu準(zhǔn)直器14狹縫里出來的γ光子，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號II，分別輸出到前置放大器21和第二放大器16；

脈沖信號II依次通過前置放大器21和第三放大器22放大后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器23；

第二放大器16將接收到的脈沖信號II放大后，輸出到第二單道分析器17；

第一單道分析器13和第二單道分析器17分別將各自接收到的脈沖信號I、脈沖信號II進行能量選擇后，分別輸出到符合器18；

符合器18輸出門信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器23；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器23輸出數(shù)字信號到多道分析器5和計算機；

計算機6與水平電動平臺1和多道分析器5相連接，控制水平電動平臺1在水平方向精確移動，并且收集和處理多道分析器5輸入的數(shù)據(jù)。

放射源3選用⁶⁸Ge。

關(guān)于⁶⁸Ge放射源，E_max＝1.90MeV，正電子在固體中的注入深度一般不超過5mm。

碘化鈉探測器11使用碘化鈉閃爍體，相對于其他無機閃爍體，其能量分辨率較高。

低本底多普勒展寬深度分布測量系統(tǒng)的測量方法通過以下過程實現(xiàn)：

將W-Cu準(zhǔn)直器14的狹縫調(diào)節(jié)到合適寬度，根據(jù)所需測量精度和高純鍺探測器15探測的計數(shù)率來確定，通常為80μm至150μm；

將待測樣品4固定在水平電動平臺1上，高度調(diào)節(jié)合適位置，在計算機6的控制下可以精確地水平移動，深度測量范圍控制在0-2000μm，對高分子材料而言，深度測量范圍可控制在0-5000μm；

正電子在待測樣品4中湮沒時，通?？紤]兩個幾乎相反方向發(fā)射出的兩個γ光子，其中一個通過碘化鈉探測器11接收并產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號I，通過第一放大器12放大，經(jīng)過第一單道分析器13篩選出來，輸出到符合器18；另一個通過高純鍺探測器14接收并產(chǎn)生相應(yīng)脈沖信號II，通過第二放大器17放大，經(jīng)過第二單道分析器17篩選出來，輸出到符合器18。

正電子湮沒輻射的γ光子能量為0.511MeV，第一單道分析器13和第二單道分析器17均選擇由能量為0.511MeV的光子所產(chǎn)生的脈沖信號。

當(dāng)脈沖信號I、脈沖信號II同時到達(dá)符合器18后，符合器18才輸出有效門信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器23。

高純鍺探測器15接收并產(chǎn)生的脈沖信號II通過前置放大器21和第三放大器22放大后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器23。

當(dāng)接收到符合器18的有效門信號時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器23才輸出信號到多道分析器5。

多道分析器5將從數(shù)模轉(zhuǎn)換器23輸入的信號計數(shù)至不同的道址，并在以道址或能量為橫坐標(biāo)、每個道址中的計數(shù)為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，得到多普勒展寬譜。

計算機6利用軟件收集多普勒展寬譜的數(shù)據(jù)，并通過對水平電動平臺1的控制，得到待測樣品4不同深度處的多普勒參數(shù)信息。

上述測量方法具有兩個特點，；一是使用W-Cu準(zhǔn)直器，通過計算機自動控制待測樣品的水平移動，獲得樣品從表面到體內(nèi)不同深度的多普勒展寬譜，實現(xiàn)了樣品缺陷深度分布測量；二是增加符合系統(tǒng)，使測得的多普勒展寬譜的峰頂與本底的計數(shù)比提高一個數(shù)量級，有效降低了本底。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

雖然以上結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，可以對這些實施方式做出多種變形或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。