本發(fā)明涉及一種可探測多維度缺陷的正電子湮沒壽命譜和多普勒展寬譜測量系統(tǒng)。
背景技術(shù):
正電子譜學(xué)是以正電子為探針,研究正電子與物質(zhì)相互作用,利用現(xiàn)代核譜學(xué)方法精確測量湮沒參數(shù),從而得到有關(guān)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有用信息。作為一種無損檢測技術(shù),常規(guī)的正電子湮沒技術(shù)包含正電子湮沒壽命譜技術(shù)和多譜勒展寬譜技術(shù)。正電子放射源22Na發(fā)出的能量為1.28MeV的γ光子作為正電子的起始信號,正電子在樣品中湮沒后發(fā)出的能量為0.511MeV的γ光子作為正電子的終止信號,起始信號和終止信號之間的時間間隔即為正電子壽命。通過大量事件的統(tǒng)計結(jié)果,即可得到正電子壽命譜。正電子湮沒壽命可分辨樣品中存在的多種缺陷,給出各類缺陷的尺寸和濃度,通過數(shù)據(jù)分析,還可以得到缺陷尺寸的分布。多普勒展寬技術(shù)主要測量的是正電子在樣品中湮沒后產(chǎn)生的能量為0.511MeV的γ光子的能譜。由于電子-正電子對具有一定的動量,導(dǎo)致湮沒對的動量不為零,而電子的能量通常在幾電子伏,遠(yuǎn)大于正電子湮沒前的能量,因此正電子的動量可以忽略不計,多普勒展寬測量主要反映了電子的動量分布,可用來研究固體缺陷的電子結(jié)構(gòu),符合多普勒展寬還能得到缺陷周圍化學(xué)環(huán)境(元素組成)的信息。
目前,為了提高材料機(jī)械性能和滿足實際需求,材料往往需要通過磨具制造或者切割等技術(shù)制作成各種形狀,比如圓形,凹槽形,弧形或是管狀等,而不再是表面光滑且完整的平面。在實際應(yīng)用現(xiàn)場中,利用目前常規(guī)的檢測手段僅僅探測的是材料的外表面是否受損,而材料內(nèi)表面的情況難以探測到。雖然正電子湮沒譜測量可以靈敏地探測材料的缺陷,但是目前常規(guī)的正電子湮沒譜儀也只能探測表面光滑完整的材料而不能探測形狀不規(guī)則的樣品。正電子湮沒壽命譜和多普勒展寬譜測量系統(tǒng)大都采用“三明治式”夾心結(jié)構(gòu)即用兩片相同的樣品將放射源夾住進(jìn)行測量,嚴(yán)格來說并非真正的無損檢測(NDT),在實際應(yīng)用中存在以下幾點(diǎn)不足:(1)由于這種“三明治式”夾心結(jié)構(gòu),樣品與放射源直接接觸,易導(dǎo)致放射源破損以及放射性物質(zhì)泄露對樣品的污染,同時不易于實現(xiàn)樣品實時測量環(huán)境(光照、磁場、溫度等)的改變。(2)這種“三明治式”夾心結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)大塊樣品及厚樣品的缺陷檢測,也無法實現(xiàn)現(xiàn)場(in the field)檢測。(3)“三明治式”夾心結(jié)構(gòu)所用的樣品通常是兩塊相同的二維平面結(jié)構(gòu),無法實現(xiàn)對單塊不規(guī)則樣品多維度缺陷的精確無損檢測。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種可探測多維度缺陷的正電子湮沒壽命譜和多普勒展寬譜測量系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一、一種多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng),包括時間測量系統(tǒng)、反符合系統(tǒng)、三維移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng),其中:
時間測量系統(tǒng)包括第一BaF2閃爍體探測器、第一恒比甄別器、第一延時箱、第二BaF2閃爍體探測器、第二恒比甄別器、第二延時箱、符合器、時幅轉(zhuǎn)換器和多道分析器;第一BaF2閃爍體探測器、第一恒比甄別器、第一延時箱依次相連;第二BaF2閃爍體探測器、第二恒比甄別器、第二延時箱依次相連;第一恒比甄別器和第二恒比甄別器的輸出端還連接符合器;第一延時箱和第二延時箱的輸出端均連接時幅轉(zhuǎn)換器,時幅轉(zhuǎn)換器連接多道分析器,多道分析器連接控制系統(tǒng);
反符合系統(tǒng)包括放射源、正電子探測器、第一前置放大器、第一譜放大器和第一單道分析器;正電子探測器、第一前置放大器、第一譜放大器、第一單道分析器、符合器依次相連;正電子探測器由閃爍片和光電倍增管通過硅油耦合組成,且閃爍片和光電倍增管完全避光;放射源為同位素放射源,其直接滴于閃爍片上,并由Kapton膜密封;作為優(yōu)選,放射源選取22Na;
三維移動系統(tǒng)用來裝載樣品并使樣品在三維方向移動。
作為優(yōu)選,硅油的折射率大于1.3且透射率大于95%。
進(jìn)一步的,正電子探測器設(shè)于第一BaF2閃爍體探測器和第二BaF2閃爍體探測器間,且第一BaF2閃爍體探測器和正電子探測器間、以及第二BaF2閃爍體探測器和正電子探測器間均設(shè)有屏蔽件。
進(jìn)一步的,三維移動系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)夾、U型力臂、豎直平移臺和水平平移臺,豎直平移臺設(shè)于水平平移臺上,U型力臂其中一臂下端連接豎直平移臺上端,另一臂下端設(shè)有旋轉(zhuǎn)夾。
作為優(yōu)選,U型力臂中設(shè)有旋轉(zhuǎn)夾的一臂,該臂與U型力臂橫梁的連接處設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸。
多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)中,第一BaF2閃爍體探測器和第二BaF2閃爍體探測器分別設(shè)于樣品兩側(cè),且第一BaF2閃爍體探測器和第二BaF2閃爍體探測器位于同一水平面且軸線呈90°~120°夾角。第一BaF2閃爍體探測器用于探測放射源產(chǎn)生正電子時伴隨發(fā)射的能量為1.28MeV的γ光子信號并輸出相應(yīng)的脈沖信號,第二BaF2閃爍體探測器用于探測正電子在樣品中湮沒產(chǎn)生的能量為0.511MeV的γ光子信號并輸出相應(yīng)的脈沖信號。
第一恒比甄別器用來對第一BaF2閃爍體探測器發(fā)出的脈沖信號進(jìn)行能量選擇得到起始脈沖信號,第二恒比甄別器用于對第二BaF2閃爍體探測器發(fā)出的脈沖信號進(jìn)行能量選擇得到終止脈沖信號。
符合器用于實現(xiàn)對輸入信號的符合與反符合判選。第一延時箱和第二延時箱用于對探測到的起始脈沖信號和終止脈沖信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r。符合器輸出時幅轉(zhuǎn)換器的門信號,時幅轉(zhuǎn)換器用于將起始脈沖信號和終止脈沖信號間的時間間隔轉(zhuǎn)換成幅度與時間間隔成正比的輸出信號。多道分析器用于記錄時幅轉(zhuǎn)換器輸出的脈沖幅度。
二、一種多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng),包括γ能譜測量系統(tǒng)、反符合系統(tǒng)、三維移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng),其中:
γ能譜測量系統(tǒng)包括NaI探測器、HP-Ge探測器、第二前置放大器、第三前置放大器、第二譜放大器、第三譜放大器、第二單道分析器、第三單道分析器、符合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多道分析器,NaI探測器、第二前置放大器、第二譜放大器、第二單道分析器依次相連,HP-Ge探測器、第三前置放大器、第三譜放大器、第三單道分析器依次相連,第二單道分析器和第三單道分析器的輸出端分別連接符合器;符合器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器依次相連,多道分析器連接控制系統(tǒng),第三譜放大器的輸出端還連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器;
反符合系統(tǒng)包括放射源、正電子探測器、第一前置放大器、第一譜放大器和第一單道分析器;正電子探測器、第一前置放大器、第一譜放大器、第一單道分析器、符合器依次相連;正電子探測器由閃爍片和光電倍增管通過硅油耦合組成,且閃爍片和光電倍增管完全避光;放射源為同位素放射源,其直接滴于閃爍片上,并由Kapton膜密封;作為優(yōu)選,放射源選取22Na;
三維移動系統(tǒng)用來裝載樣品并使樣品在三維方向移動。
作為優(yōu)選,硅油的折射率大于1.3且透射率大于95%。
進(jìn)一步的,三維移動系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)夾、U型力臂、豎直平移臺和水平平移臺,豎直平移臺設(shè)于水平平移臺上,U型力臂其中一臂下端連接豎直平移臺上端,另一臂下端設(shè)有旋轉(zhuǎn)夾。
作為優(yōu)選,U型力臂中設(shè)有旋轉(zhuǎn)夾的一臂,該臂與U型力臂橫梁的連接處設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸。
本發(fā)明多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng)中,NaI探測器和HP-Ge探測器設(shè)于樣品的兩側(cè),且NaI探測器和HP-Ge探測器的軸線位于同一軸線上。NaI探測器和HP-Ge探測器的距離可根據(jù)源強(qiáng)大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。NaI探測器和HP-Ge探測器分別探測的是同一正電子湮沒時產(chǎn)生能量(0.511MeV)相等、方向相反的2個γ光子信號。
第二前置放大器和第三前置放大器用于減少外界干擾的相對影響,提高系統(tǒng)的信噪比,實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換及匹配。第二譜放大器和第三譜放大器用于對輸入的脈沖信號信號進(jìn)行成形放大。第二單道分析器和第三單道分析器用于對放大的脈沖信號進(jìn)行精確的能量選擇,選擇能量為0.511MeV的γ光子信號。
符合器用于實現(xiàn)對輸入信號的符合與反符合判選。模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。多道分析器用于記錄模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號。
上述反符合系統(tǒng)中,正電子探測器用來探測放射源發(fā)射的正電子在閃爍片中湮沒或穿過閃爍片時產(chǎn)生的光信號。第一前置放大器用于減少外界干擾的相對影響,提高系統(tǒng)的信噪比,實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換及匹配。第一譜放大器用于對第一前置放大器輸出的脈沖信號進(jìn)行成形放大。第一單道分析器用于對輸入的脈沖信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪芰窟x擇,以去除噪聲信號。第一單道分析器輸出的脈沖信號送至符合器進(jìn)行反符合,實現(xiàn)非樣品中湮沒信息的排除。
和現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
(1)采用反符合系統(tǒng)實現(xiàn)非樣品中湮沒信息的排除,從而提高探測的可靠性和探測精度;
(2)采用三維移動平臺調(diào)整樣品與正電子探測器間的距離和方位,從而可實現(xiàn)單塊不規(guī)則樣品多維度缺陷的精確無損檢測。
(3)本發(fā)明的多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)和多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng)可實現(xiàn)同步關(guān)聯(lián)測量。
本發(fā)明系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能:
(a)Z方向一維缺陷分布;(b)X-Y平面樣品的二維缺陷分布;(c)規(guī)則樣品各個表面或截面的缺陷分布;(d)復(fù)雜幾何形狀樣品不同部位的缺陷和損傷,如管道樣品內(nèi)表面及外表面,彎曲樣品,開槽樣品等。
附圖說明
圖1為多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為三維移動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4為多維度正電子湮沒壽命譜—多普勒展寬譜同步測量系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中:10a-第一BaF2閃爍體探測器,10b-第二BaF2閃爍體探測器,11a-第一恒比甄別器,11b-第二恒比甄別器,12a-第一延時箱,12b-第二延時箱,13-時幅轉(zhuǎn)換器,14-符合器,15-多道分析器,16a-第一鉛塊,16b-第二鉛塊;
20-放射源,21-閃爍片,22-正電子探測器,23-第一前置放大器,24-第一譜放大器,25-第一單道分析器;
30-NaI探測器,31-HP-Ge探測器,32a-第二前置放大器,32b-第三前置放大器,33a-第二譜放大器,33b-第三譜放大器,34a-第二單道分析器,34b-第三單道分析器,35-模數(shù)轉(zhuǎn)換器;
40-旋轉(zhuǎn)夾,41-樣品,42-U型力臂,43-第一臂,44-第二臂,45-橫梁,46-旋轉(zhuǎn)軸,47-豎直平移臺,48-水平平移臺;
50-控制系統(tǒng)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖所示的實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的介紹。
本發(fā)明多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)是指根據(jù)放射源22Na發(fā)射正電子時伴隨一個能量為1.28MeV的γ光子作為起始信號,正電子在樣品41中湮沒產(chǎn)生的能量為0.511MeV的γ光子作為終止信號,起始信號和終止信號之間的時間間隔即為正電子的壽命,反符合系統(tǒng)實現(xiàn)非樣品中湮沒信息的排除。
多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)包括時間測量系統(tǒng)、反符合系統(tǒng)、三維移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。見圖1,本具體實施例中,時間測量系統(tǒng)包括第一BaF2閃爍體探測器10a、第一恒比甄別器11a、第一延時箱12a、第二BaF2閃爍體探測器10b、第二恒比甄別器11b、第二延時箱12b、時幅轉(zhuǎn)換器13、符合器14和多道分析器15。
第一BaF2閃爍體探測器10a的陽極輸出端與第一恒比甄別器11a相連,第一BaF2閃爍體探測器10a的陽極信號分為兩支,一支信號進(jìn)入第一恒比甄別器11a的定時電路,給出定時脈沖,經(jīng)第一延時箱12a進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r后進(jìn)入時幅轉(zhuǎn)換器13。另一支信號進(jìn)入第一恒比甄別器11a的單道分析器對探測的γ光子信號進(jìn)行能量甄別,選取出能量為1.28MeV的γ光子信號,然后進(jìn)入符合器14。
同樣的,第二BaF2閃爍體探測器10b的陽極輸出端與第二恒比甄別器11b相連,第二BaF2閃爍體探測器10b的陽極信號分也為兩支,一支信號進(jìn)入第二恒比甄別器11b的定時電路,給出定時脈沖,經(jīng)第二延時箱12b進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r后進(jìn)入時幅轉(zhuǎn)換器13。另一支信號進(jìn)入第二恒比甄別器11b的單道分析器對探測的γ光子信號進(jìn)行能量甄別,選取能量為0.511MeV的γ光子信號,然后進(jìn)入符合器14。
反符合系統(tǒng)包括放射源20、正電子探測器22、第一前置放大器23、第一譜放大器24和第一單道分析器25。正電子探測器22由閃爍片21和光電倍增管(未在圖中畫出)通過折射率大于1.3、透射率大于95%的硅油耦合組成,具體實施方式中閃爍片21采用Pilot-U閃爍片。將放射源20直接滴在閃爍片21上,密封放射源20的材料選取Kapton膜。放射源20一面設(shè)于閃爍片21上,另一面緊靠樣品41,原則上可認(rèn)為放射源20發(fā)射的正電子一部分在樣品41中湮沒,另一部分在閃爍片21中湮沒。由于閃爍片21對γ光子探測效率非常低,正電子探測器22探測正電子湮沒產(chǎn)生的γ光子信號可以忽略不計。當(dāng)放射源20發(fā)射的正電子進(jìn)入閃爍片21中湮沒或穿過閃爍片21時,閃爍片21會以非常高的探測效率產(chǎn)生閃爍光并且被光電倍增管接收產(chǎn)生一個脈沖信號,該脈沖信號經(jīng)第一前置放大器23、第一譜放大器24成形放大后輸入第一單道分析器25進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪芰窟x擇,以去除噪聲信號,并將第一譜放大器24輸出的波形轉(zhuǎn)換成邏輯信號,然后輸入符合器14進(jìn)行反符合。
進(jìn)入符合器14有三個脈沖信號,分別為第一恒比甄別器11a輸出的能量為1.28MeV的γ光子起始脈沖信號(記為信號1)、第二恒比甄別器11b輸出的能量為0.511MeV的γ光子終止脈沖信號(記為信號2)和正電子在閃爍片21中湮沒產(chǎn)生的光信號(記為信號3);符合器14進(jìn)行反符合判選的條件為:(1)信號3沒有輸出到符合器14,且(2)信號1和信號2接入到符合器15;當(dāng)同時滿足條件(1)和(2),符合器14才會有脈沖輸出,輸出的脈沖即時幅轉(zhuǎn)換器13的門信號。多道分析器15實現(xiàn)對同一湮沒事件的甄別并記錄這一湮沒信息,多道分析器15的輸出連接控制系統(tǒng)50。原則上所得的正電子壽命測量譜中僅有正電子在樣品41中湮沒的信息,而正電子在閃爍片21中湮沒的信息被去除,從而實現(xiàn)正電子在非樣品中湮沒信息的排除。這里,非樣品中湮沒信息即正電子在樣品外湮沒的信息。
本具體實施例中,正電子探測器22設(shè)于第一BaF2閃爍體探測器10a和第二BaF2閃爍體探測器10b間,且第一BaF2閃爍體探測器10a和正電子探測器22間、以及第二BaF2閃爍體探測器10b和正電子探測器22間分別設(shè)有第一鉛塊16a和第二鉛塊16b。
正電子探測器22中閃爍片21和光電倍增管必須處于完全避光狀態(tài),選用鋁殼包裹閃爍片21和光電倍增管。根據(jù)樣品41的尺寸和形狀,以及更換方便原則,可適當(dāng)調(diào)整所述的第一BaF2閃爍體探測器10a、第二BaF2閃爍體探測器10b和正電子探測器22三者之間的位置關(guān)系。
三維移動系統(tǒng)用來裝載樣品41并實現(xiàn)樣品41在三維方向的移動。見圖3,三維移動系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)夾40、U型力臂42、豎直平移臺47和水平平移臺48,豎直平移臺47設(shè)于水平平移臺48上,水平平移臺48可在水平方向移動,豎直平移臺47可在豎直方向移動。U型力臂42包括第一臂43、第二臂44和橫梁45,第一臂43和第二臂44的上端分別連接橫梁45兩端。第一臂43下端連接豎直平移臺47上端,第二臂44下端設(shè)有用來夾持樣品41的旋轉(zhuǎn)夾40。旋轉(zhuǎn)夾40可360°旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)夾40的旋轉(zhuǎn)帶動樣品41旋轉(zhuǎn)。為了便于樣品41更換,第二臂44和橫梁45連接處設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸46,第二臂44可繞旋轉(zhuǎn)軸46旋轉(zhuǎn),從而調(diào)整樣品41與放射源20間的距離,以便于更換樣品41。豎直平移臺47和水平平移臺48可通過人力控制或電力控制。本具體實施例中,豎直平移臺47和水平平移臺48均為電控平移臺,由控制系統(tǒng)50控制。通過使豎直平移臺47和水平平移臺48在豎直方向和水平方向移動,并通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)夾40,即可調(diào)整樣品41與正電子探測器22間的距離和方位,獲得樣品41在不同位置的正電子湮沒壽命值,從而實現(xiàn)樣品41的多維度缺陷精確檢測。
本發(fā)明多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng)可測量正電子在樣品41中湮沒輻射產(chǎn)生的γ光子的能譜,從而得到樣品41中缺陷處電子的動量分布信息。多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng)包括γ能譜測量系統(tǒng)、反符合系統(tǒng)、三維移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng),其中反符合系統(tǒng)、三維移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)同多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)中的反符合系統(tǒng)、三維移動系統(tǒng)和控制系統(tǒng),在此不再贅述。
見圖2,本具體實施例中,γ能譜測量系統(tǒng)包括NaI探測器30、HP-Ge探測器31、第二前置放大器32a、第三前置放大器32b、第二譜放大器33a、第三譜放大器33b、第二單道分析器34a、第三單道分析器34b、符合器15、模數(shù)轉(zhuǎn)換器35和多道分析器15。
NaI探測器30的打拿極信號經(jīng)第二前置放大器32a、第二譜放大器33a成形放大后輸入第二單道分析器34a進(jìn)行能量甄別,然后接入符合器14。HP-Ge探測器31的打拿極信號經(jīng)第三前置放大器32b、第三譜放大器33b成形放大后輸入第三單道分析器34b進(jìn)行能量甄別,然后接入符合器14,同時第三譜放大器33b的脈沖反堆積信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器35以消除信號堆積效應(yīng)的影響。
經(jīng)過第二單道分析器34a和第三單道分析器34b進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪芰窟x擇,只選取能量為0.511MeV的γ光子信號,使得只有當(dāng)NaI探測器30和HP-Ge探測器31分別探測到同一正電子湮沒產(chǎn)生能量(0.511MeV)相同、方向相反的2個γ光子信號時,并且反符合系統(tǒng)實現(xiàn)非樣品中湮沒信息的排除。符合器14的輸出信號才打開模數(shù)轉(zhuǎn)換器38的門信號,使之記錄信號,并在多道分析器15中記錄一個數(shù)據(jù),得到多普勒展寬譜。
可聯(lián)合上述多維度正電子湮沒壽命譜測量系統(tǒng)和多維度多普勒展寬譜測量系統(tǒng),獲得多維度正電子湮沒壽命譜—多普勒展寬譜同步測量系統(tǒng),見圖4,同步測量可通過以下方法實現(xiàn):
時間測量系統(tǒng)可實現(xiàn)時間測量,采用γ能譜測量系統(tǒng)可實現(xiàn)γ能譜測量,反符合系統(tǒng)用來排除非樣品中的湮沒信息。將測量的時間信號和γ能譜信號同時輸入符合器14進(jìn)行符合和反符合判選。多道分析器15實現(xiàn)對同一正電子湮沒事件的甄別,控制系統(tǒng)50同時記錄正電子湮沒壽命譜和多普勒展寬譜,實現(xiàn)正電子湮沒壽命譜—多普勒展寬譜測量系統(tǒng)同步關(guān)聯(lián)測量。
以上所述只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和特點(diǎn),但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員凡根據(jù)本發(fā)明的精神實質(zhì)所作的修改或替換,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。