[發明專利]一種基于硅光電倍增器(SiPM)的正電子湮沒壽命譜儀

有效

• 申請號: 201910354382.0
• 申請日: 2019-04-29
• 公開（公告）號: CN110082368B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 王海波;葉邦角
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N23/00
• 分類號: G01N23/00;G01T1/36
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明公開了一種基于硅光電倍增器(SiPM)的正電子湮沒壽命譜儀，包括SiPM探測器模塊，模擬信號處理模塊，定時和甄別電路模塊，數字化采集電路模塊，符合單元和低壓供電模塊。SiPM探測器接收γ光子并產生閃爍光，閃爍光被SiPM轉換成光電信號；光電信號通過模擬信號處理模塊實現進一步的放大和降噪等處理成脈沖信號；脈沖信號被定時和甄別電路模塊定時和甄別，得到γ光子的位置信息，能量信息和時間信息；這些信息被數字化采集電路模塊采集，并由符合單元篩選成符合事件；所有模塊均有低壓供電模塊供電。該正電子湮沒壽命譜儀，能夠提高測量精度，減少測量時間，大幅降低成本，降低電源供電需求，譜儀結構得到簡化。

技術領域

本發明涉及正電子湮沒壽命譜儀的技術領域，特別涉及一種基于硅光電倍增器(SiPM)的正電子湮沒壽命譜儀。

背景技術

正電子湮沒譜學廣泛用于固體物理和材料科學方面的研究。正電子進入材料樣品后會通過各種形式損失能量，樣品中存在著空位、位錯等缺陷，熱化的正電子在庫侖力的作用下，很可能會停留在這些位置而停止擴散，最終于缺陷周圍的電子發生湮沒。正電子的壽命可以反映出它湮沒位置的電子濃度。正電子湮沒壽命譜儀也是幾種可以探測單原子量級缺陷的方法之一。

隨著半導體技術的發展，硅光電倍增器現在提供了一個極具吸引力的PMT替代品。硅光電倍增器件(SiPM)是一種光電傳感器件，它解決了探測、定時和量化低光信號到單光子水平的問題。相比傳統的光電倍增管(PMT)，它結合了PMT的低光檢測能力，同時提供了固態傳感器的所有優點。SiPM的特點是低電壓運行，對磁場不敏感，響應均勻性好。它還具有能量線性響應好，脈沖上升時間快，位置分辨率好等優點。SiPM易封裝，適合做成多通道的SiPM陣列，同時為了更好地匹配SiPM的發光光譜范圍，選取LYSO，LSO和LFS-3閃爍晶體耦合SiPM，LYSO，LSO和LFS-3晶體具有較高的光產額和較短的時間分辨，從而提供優秀的時間性能。

對于放射性元素²²Na源來說，當²²Na發生β+衰變時發射正電子，²²Na躍遷到²²Ne的激發態，此激發態的激發能為1.28MeV。激發態通過發射1.28MeV的γ光子退激到²²Ne的基態。在時間譜儀的分辨時間為10^-10秒量級的情況下，可以認為上述核躍遷過程中發射e⁺和γ是同時進行的。在測量正電子壽命時，1.28MeV的γ光子可作為正電子產生的起始信號。正電子湮沒放出的γ光子，可作為正電子湮沒的時間信號。測量這兩個時間信號之間的時間差，就得到了正電子壽命。

正電子湮沒壽命譜儀(Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy，PALS)作為正電子湮沒技術的一種最基礎應用。常規的正電子壽命譜儀是由閃爍晶體、光電倍增管、高壓、恒比定時甄別器、快符合電路、延時器、時間-幅度轉換器、NIM機箱、計算機多道分析器，計算機組成。如圖1所示，兩個閃爍探測器，一個作為起始探測器探測1.28MeVγ光子，一個作為停止探測器作為探測511keVγ光子。閃爍晶體探測到γ射線后，轉換成閃爍光經過光電倍增管產生過電信號，脈沖電信號進入恒比定時甄別器，恒比定時甄別器一方面對輸入信號進行幅度甄別，另一方面對輸入信號幅度符合上下閾值進行判選，輸出一個由恒比定時方法確定的標準信號。接下來在恒比定時甄別器中分成兩路標準輸出信號：一路輸出正信號用于快符合以觸發開門信號，另一路輸出信號經時間延遲后進入時間-幅度轉換器。當快符合輸出門信號給時間-幅度轉換器后，兩路標準信號的時間-幅度轉換器將時間差轉換成與幅度成正比的信號，由模數轉換器或者多道進行幅度甄別從而將幅度信號轉化為數值文件存儲起來，最終將若干這樣的事件累積起來所得到的譜就是正電子壽命譜。