一維及二維數(shù)字化正電子壽命譜儀的研制.pdf

1、正電子譜學(xué)是一種發(fā)展成熟的核物理與核技術(shù)檢測(cè)手段，它在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)工程、化學(xué)、生物科學(xué)與工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。正電子譜學(xué)具有其他材料分析與檢測(cè)手段所無法比擬的優(yōu)勢(shì)和前景，其主要研究手段包括正電子壽命譜儀(PALS)、正電子多普勒展寬譜儀(DBS)、正電子角關(guān)聯(lián)譜儀(ACAR)、慢正電子束(SPB)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。該方法最大的特點(diǎn)是:1、對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)中的納米尺度缺陷極為靈敏。2、它是一種無損檢測(cè)手段，不會(huì)對(duì)檢測(cè)材料造成損傷。正電子

2、湮沒過程的各種參數(shù)如壽命、動(dòng)量、能量和位置的探測(cè)方法和技術(shù)也在不斷地改善，尤其是目前正電子湮沒技術(shù)逐漸趨向于數(shù)字化方式，可以使數(shù)據(jù)在離線過程中靈活使用，大大提高了后期數(shù)據(jù)處理的多樣化方式。此外正電子湮沒產(chǎn)生的各種信息的關(guān)聯(lián)測(cè)量技術(shù)也發(fā)展很快，這種組合測(cè)量可以克服原來單一湮沒信息給微結(jié)構(gòu)的分析可能帶來的不全面因素。在多聚物材料科學(xué)中，以電子偶素(Ps)的形成和湮沒機(jī)制作為檢測(cè)介孔材料結(jié)構(gòu)特性的方法越來越受到材料研究者的重視，如何準(zhǔn)確地獲取

3、介孔特性參數(shù)已成為研究者主要任務(wù)。
　　本論文的第一項(xiàng)工作是以研究介孔材料中Ps的形成與湮沒機(jī)制的探測(cè)為目標(biāo)，采用商用數(shù)字化采集設(shè)備，研制與搭建了一臺(tái)數(shù)字化的正電子湮沒壽命譜儀，并取得如下成果:
　　1.首次實(shí)現(xiàn)了基于DRS4高速數(shù)字采集開發(fā)板與摻鈰溴化鑭閃爍體組合而成的新型數(shù)字化正電子壽命譜儀。在該譜儀中，分別使用了脈沖基線甄別法、脈沖幅度甄別法、脈沖面積甄別法與脈沖上升時(shí)間甄別法對(duì)采集的脈沖信號(hào)進(jìn)行甄別判選。在離線數(shù)字化

4、恒比定時(shí)過程中，分別使用了線性插值法、拉格朗日插值法、埃爾米特插值法、高斯函數(shù)擬合法、三次函數(shù)擬合法等多種數(shù)字化算法計(jì)算脈沖恒比點(diǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了正電子壽命譜的測(cè)試與測(cè)量，討論了提高正電子壽命譜儀時(shí)間分辨率的多種方法，大大簡(jiǎn)化了正電子壽命譜儀的電子學(xué)系統(tǒng)組件，實(shí)現(xiàn)了正電子壽命譜儀的小型化、簡(jiǎn)便化與實(shí)用化。
　　2.為了提高正電子壽命譜的解譜精度與智能化分析過程，我們根據(jù)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)了一套前向反饋型網(wǎng)絡(luò)(BP網(wǎng)絡(luò))算法的正電子

5、壽命譜解譜程序。該算法不僅能夠省去在常規(guī)解析正電子壽命譜中需要預(yù)設(shè)初始參數(shù)的過程，還可以自動(dòng)識(shí)別未知壽命數(shù)量與比例分布的正電子壽命譜，這加強(qiáng)了解析正電子壽命譜的智能化過程，其對(duì)每一個(gè)壽命譜數(shù)據(jù)都能夠給出精確的數(shù)值與分布的結(jié)果。此外，還研究了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法在解正電子壽命譜過程中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)對(duì)解譜精度的影響。經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)，最終生成了在較廣范圍內(nèi)具有良好解譜效果的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法。
　　本論文的第二項(xiàng)工作是自主研發(fā)了一套基于常規(guī)液

6、體源的二維正電子壽命譜儀，并取得了以下成果:
　　1、在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了基于商用數(shù)字采集卡的二維數(shù)字化正電子壽命幅度關(guān)聯(lián)譜儀。該譜儀可以同時(shí)記錄湮沒事件的壽命與能量信息，通過二維作圖，以研究不同湮沒能量處的壽命信息與不同湮沒壽命處的能量信息。并將該譜儀的時(shí)間分辨率提高到226ps、能量分辨率提高到9.6％(511keV)，并且比較了不同探測(cè)方案對(duì)譜儀各項(xiàng)性能的影響。討論了制約譜儀探測(cè)精度與效率的瓶頸，以及相應(yīng)的解決方法。
　　

7、2、使用該譜儀研究了在γ-Al2O3載體中摻雜不同質(zhì)量比的α-Fe2O3納米氧化物粉末（0％、16wt％α-Fe2O3/γ-Al2O3、50wt％α-Fe2O3/γ-Al2O3、α-Fe2O3）的Ps信息，主要研究了Ps在多孔材料內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)換問題。并結(jié)合使用常規(guī)物理檢測(cè)手段如TEM、XRD以研究混合粉末的結(jié)晶度及晶粒尺寸大小，使用XRF以確定混合粉末中Fe元素的相對(duì)比例、使用EPR譜儀以探測(cè)單位質(zhì)量材料內(nèi)的未配對(duì)電子濃度。我們使用二維

8、正電子壽命譜儀進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)未配對(duì)電子濃度不斷增加時(shí)，在壽命信息中發(fā)現(xiàn)樣品的第四壽命t4急劇變小，強(qiáng)度I4急劇變小，而第三壽命t3與強(qiáng)度I3并未發(fā)生較大改變;在湮沒能譜信息中發(fā)現(xiàn)隨著未配對(duì)電子濃度增加，3γ/2γ的相對(duì)比在不斷降低。這兩方面的信息說明了o-Ps發(fā)生3光子湮沒的壽命減小，強(qiáng)度降低，并驗(yàn)證了材料內(nèi)部未配對(duì)電子濃度對(duì)o-Ps的湮沒起著重要的作用。當(dāng)未配對(duì)電子濃度越高，o-Ps發(fā)生湮沒的概率就會(huì)越高，未配對(duì)電子促進(jìn)了o-Ps向