基于多路模数转换卡的可重构正电子寿命谱仪

论文摘要

正电子是电子的反粒子,正负电子湮没谱学是研究材料纳米尺度微观缺陷的重要工具。常见的实验方法包括正电子湮没寿命谱、正电子湮没符合多普勒展宽谱、正电子湮没光子角关联谱、正电子湮没寿命-动量关联谱、慢正电子束流技术等,其中正电子湮没寿命谱是最基本、最常用的技术之一。根据数据采集方式的区别,一般有传统（常规）寿命谱仪和数字化寿命谱仪两种类型。本论文基于常规寿命谱仪的核电子学插件,以及通用多路模数转换采集卡（相当于可编程多路多道分析器）,搭建了一台可重构正电子寿命谱仪,通过设计各种在线数据处理算法,实现了寿命谱仪在功能与性能上的提升。本论文的工作还包括编写寿命谱模拟程序、构建相应的数学模型,以蒙卡模拟研究寿命谱畸变对解谱结果的影响,并通过极限参数模拟得到了一些对实验有重要借鉴意义且无法从实验中直接获得的结论。本论文借助寿命-能量同步测量技术,实现了探测器能窗的软件精确设置,研究了能窗设置对寿命谱解谱结果的影响,从而找到兼顾测试精度与效率的合理能窗设置方案,同时讨论了解谱时的一些注意事项。本工作从原理上对寿命谱畸变进行分析,构建出相应的能量沉积与定时模型,并以模拟寿命谱、Geant4能量沉积模拟进行验证,得到了与实验基本一致的结论。本论文借助软件卡阈技术,开发出两探测器互为起始、终止,能使计数率加倍的“对称寿命谱仪”,提出了基于原始谱峰位拟合的0道位对齐方法,并由模拟研究了 0道位、时间分辨不一致可能带来的问题。本论文尝试了以Kapton薄膜为参考样品的“单边寿命谱”测试,并通过模拟研究了源成分占比升高及不确定性可能带来的影响。本论文还介绍了寿命-能量关联二维谱的测试与应用。本论文基于可重构寿命谱仪平台,在不添加额外硬件设备的情况下,实现了22Na放射源活度的绝对测试,且源强值可与寿命谱同步测得。本工作在理论源强计算公式的基础上,提出了实际测量中的参数修正方法,有效控制了系统误差,使得测试精度可以满足我们的一般需求。本文中使用的各种新方法,可以为设计数字化寿命谱仪提供借鉴,数字化可重构寿命谱仪预期将有更好的性能。本工作中的寿命谱模拟、能量沉积模拟如果与脉冲畸变模拟等技术相互结合,预期将进一步提升模拟的精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•     1.1.1 正电子的发现
•     1.1.2 正电子的基本性质
•     1.1.3 正电子湮没在材料科学与生物医学中的应用
•   1.2 正电子湮没谱学简介
•     1.2.1 正电子湮没寿命（PAL）谱
•     1.2.2 正电子湮没符合多普勒展宽（CDB）谱
•     1.2.3 正电子湮没光子角关联（ACAR）谱
•     1.2.4 正电子湮没寿命-动量关联（AMOC）谱
•     1.2.5 慢正电子束流技术
•   1.3 本论文的主要工作与创新点
•     1.3.1 可重构寿命谱仪的研制
•     1.3.2 寿命谱模拟程序及其应用
•     1.3.3 寿命谱畸变的原理分析与解决方案
•     1.3.4 多功能寿命谱仪的开发
• 22Na放射源活度与寿命谱的同步测试'>    1.3.5²²Na放射源活度与寿命谱的同步测试
• 第2章 寿命谱仪与寿命谱模拟程序
•   2.1 谱仪硬件配置
•     2.1.1 整体结构
•     2.1.2 探测器
•     2.1.3 NIM标准电子学模块
•     2.1.4 数据采集卡
•   2.2 数据采集软件设计
•     2.2.1 开发环境
•     2.2.2 能谱测量与能窗设置
•     2.2.3 寿命谱测量与道宽标定
•   2.3 寿命谱模拟
•     2.3.1 问题的提出
•     2.3.2 模拟程序设计
•     2.3.3 极限参数设置对寿命谱的影响
•   2.4 本章小结
• 第3章 寿命谱畸变与软件解决方案
•   3.1 问题简介
•   3.2 软件阈值设置对寿命谱解谱结果的改善
•     3.2.1 利用软件自动设置探测器能窗
•     3.2.2 软件阈值设置对寿命谱的影响
•   3.3 原理分析与模拟验证
•     3.3.1 符合事例能量沉积模型
•     3.3.2 利用模拟寿命谱研究错误事例对解谱结果的影响
•     3.3.3 基于Geant4的探测器能量沉积模拟
•   3.4 起始探测器的阈值设置
•     3.4.1 放宽阈值以提高计数率并验证CFD时间游动设置
•     3.4.2 固定长寿命分量对解谱结果的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 多功能寿命谱仪的研制
•   4.1 两探测器互为起始终止的对称寿命谱仪
•     4.1.1 研制背景
•     4.1.2 子寿命谱参数差异对合并寿命谱的影响模拟
•     4.1.3 实验方法与测试结果
•   4.2 单边样品寿命谱
•     4.2.1 问题的提出
•     4.2.2 高占比源成分及其不确定性的模拟研究
•     4.2.3 单边样品寿命谱测试
•   4.3 二维正电子湮没谱仪
•     4.3.1 寿命-能量关联的二维正电子湮没谱仪
•     4.3.2 基于可重构寿命谱仪的二维谱测试
•   4.4 本章小结
• 第5章 Na-22放射源活度的同步测试
•   5.1 研究背景
•   5.2 源强测试的原理与实现方法
•     5.2.1 基本原理
•     5.2.2 实际测量中的参数修正
•   5.3 测试结果与讨论
• 22Na放射源的活度测试结果'>    5.3.1 一些²²Na放射源的活度测试结果
•     5.3.2 测量不确定度分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 丛龙瀚

导师: 叶邦角

关键词: 正电子谱学,放射源,闪烁体,多路采集卡,寿命谱畸变,蒙特卡洛模拟,无损检测,放射性活度

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,核科学技术,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TN792;O572.322;TL817

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000155

总页数: 102

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