研究用于正电子湮没角关联测量的条形阵列探测器

Angular Correlation of Positron Annihilation Radiation (ACAR) is the distribution curves of deviation angles from many pairs of annihilation radiation measured, revealing the electron momentum distribution in the material where positron annihilated, and obtaining more accurate electron momentum information than the Doppler broadening energy Spectrum. Although the ACAR has unique advantages in characterizing the material microstructure and electronic density distribution, there are many limitations in practical experiment due to the complexity of the system and low counting rate with long time measuring. In this project, a strip-shaped array detector will be developed, aiming at the disadvantages of the existing ACAR measuring method, based on many years researches of positron annihilation spectroscopy from the research group of applicant. The detector has a one-dimensional resolution capability for photons arrival-in positions, enabling a new ACAR measurement method to improve the counting efficiency significantly.

正电子湮没角关联谱是测量2γ发射夹角的分布曲线，反映了介质中的电子动量分布，得到比多普勒展宽能谱更精确的电子动量信息。正电子湮没角关联方法在表征材料微结构和电子态密度分布方面独具优势。由于系统的装置结构复杂、系统庞大、计数效率低、测量时间长、在实际应用中受到诸多限制，使得角关联方法的应用普及率非常低。本项目将依托申请人所在课题组多年来从事正电子谱学方法的研究，针对现有正电子湮没角关联测量方法的不足，开展条形阵列探测器研究，该探测器对伽马光子入射位置具有非常好的一维空间分辨能力，能够提高角关联测量系统角分辨能力，显著提高计数效率，并且实现设备的小型化。

正电子湮没角关联谱（ACAR）可实现物质中电子动量的高精度测量，其高精度分辨率是通过狭缝压缩探测立体角实现，从而导致了装置复杂且计数率低，使其在普适性方面受到诸多限制。本项目从问题根源切入，基于探测器定位性能替代限制探测立体角实现ACAR的基本原理，从方法论证和设备建设两方面，开展了ACAR位置灵敏型探测器（PSD）研究，具体包括阵列晶体型（AS）和连续晶体型（CS）两种结构。其一，针对角分辨对PSD定位能力的要求，利用Geant4深入模拟不同尺寸AS-PSD的位置分辨率，获得了晶体尺寸及阵列晶体隔离层对分辨率和探测效率的关系曲线；论证了CS-PSD结合定位算法的ACAR方法，优化了重心定位算法和极大似然定位算法使得分辨率显著提高，实现了卷积神经网络的定位算法，消除了晶体边缘的压缩效应，铜和铝的模拟结果获得了<0.5mrad的一维角分辨率，证明该方法理论可行。其二，采用3×3×5mm硅酸钇镥（LYSO）和3mm像素硅光电倍增管（SiPM）完成了8×8阵列探测器封装，探测面的位置分辨率为3mm，并设计完成了“DRS4+ADC+FPGA”结构的 64通道信号数字化采集卡；结合基于LabVIEW开发的离线数据处理软件，利用该探测器与氟化钡晶体探测器搭建了1套半阵列化可用于一维和二维ACAR测量装置，可实现无探测立体角限制和角度扫描的实验，不仅极大精简了设备，且通过离线数据处理压缩了信号采集时间。上述结果不仅证明了基于PSD测量ACAR方法原理的可行性，从根源解决了ACAR测量存在的不理想因素，为谱仪的优化提供了理论基础，而且，积累的大量基础数据和经验为进一步优化定位算法和探测器设计提供了知识储备，以及为通过双阵列探测器构建全数字化的2D-ACAR提供了实验和设备基础，该谱仪技术的革新可成为支撑材料表征科学和物理科学等领域孕育新成果的重要基础和前提。