中国科大成功建成超高计数率正电子湮没寿命谱仪

在物理学大部分领域，包括力学、热学、光学、原子物理学、量子力学、磁学、固体物理学，电子都有极其重要的作用。因此，当今物理学的发展中，对电子的密度、动量、自旋等各种性质的研究极其关键。

正电子是电子的反粒子，是探测电子各种性质的独特探针。正电子湮没谱学是一种独特的核分析技术，对于固体中的原子级的缺陷结构和超微孔结构具有极高的灵敏度。经过几十年的发展，正电子湮没谱学已经广泛应用于合金、半导体、多孔材料、高分子、催化剂等材料学研究领域，表征缺陷、超微孔、相变等相关的微结构特征。

在正电子湮没谱学中，正电子湮没寿命谱是应用最为广泛的实验技术。传统PAL谱仪使用两个闪烁探测器分别探测正电子的起始信号（1275 keV）和终止信号（511 keV光子），且探测器垂直摆放（为了减少因背散射和信号堆积引起的谱形畸变）。因此，传统PAL谱仪的计数率较低（100-300 cps），实验过程中需要数小时才能收集一个总计数一百万左右的寿命谱，这大幅限制了PAL谱仪在快速和原位测量方面的应用范围。

图1. 高计数率正电子湮没寿命谱仪的（a）四探测器的空间布局；（b）理论、模拟和实验计数率与探测器数量的关系。

为了提高PAL测量的计数率，中国科学技术大学粒子束交叉应用实验室利用数字示波器和自主开发的数据采集系统，设计了一种互为起始的检测方案，使得每个探测器都可以记录正电子发射和湮没的信号。同时，他们还利用Geant4模拟软件优化了探测器的尺寸和位置，减少了假符合事件对谱形的影响。该高计数率正电子湮没寿命谱仪（HCR-PALS）可以根据需要增加探测器的数量，实现高度可扩展性。实验结果表明，该谱仪使用四个探测器时（图1a），可以达到2144 cps的计数率，相对传统谱仪提高了一个数量级（图1b）。这意味着收集一个可靠的PAL谱只需要几分钟时间。该谱仪为PAL技术在原位测量方面提供了新的可能性，可以更精确地揭示快速物理或化学过程中材料微结构的演变，将会大幅扩大正电子湮没谱学的应用领域。

该工作已于2023年7月20日以《Super high counting rate of positron annihilation lifetime spectrometer achieved via multiple detectors》为题发表在核技术领域著名期刊《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment》。论文的第一作者为博士生董赟，通讯作者为张宏俊特任研究员和叶邦角教授。粒子束交叉应用实验室将利用该谱仪对快速物理和化学过程展开研究。