实验室成功研制最高时间分辨率正电子湮没寿命谱仪

精密测量是科学研究中的一个重要维度。自安德森（Carl D. Anderson）于1932年发现正电子后，1941年美国耶鲁大学首先应用正电子湮没技术研究材料内部的缺陷。经过近一个世纪的发展，正电子湮没技术已经发展成为研究材料内部原子级缺陷和极微孔等微结构的独特探测方法。精确地表征材料中电子的结构、分布和密度的关键是正电子湮没寿命谱仪（PALS）的时间分辨率。目前商用PALS的时间分辨率通常在180-220 ps左右。对于金属、合金等晶体结构的电子分布研究，亟需提高谱仪的时间分辨。

中国科学技术大学粒子束交叉应用实验室在科技部国家重点研发计划的支持下，利用数字采集卡和自主开发的数据采集系统，设计了一种新颖的双终止探测方案，使得终止信号的时间由两个终止探测器给出。同时通过模拟优化了闪烁体的尺寸和形状，揭示了圆台型闪烁体比圆柱型闪烁体具有更好时间分辨的原因。搭建的高时间分辨率正电子湮没寿命谱仪实测表明，在谱仪使用三个圆台形（上底直径10 mm、下底直径20 mm、高10 mm）BaF₂闪烁体和双终止探测器设置时（图1a），达到了88.7 ps的时间分辨率（图1b），这是迄今为止国际上PALS最高的时间分辨率。这套高时间分辨的PALS的研制成功，将为研究合金和半导体等晶体材料的电子结构表征提供重要的测量手段。

图1.（a）高时间分辨率正电子湮没寿命谱仪的双终止探测器的空间布局，（b）模拟和实验时间分辨率与探测器构型的关系。

该工作于2023年10月26日以《Record high time resolution of positron annihilation lifetime spectrometer achieved by double-stop setup and geometry optimization of scintillators》为题发表在核技术领域重要期刊《Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A》。论文的第一作者为博士生李钰环，通讯作者为张宏俊特任研究员和叶邦角教授。