中国科大首次实现单片微米级薄膜测量的非束流正电子湮没辐射多普勒展宽（DBAR）谱仪

电子的状态决定着材料的各种宏观性能，因此电子状态测量是材料学研究的核心需求。正电子湮没辐射多普勒展宽（DBAR）是测量材料内电子动量分布的关键实验技术。由于多普勒效应，正电子的2γ湮没辐射在511 keV附近存在能量展宽。通过测量511 keV湮没峰的能量展宽，就可以获得样品内电子的动量分布。

对于传统的非束流多普勒展宽测量，由于²²Na正电子源连续的正电子动能分布（0-545 keV），通常需要两片毫米级厚度的相同样品（密度为1 g/cm³时，厚度大于1 mm），才能保证99%以上的正电子在样品内湮没。然而，在许多薄膜研究中，很难甚至不可能满足毫米级的样品厚度要求。

使用慢正电子束，可以对薄膜样品进行测量。但是，正电子束结构复杂，运行成本高，全世界运行的正电子束常年不能满足庞大的薄膜样品测量需求。在本工作中，我们在未使用正电子束的条件下，首次成功研制可对单片微米级薄膜进行测量的多普勒展宽谱仪。

图1. 新型非束流多普勒展宽谱仪的结构

该新型多普勒展宽谱仪包括一个高纯锗（HPGe）探测器、一个反符合探测器、以及一个数据采集卡。反符合探测器由两个ϕ26×1 mm的塑料闪烁体、1个光电倍增管（PMT）和避光铝外壳组成。Geant4模拟表明，反符合探测器对正电子在塑料闪烁体中的能量沉积具有良好的响应，并讨论了反符合阈值设置对于错误事例占比的影响。另外，模拟了薄膜测量中的源成分占比，并提出了一种新型源校正方法。基于C++编写的数据采集与处理程序采用了多线程技术，实现了信号脉冲的在线处理。通过测量50 mm厚的五种金属（Al、Fe、Ni、Cu、Zn）薄膜的多普勒展宽谱（图2），验证了谱仪的正确性和可靠性。

图2. 不同金属薄膜的多普勒展宽谱，DE表示湮没辐射对511 keV的能量偏移。其中，青色曲线为正电子源直接测量的结果，用于其他样品数据的正电子源修正。

论文评审中，两位审稿人对本工作高度评价。第一位审稿人评价：It is my feeling that the article describes an important enough innovation。第二位审稿人评价：The proposed instrumental solution is interesting for the film community in general, for which the standard approach requires either slow positron beams availability or several identical films per measurement. The authors provide an additional demonstration of the benefits of using an anti-coincidence method to reject annihilation events occurring outside the sample (and the source). The topic of this paper is of broad interest to the NIMA community in general, and to the positron annihilation community in particular.

该研究成果于2024年3月26日发表于核探测领域著名期刊《Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A》，标题为《A non-beam-based Doppler broadening of positron annihilation radiation (DBAR) spectrometer for a single piece of micron-thickness film》。论文的第一作者为粒子束交叉应用实验室的博士生陈奕文，通讯作者为张宏俊特任研究员。