中国科大将正电子湮没寿命谱仪计数率提高两个数量级

正电子湮没谱学是对材料内部的原子级缺陷结构极其敏感的微结构表征方法。在正电子湮没谱学的多种实验技术中，正电子湮没寿命谱仪是应用最广泛装备量最多的谱仪。通过正电子湮没寿命谱测量，可以对晶体材料内的空位型缺陷、高分子的自由体积、多孔材料（尤其是孔径小于0.7纳米的极微孔材料）内的孔结构作出精确表征。

常规正电子湮没寿命谱仪采用γ-γ符合，通过分别探测1.275 MeV光子（²²Na同位素衰变产生正电子时的伴随光子）和511 keV光子（正电子与电子湮没后产生的光子）获得起始信号和终止信号，计数率约为100-300 cps。为了收集一个正电子湮没寿命谱，通常需要数小时的测量时间。

近年来，中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室叶邦角团队在科技部国家重点研发计划“纳米科技”重点专项（研究动量空间谱学的纳米结构和纳米薄膜的多参数正电子谱学表征新方法，2019-2024，项目负责人叶邦角）的支持下，对正电子湮没谱学的多种谱学技术展开深入研究。

图1 左图为新型β⁺-γ符合正电子湮没寿命谱仪的结构示意图，右图为连续重复测试60个Si的正电子湮没寿命谱对应的有效计数率和时间分辨。

2023年，该团队使用多探测器的策略，将γ-γ符合正电子湮没寿命谱仪的计数率提高了一个数量级。为了进一步提高正电子湮没寿命谱仪的计数率，首次使用硅光电倍增管（SiPM）和薄塑料闪烁体的组合通过直接探测正电子（不再探测1.275 MeV光子）获得起始信号，并使用了数字化波形技术和由Geant4模拟得到的优化结构，研制了一台新型β⁺-γ符合正电子湮没寿命谱仪（谱仪结构如图1左所示）。新谱仪在实现206 ps的优异时间分辨率的情况下，具有高达19000 cps的有效计数率（如图1右所示），这相比常规谱仪提高了两个数量级。

这项工作将单个正电子湮没寿命谱（100万总计数）的收集时间从数小时缩短到0.9分钟，显著提高了正电子湮没寿命谱仪的测试效率，有助于实现对材料内部快速动态演化过程的原位观测，大幅拓展了正电子湮没寿命谱学的应用领域。粒子束交叉应用实验室将利用该谱仪开展对一些重要材料内的快速物理和化学变化过程进行研究。

该工作于2024年10月28日以《Record high counting rate of positron annihilation lifetime spectrometer achieved by β⁺-γ coincidence》为题发表在核技术领域著名期刊《Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A》。论文的第一作者为博士生徐巍，通讯作者为张宏俊特任研究员。