基于电子对效应的正电子分析研究

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在本文中,我们针对一种新的正电子分析方法进行了研究——光致正电子分析(Photon Induced Positron Analysis,简称PIPA)。利用加速器打靶产生的轫致辐射X射线照射样品,通过光子在材料内部发生电子对效应来产生正电子,然后测量511keV湮没光子进行正电子分析。该方法既解决了传统正电子分析方法无法分析材料内部缺陷的问题,也避免了基于光核反应的PIPA方法成本高、防护难的缺点。本文结合蒙特卡罗模拟计算和实验验证的方法研究了关于这项技术基本可行性的若干主要问题和难点,建立了一套原型实验系统,并给出了初步的检测结果:1)研究了该方法用于正电子分析的灵敏度问题。使用7MeV加速器,对于铁、铜等多数材料都可以得到较满意的灵敏度;2)实现了在加速器工作的强辐射场下,对能谱多普勒展宽的精确测量。加速器工作时,大量的康普顿散射光子、光电子的轫致辐射光子、来自靶头的透射光子等与511keV湮没γ光子几乎同时到达探测器,会在探测器中造成严重的堆积。我们通过调整观测角θ等测量几何、合理设计屏蔽硬化条件,将能谱的信本比了提高到合适的水平,成功避免了能谱的堆积现象,同时又保持了适当的灵敏度。另外,加速器工作时向外发射大量电磁干扰,影响探测器工作状态,我们通过专门的电磁屏蔽设计,成功地使探测器能量分辨率保持在与正常环境相近的水平上;3)对不同的材料、同种材料的不同状态得到了初步的测量结果。在低碳钢样品的缺陷含量与测量结果之间建立了对应关系;4)研究了本PIPA方法对物体内部的定位测量问题,明确了本方法有可能实现对样品内部深度5cm以上进行定位测量;模拟和实验证明,使用较低能加速器,利用电子对效应进行正电子分析是可行的。这种正电子分析方法有较大潜力应用于在线无损检测,对发动机叶片、飞机起落架等航空金属有可能进行现场的内部缺陷检测和寿命预估。
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