1、 射线能谱测量实验报告核工 1201 林勇 20120983一、 实验目的：1、了解 谱仪的工作原理及其特性。2、掌握应用谱仪测量 粒子能谱的方法。3、测量获取表中各种放射源在不同真空度下的能谱图，为不同放射源、不同真空度、不同探源距下 能谱的解谱方法研究准备数据，同时为 能谱库的建立做一些探索性工作。二、实验内容1、测定谱仪的能量分辨率，并进行能量刻度。2、测量未知 源的能谱，并确定 粒子能量。三、实验原理1、 放射源 放射源是以发射 粒子为基本特征的放射源。 粒子能量一般为 4-8MeV，在空气中的射程为 2.5-7.5cm，在固体中的射程为 10-20um。由于 粒子穿透物质的能力弱，为
2、此，设计制备 放射源时必须考虑源的自吸收。目前工业用的 放射源主要有241Am、238Pu、239Pu、244Cm(锔)和 210Po(钋)等，用量最大的是 241Am 源。因为 241Am容易生产，价格便宜，而且半衰期长。常用 放射源核素数据核素 半衰期主要 粒子能量(MeV)及分支比(%)比活度(GBq/g) 来源210Po 138.4d 5.305（100） 1.67105 5.01209212(,)dBiniPo 233U 1.59105a 4.824（84.4）4.783（13.2）.3min7.033 23, dThaU 235U 7.1108a4.216（6）4.368（12）4
3、.374（6）4.400（56）天然放射性核素238Pu 87.75a 5.445（28.7）5.499（71.1） 636.42.1723723838(,)dNpnPu 239Pu 2.44104a5.103（11）5.142（15）5.155（73）2.28.5min.589929,UNp 241Am 432a 5.443（12.7）5.486（86） 126.9238U 多次中子俘获生成 241Pu 14.21aAm 242Cm 162.5d 6.071（26.3）6.115（73.7） 1.25105 238U 多次中子俘获加 衰变2、 谱仪本次试验仪器拟采用西南科技大学国防重点试验室
4、 能谱仪，该 谱仪为美国 ORTEC 公司生产的 8 通道 能谱仪，型号为：ALPHA-ENSEMBLE.ORTEC 在 谱仪上采用超低本底和 PIPS 工艺（表面钝化、离子注入、可擦洗）硅探测器，同时真空舱室也为超低本底材料。面积上提供 300、450、490、600、900 和 1200 平方毫米的选择，有效耗尽层 100m。结构特性与性能指标：样品直径可从 13mm 至 51mm。探测器与被测样品之间有 10 档距离可选，相邻两档之间的距离差为 4mm，最大距离可达 44mm。真空计：范围 10mTorr 到 20Torr（1 Torr 133.322 Pa） 。探测器偏压：范围 010
5、0V，大小和正负极性可调节。漏电流检测器：范围 0 到 10,000nA，显示分辨率 3nA。脉冲产生器；范围 0 到 10MeV，稳定性50ppm/C，脉冲的幅度可调。数字化 MCA(多道脉冲幅度分析仪 )：通过软件可设置系统转换增益 (道数)为256、512、1024、2048 或者 4096 道，细调增益为 0.25 到 1；增益稳定性：150ppm/C ；每个事件的转换时间(死时间 )：2s。数字化稳谱、ADC 的零点(ZERO)和下阈(LLD) 均由计算机调节设置。谱仪的探测器偏压、漏电流均可在软件相关界面上以数字和图形显示出来。输入电源：120/240 V ac， 50/60 Hz
6、 输入功率 50W。通讯：USB2.0 接口。每一个 Alpha Ensemble 最终提供一条电缆给 PC。应用软件：MAESTRO-32 或 AlphaVision工作条件:温度 0C 到 50C，相对湿度 95%。分辨率与本底：基于使用 450mm2 ULTRA-AS 探测器和高质量的 241Am 点源，能量分辨率(FWHM)：20KeV (探测器到源的距离等于探测器的直径) ，探测器效率：25% (探测器到源的距离小于 10mm)，本底：在 3MeV 以上，每小时计数1。所有型号均可选择用于反冲抑制保护的样品盘选项。主要特点：探测室、前放、主放和多道一体化，系统具有高度的可靠性；全部功
7、能由计算机通过仿真软件控制；每一路都完全独立、互不干扰或影响；每一路谱仪可配不同规格型号探测器；容纳样品直径最大可达 51mm，探测器面积最大可达 1200mm2；系统可以扩展至 8 台共 64 路探测器。3、 谱仪工作原理 粒子通过物质时，主要是与物质的原子的壳层电子相互作用发生电离损失，使物质产生正负离子对，对于一定物质， 在其内部产生一对离子所需的平均能量是一定的（即平均电能 w） ，所以在物质中产生的正负离子对数与 粒子损失的能量成正比，即：N=WE公式中 N 为 粒子在物质 中产生的正负离子对数目，E 是在物质中损失的 粒子能量。如果 粒子将其全部能量损失在物质内，E 就是 粒子的能
8、量。半导体探测器是在六十年代发展起来的一种新型探测器，它以半导体为探测介质，其最大优点是能量分辨率高，脉冲上升时间短，体积小。重原子核进行 衰变放出的 粒子是高速的氦原子核，质量数为 4，带 2 个正电荷，其初速度约为 1210 9cm/s 范围内。由于 粒子在空气中的射程很短（在 T=15，P=1 大气压时，天然放射性核素衰变产生的 粒子，射程最大为 Thc(212Po) 为 8.62cm，能量最小 232Th 为 2.5cm） ，所以测量室应采用真空室，如上图 1 所示，采用真空泵将测量室抽成真空，这样与探测器接触的 粒子的能量才近似等于放射性核素经过 粒子放出的 粒子的初始能量（近似是因
9、为不可能将测量室抽成绝对真空） 。 粒子在探测器中因电离、激发（由于 粒子的质量很大，所以与物质的散射作用很不明显。 粒子在空气中的径迹是一条直线，这种直线很容易在威尔逊云室中看到。 ）等效应而产生电流脉冲，其幅度与 粒子能量成正比。电流信号经前置放大器、主放大器放大，出来的电信号通过多道分析器进行数据采集，最后通过计算机采集并显示其仪器谱（实验用 谱仪硬件连接及内部结构框图如图 1 所示） 。仪器谱以 粒子的能量（即脉冲幅度）为横坐标，某个能量段内 粒子数（或计数率）为纵坐标，即可计算样品中各单个核素发射的 粒子的能量与活度。理论上，单能 粒子谱是线状谱，应是位于相应能量点处垂直于横坐标轴的
10、单一直线，但由于 粒子入射方向、空气吸收、样品源自吸收的差异和低能粒子的叠加等原因，实际测得的是具有一定宽度的单个峰，其峰顶位置相应于 粒子的能量，谱线以下的面积为相应能量的 粒子的总计数率，峰的半高宽与峰顶能量比值的百分数则为 谱仪的能量分辨率。图 谱仪硬件连接及内部结构框图但电信号经放大器放大之后，由于电路中寄生电容、电感的作用，电脉冲信号结束之后，输出端并不立即回到零点位。电感性的寄生参量造成脉冲反冲，需要经过一段时间才能回到 0 电位，在更严重的情况下，甚至产生自激。电容性的寄生参量同样使电路需要经过一段时间才能回到 0 电位。虽然可以采用基线恢复或极零补偿等方式使输出端电位立即恢复，
11、但是还达不到理想状态。要是在恢复时间内又有第二个脉冲输入，其脉冲幅度将明显受到影响，在低能端形成拖尾。如果电路中存在电容性的寄生参量，将高能端将产生拖尾。在计数率较高时，若两个射线粒子（光子）几乎同时入射，探测器和电路的时间分辨能力不足以区分开而作为一个射线来记录，所得的脉冲能量为两个射线粒子（光子）的能量之和，从而在射线谱中得到一个能量很高的谱峰和峰。天然放射性物质进行 衰变放出的 粒子的能量在 48MeV 之间（能量最大 Thc(212Po) 为 8.785MeV，能量最小 232Th 为 3.993MeV） ，核反应截面很小，产生卢瑟福散射的几率也很小，主要是与核外电子的相互作用。 粒子
12、与电子碰撞，将使原子电离、激发而损失能量。 粒子的质量比电子大得多，当它通过吸收体时，需经过多次碰撞才损失较多的能量（因为在一次碰撞中，质量为 M、能量为 E 的带电粒子，转移给电子（质量为 m）的最大能量约为 4EmM/(M+m)2） 。4、金硅面垒型探测器来测量 粒子能谱.金硅面垒探测器结构如图所示，是用一片 N 型硅，蒸上一层簿金层（100-2000A）,接近金膜的那一层硅具有 P 型硅特性，这种方式形成的 PN 结靠近表面层，结区即为探测粒子的灵敏区。探测器工作时加一反向偏压,带电粒子在空间电荷区（势垒区）内损失能量而产生电子空穴对其数目同带电粒子的能量损失值 E 有关: N=E/W，
13、式中 N 是产生的正、负离子对数,W 是产生一对正、负离子对所需的平均能量, 正、负离子对，在一定的反向偏压作用下分别向探测器正、负极漂移，在输出电路产生电压脉冲,电压脉冲的幅度与核辐射在半导体探测器的灵敏区中的损失的能量成正比(若粒子在灵敏区损失其全部能量时)；脉冲数与核辐射的强度成正比。 为了提高谱仪的能量分辨率，探测器放在真空室中；另外金硅面垒探测器一般具有光敏的特性，在使用过程中，应有光屏蔽措施。5、半导体 谱仪：半导体 谱仪的组成如图 1 所示金硅面垒探测器是用一片 N 型硅，蒸上一薄层金（100-200 ） ，接近金膜的那一层硅具有 P 型硅的特性，这种方式形成的 PN 结靠近表面
14、层，结区即为探测粒子的灵敏区。探测器工作加反向偏压。 粒子在灵敏区内损失能量转变为与其能量成正比的电脉冲信号，经放大并由多道分析器测出幅度的分布，从而给出带电粒子的能谱。偏置放大器的作用是当多道分析器的道数不够用时，利用它切割、展宽脉冲幅度，以利于脉冲幅度的精确分析。为了提高谱仪的能量分辨率，探测器要放在真空室中。另外金硅面垒探测器一般具有光敏的特性，在使用过程中，应有光屏蔽措施。金硅面垒型半导体 谱仪具有能量分辨率高、能量线性范围宽、脉冲上升时间快、体积小和价格便宜等优点，在 粒子及其它重带电粒子能谱测量中有着广泛的应用。带电粒子进入灵敏区，损失能量产生电子空穴对。形成一对电子空穴所需的能量
15、 ，与半导体材料有关，与入射粒子的类型和能量无关。对于硅，在 300K 时， 为3.62eV，77K 时为 3.76eV。对于锗，在 77K 时 为 2.96eV。若灵敏区的厚度大于入射粒子在硅中的射程，则带电粒子的能量 E 全部损失在其中，产生的总电荷量 Q 等于 。为产生的电子空穴对数，e 为电子电量。由于外加偏压，灵敏区的电场强度很大，产生的电子空穴对全部被收集，最后在两极形成电荷脉冲。通常在半导体探测器设备中使用电荷灵敏前置放大器。它的输出信号与输入到放大器的电荷量成正比。探测器的结电容 是探测器偏压的函数，如果核辐射在探测器中产生电荷量为 Q，那么探测器输出脉冲幅度是 。因此，由于探
16、测器偏压的微小变化所造成的 变化将影响输出脉冲的幅度。事实上，电源电压的变化就可以产生偏压近种微小变化。此外，根据被测粒子的射程调节探测器的灵敏区厚度时，也往往需要改变探测器的偏压。要减少这些变化对输出脉冲幅度的影响，前级放大器对半导体探测器系统的性能越着重要的作用。图 2 表示典型探测器的等效电路和前置放大器的第一级。其中一 K 是放大器的开环增益，是反馈电容， 是放大器的总输入电容，它等于 是放大器插件电缆等寄生电容。前置放大器的输入信号是 ，它的等到效输入电容近似等于 ，只要，那么前置放大器的输出电压为（ 1 ）这样一来，由于选用了电荷灵敏放大器作为前级放大器，它的输出信号与输入电荷 Q
17、成正比，而与探测器的结电容 无关。确定半导体探测器偏压对 N 型硅，探测器灵敏区的厚度 和结电容 与探测器偏压 的关系如下：（ 2 ）（ 3 ）其中 为材料电阻率（ 。因灵敏区的厚度和结电容的大小决定于外加偏压，所以偏压的选择首先要使入射粒子的能量全部损耗在灵敏区中和由它所产生的电荷完全被收集，电子空穴复合和陷落的影响可以忽略。其次还需考虑到探测器的结电容对前置放大器来说还起着噪声的作用。电荷灵敏放大器的噪声水平随外接电容的增加而增加，探测器的结电容就相当它的外接电容。因此提高偏压降低结电容可以相当它的外接电容。因此提高偏压降低电容可以相当地减少噪声，增加值号幅度，提高信噪比，从而改善探测器的
18、能量分辨率。从上述两点来看，要求偏压加得高一点，但是偏压过高，探测器的漏电流也增大而使分辨率变坏。因此为了得到最佳能量分辨率，探测器的偏压应选择最佳范围。实验上最佳能量分辨率可通过测量不同偏压下的 谱线求得。如图 3 所示。并由此实验数据，分别作出一组峰位和能量分辨率对应不同偏压的曲线如图 4、图 5。分析以上结果，确定出探测器最佳偏压值。6、 谱仪的能量刻度和能量分辨率谱仪的能量刻度就是确定 粒子能量与脉冲幅度大小以谱线峰位在多道分析器中的道址表示。 谱仪系统的能量刻度有两种方法： 用一个 239Pu、 241Am、 244Cm 混合的 刻度源，已知各核素 粒子的能量，测出该能量在多道分析器
19、上所对应的道址，作能量对应道址的刻度曲线，并表示为：（ 4 ）E 为 粒子能量（keV） 。 为对应 E 谱峰所在道址（道） 。G 是直线斜率（keV/每道） ，称为刻度常数。 是直线截距（keV） 。它表示由于 粒子穿过探测器金层表面所损失的能量。一个已知能量的单能 源，配合线性良好的精密脉冲发生器来作能量刻度。这是在 源种类较少的实验条件下常用的方法。一般谱仪的能量刻度线性可达 0.1%左右。在与能量刻度相同的测量条件下（如偏压、放大倍数、几何条件等） ，测量求知能量谱。根据能量刻度曲线就可以确定 粒子的能量。常用 谱仪的刻度源能量可查核素常用表。谱仪的能量分辨率也用谱线的半宽度 FWHM
20、 表示。FWHM 是谱线峰最大计数一半处的宽度，以 keV 表示。在实用中，谱仪的能量分辨率还用能量展宽的相对百分比表示。例如本实验采用金硅面垒探测器，灵敏面积为 50 ，测得 241 源的 5.48MeV 的 粒子谱线宽度为 17keV(0.3%)。半导体探测器的突出优点是它的能量分辨率高，影响能量分辨率的主要因素有产生电子空穴对数和能量损失的统计涨落 ；探测器噪声 ；电子学噪声，主要是前置放大器的噪声 ；探测器的窗厚和放射源的厚度引起能量不均匀性所造成的能量展宽 。实验测出谱线的展宽 是由以上因素所造成影响的总和，表示为四、实验器材与试剂1 241Am 源 1 个、铝箔一张；2 ORTEC
21、 探测器及 LY326 型离子喷涂式测氡仪各一台；3 真空泵一台；4 PC 机 3 台、TP-LINK 普瑞尔 KE-2029 PCI 网卡 3 块、同轴电缆线若干。五、实验内容与步骤1、 打开 PC 机、8 路 谱仪和真空泵；2、 点击 PC 桌面上“MAESTRO for Windows” ；3、 测量源（也可测本底）：3.1）点“MAESTRO for Windows”的“Acquire”：3.1.0) 设置路3.1.1）设置高压，点 high voltage 的可控按钮“on” ，出现标志“On”表明高压设置 ok；3.2）点“MAESTRO for Windows”的“Alpha”：
22、3.2.1）Target 设为”300” （小于 1000 即可） ；3.2.2）vacuum 设置：A “Pump”抽真空，通过“actual”看是否抽真空；B “Vent“放弃真空；C “hold“保持真空；3.2.3）ADC：设置为 4096；3.2.4）点击“presets” ，设置“live time”（测量活时间） （源小则时间设置长，反之则短） ；3.2.5）若本来存在有谱，则在“input“图上点右键，点”clear“；3.2.6） “input“图上点右键，点”start“或菜单栏上”go“；3.3）点“calculate“，realtime 设置为 300；3.3.1）寻峰
23、“peak search“：3.3.2）选中该峰，右键，点“peak info“；Gross area：总计数，net area：净计数；能量分辨率=FWHM/peak 位；3.4）calibration：设置能量刻度，可默认；3.5）截图，打印；4、 关闭：4.1）去高压；4.2）去真空；4.3）去源；4.4）关机。6、试验记录数据一Peak(Kev) 2360.01=5155.00FWHM 69.72FW 组 69.72Gross Area 17684Net Area 4491141Gross/Net Count Rate(cps) 59.03/14.99分辨率： = =0.014=1.4%PeakFWHM69.72510数据二Peak(Kev) 2515.02=5486.00FWHM 6.72FW 组 6.72Gross Area 10711Net Area 162395Gross/Net Count Rate(cps) 35.76/5.42分辨率： = =0.0012=0.12% PeakFWHM6.7254804*4mm七、思考题1、 能谱测量为什么最好在真空中进行？答：排除一切可能干扰因素，保证实验结果的准确性。2、辨率随偏压变化曲线的特征，并说明选择探测器偏压应考虑哪些因素。答：应综合考虑偏压和温度等因素的影响。
