α射線能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、射線能譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解譜儀的工作原理及其特性。2、掌握應(yīng)用譜儀測(cè)量粒子能譜的方法。3、測(cè)量獲取表中各種放射源在不同真空度下的能譜圖，為不同放射源、不同真空度、不同探源距下能譜的解譜方法研究準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，同時(shí)為能譜庫(kù)的建立做一些探索性工作。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)定譜儀的能量分辨率，并進(jìn)行能量刻度。2、測(cè)量未知源的能譜，并確定粒子能量。三、實(shí)驗(yàn)原理1、放射源放射源是以發(fā)射粒子為基本特征的放射源。粒子能量一般為4-8MeV，在空氣中的射程為2.5-7.5cm，在固體中的射程為10-20um。由于粒子穿透物質(zhì)的能力弱，為此，設(shè)計(jì)制備放射源時(shí)必須考慮源的自吸收。目前工業(yè)用的放射源主要有2

2、41Am、238Pu、239Pu、244Cm(鋦)和210Po(釙)等，用量最大的是241Am源。因?yàn)?41Am容易生產(chǎn)，價(jià)格便宜，而且半衰期長(zhǎng)。常用放射源核素?cái)?shù)據(jù)核素半衰期主要粒子能量(MeV)及分支比(%)比活度(GBq/g)來源210Po138.4d5.305（100）1.67105233U1.59105a4.824（84.4）4.783（13.2）235U7.1108a4.216（6）4.368（12）4.374（6）4.400（56）天然放射性核素238Pu87.75a5.445（28.7）5.499（71.1）636.4239Pu2.44104a5.103（11）5.142（15）

3、5.155（73）2.28241Am432a5.443（12.7）5.486（86）126.9238U多次中子俘獲生成241Pu242Cm162.5d6.071（26.3）6.115（73.7）1.25105238U多次中子俘獲加衰變2、譜儀本次試驗(yàn)儀器擬采用西南科技大學(xué)國(guó)防重點(diǎn)試驗(yàn)室能譜儀，該譜儀為美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)的8通道能譜儀，型號(hào)為：ALPHA-ENSEMBLE.ORTEC在譜儀上采用超低本底和PIPS工藝（表面鈍化、離子注入、可擦洗）硅探測(cè)器，同時(shí)真空艙室也為超低本底材料。面積上提供300、450、490、600、900和1200平方毫米的選擇，有效耗盡層100m。結(jié)構(gòu)特性與性能

4、指標(biāo)：樣品直徑可從13mm至51mm。探測(cè)器與被測(cè)樣品之間有10檔距離可選，相鄰兩檔之間的距離差為4mm，最大距離可達(dá)44mm。真空計(jì)：范圍10mTorr到20Torr（1 Torr 133.322 Pa）。探測(cè)器偏壓：范圍0100V，大小和正負(fù)極性可調(diào)節(jié)。漏電流檢測(cè)器：范圍0到10,000nA，顯示分辨率3nA。脈沖產(chǎn)生器；范圍0到10MeV，穩(wěn)定性50ppm/C，脈沖的幅度可調(diào)。數(shù)字化MCA(多道脈沖幅度分析儀)：通過軟件可設(shè)置系統(tǒng)轉(zhuǎn)換增益(道數(shù))為256、512、1024、2048或者4096道，細(xì)調(diào)增益為0.25到1；增益穩(wěn)定性：150ppm/C；每個(gè)事件的轉(zhuǎn)換時(shí)間(死時(shí)間)：2s。數(shù)

5、字化穩(wěn)譜、ADC的零點(diǎn)(ZERO)和下閾(LLD)均由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)設(shè)置。譜儀的探測(cè)器偏壓、漏電流均可在軟件相關(guān)界面上以數(shù)字和圖形顯示出來。輸入電源：120/240 V ac， 50/60 Hz輸入功率50W。通訊：USB2.0接口。每一個(gè)Alpha Ensemble最終提供一條電纜給PC。應(yīng)用軟件：MAESTRO-32或AlphaVision工作條件:溫度0C到50C，相對(duì)濕度 95%。分辨率與本底：基于使用450mm2 ULTRA-AS探測(cè)器和高質(zhì)量的241Am點(diǎn)源，能量分辨率(FWHM)：20KeV (探測(cè)器到源的距離等于探測(cè)器的直徑)，探測(cè)器效率：25% (探測(cè)器到源的距離小于10mm)，

6、本底：在3MeV以上，每小時(shí)計(jì)數(shù)1。所有型號(hào)均可選擇用于反沖抑制保護(hù)的樣品盤選項(xiàng)。主要特點(diǎn)：探測(cè)室、前放、主放和多道一體化，系統(tǒng)具有高度的可靠性；全部功能由計(jì)算機(jī)通過仿真軟件控制；每一路都完全獨(dú)立、互不干擾或影響；每一路譜儀可配不同規(guī)格型號(hào)探測(cè)器；容納樣品直徑最大可達(dá)51mm，探測(cè)器面積最大可達(dá)1200mm2；系統(tǒng)可以擴(kuò)展至8臺(tái)共64路探測(cè)器。3、譜儀工作原理粒子通過物質(zhì)時(shí)，主要是與物質(zhì)的原子的殼層電子相互作用發(fā)生電離損失，使物質(zhì)產(chǎn)生正負(fù)離子對(duì)，對(duì)于一定物質(zhì)，在其內(nèi)部產(chǎn)生一對(duì)離子所需的平均能量是一定的（即平均電能w），所以在物質(zhì)中產(chǎn)生的正負(fù)離子對(duì)數(shù)與粒子損失的能量成正比，即：N= 公式中N為粒

7、子在物質(zhì) 中產(chǎn)生的正負(fù)離子對(duì)數(shù)目，E是在物質(zhì)中損失的粒子能量。如果粒子將其全部能量損失在物質(zhì)內(nèi)，E就是粒子的能量。半導(dǎo)體探測(cè)器是在六十年代發(fā)展起來的一種新型探測(cè)器，它以半導(dǎo)體為探測(cè)介質(zhì)，其最大優(yōu)點(diǎn)是能量分辨率高，脈沖上升時(shí)間短，體積小。 重原子核進(jìn)行衰變放出的粒子是高速的氦原子核，質(zhì)量數(shù)為4，帶2個(gè)正電荷，其初速度約為12109cm/s范圍內(nèi)。由于粒子在空氣中的射程很短（在T=15，P=1大氣壓時(shí)，天然放射性核素衰變產(chǎn)生的粒子，射程最大為Thc(212Po) 為8.62cm，能量最小232Th為2.5cm），所以測(cè)量室應(yīng)采用真空室，如上圖1所示，采用真空泵將測(cè)量室抽成真空，這樣與探測(cè)器接觸的粒

8、子的能量才近似等于放射性核素經(jīng)過粒子放出的粒子的初始能量（近似是因?yàn)椴豢赡軐y(cè)量室抽成絕對(duì)真空）。粒子在探測(cè)器中因電離、激發(fā)（由于粒子的質(zhì)量很大，所以與物質(zhì)的散射作用很不明顯。粒子在空氣中的徑跡是一條直線，這種直線很容易在威爾遜云室中看到。）等效應(yīng)而產(chǎn)生電流脈沖，其幅度與粒子能量成正比。電流信號(hào)經(jīng)前置放大器、主放大器放大，出來的電信號(hào)通過多道分析器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后通過計(jì)算機(jī)采集并顯示其儀器譜（實(shí)驗(yàn)用譜儀硬件連接及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示）。儀器譜以粒子的能量（即脈沖幅度）為橫坐標(biāo)，某個(gè)能量段內(nèi)粒子數(shù)（或計(jì)數(shù)率）為縱坐標(biāo)，即可計(jì)算樣品中各單個(gè)核素發(fā)射的粒子的能量與活度。理論上，單能粒子譜是線狀譜

9、，應(yīng)是位于相應(yīng)能量點(diǎn)處垂直于橫坐標(biāo)軸的單一直線，但由于粒子入射方向、空氣吸收、樣品源自吸收的差異和低能粒子的疊加等原因，實(shí)際測(cè)得的是具有一定寬度的單個(gè)峰，其峰頂位置相應(yīng)于粒子的能量，譜線以下的面積為相應(yīng)能量的粒子的總計(jì)數(shù)率，峰的半高寬與峰頂能量比值的百分?jǐn)?shù)則為譜儀的能量分辨率。 圖 譜儀硬件連接及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 但電信號(hào)經(jīng)放大器放大之后，由于電路中寄生電容、電感的作用，電脈沖信號(hào)結(jié)束之后，輸出端并不立即回到零點(diǎn)位。電感性的寄生參量造成脈沖反沖，需要經(jīng)過一段時(shí)間才能回到0電位，在更嚴(yán)重的情況下，甚至產(chǎn)生自激。電容性的寄生參量同樣使電路需要經(jīng)過一段時(shí)間才能回到0電位。雖然可以采用基線恢復(fù)或極零補(bǔ)償?shù)?/p>

10、方式使輸出端電位立即恢復(fù)，但是還達(dá)不到理想狀態(tài)。要是在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)又有第二個(gè)脈沖輸入，其脈沖幅度將明顯受到影響，在低能端形成拖尾。如果電路中存在電容性的寄生參量，將高能端將產(chǎn)生拖尾。 在計(jì)數(shù)率較高時(shí)，若兩個(gè)射線粒子（光子）幾乎同時(shí)入射，探測(cè)器和電路的時(shí)間分辨能力不足以區(qū)分開而作為一個(gè)射線來記錄，所得的脈沖能量為兩個(gè)射線粒子（光子）的能量之和，從而在射線譜中得到一個(gè)能量很高的譜峰和峰。天然放射性物質(zhì)進(jìn)行衰變放出的粒子的能量在48MeV 之間（能量最大Thc(212Po) 為8.785MeV，能量最小232Th為3.993MeV），核反應(yīng)截面很小，產(chǎn)生盧瑟福散射的幾率也很小，主要是與核外電子的相互作

11、用。粒子與電子碰撞，將使原子電離、激發(fā)而損失能量。粒子的質(zhì)量比電子大得多，當(dāng)它通過吸收體時(shí)，需經(jīng)過多次碰撞才損失較多的能量（因?yàn)樵谝淮闻鲎仓校|(zhì)量為M、能量為E的帶電粒子，轉(zhuǎn)移給電子（質(zhì)量為m）的最大能量約為4EmM/(M+m)2）。4、金硅面壘型探測(cè)器來測(cè)量粒子能譜.金硅面壘探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖所示，是用一片N型硅，蒸上一層簿金層（100-2000A）,接近金膜的那一層硅具有P型硅特性，這種方式形成的PN結(jié)靠近表面層，結(jié)區(qū)即為探測(cè)粒子的靈敏區(qū)。探測(cè)器工作時(shí)加一反向偏壓,帶電粒子在空間電荷區(qū)（勢(shì)壘區(qū)）內(nèi)損失能量而產(chǎn)生電子空穴對(duì)其數(shù)目同帶電粒子的能量損失值E有關(guān): N=E/W，式中N是產(chǎn)生的正、負(fù)離子

12、對(duì)數(shù),W是產(chǎn)生一對(duì)正、負(fù)離子對(duì)所需的平均能量, 正、負(fù)離子對(duì)，在一定的反向偏壓作用下分別向探測(cè)器正、負(fù)極漂移，在輸出電路產(chǎn)生電壓脈沖,電壓脈沖的幅度與核輻射在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)中的損失的能量成正比(若粒子在靈敏區(qū)損失其全部能量時(shí))；脈沖數(shù)與核輻射的強(qiáng)度成正比。 為了提高譜儀的能量分辨率，探測(cè)器放在真空室中；另外金硅面壘探測(cè)器一般具有光敏的特性，在使用過程中，應(yīng)有光屏蔽措施。5、半導(dǎo)體譜儀：半導(dǎo)體譜儀的組成如圖1所示 金硅面壘探測(cè)器是用一片N型硅，蒸上一薄層金（100-200），接近金膜的那一層硅具有P型硅的特性，這種方式形成的PN結(jié)靠近表面層，結(jié)區(qū)即為探測(cè)粒子的靈敏區(qū)。探測(cè)器工作加反向偏壓。

13、粒子在靈敏區(qū)內(nèi)損失能量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其能量成正比的電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大并由多道分析器測(cè)出幅度的分布，從而給出帶電粒子的能譜。偏置放大器的作用是當(dāng)多道分析器的道數(shù)不夠用時(shí)，利用它切割、展寬脈沖幅度，以利于脈沖幅度的精確分析。為了提高譜儀的能量分辨率，探測(cè)器要放在真空室中。另外金硅面壘探測(cè)器一般具有光敏的特性，在使用過程中，應(yīng)有光屏蔽措施。金硅面壘型半導(dǎo)體譜儀具有能量分辨率高、能量線性范圍寬、脈沖上升時(shí)間快、體積小和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在粒子及其它重帶電粒子能譜測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。帶電粒子進(jìn)入靈敏區(qū)，損失能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)。形成一對(duì)電子空穴所需的能量，與半導(dǎo)體材料有關(guān)，與入射粒子的類型和能量無關(guān)。對(duì)于硅，在

14、300K時(shí)，為3.62eV，77K時(shí)為3.76eV。對(duì)于鍺，在77K時(shí)為2.96eV。若靈敏區(qū)的厚度大于入射粒子在硅中的射程，則帶電粒子的能量E全部損失在其中，產(chǎn)生的總電荷量Q等于。為產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)，e為電子電量。由于外加偏壓，靈敏區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度很大，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)全部被收集，最后在兩極形成電荷脈沖。通常在半導(dǎo)體探測(cè)器設(shè)備中使用電荷靈敏前置放大器。它的輸出信號(hào)與輸入到放大器的電荷量成正比。探測(cè)器的結(jié)電容是探測(cè)器偏壓的函數(shù)，如果核輻射在探測(cè)器中產(chǎn)生電荷量為Q，那么探測(cè)器輸出脈沖幅度是。因此，由于探測(cè)器偏壓的微小變化所造成的變化將影響輸出脈沖的幅度。事實(shí)上，電源電壓的變化就可以產(chǎn)生偏壓近種微小

15、變化。此外，根據(jù)被測(cè)粒子的射程調(diào)節(jié)探測(cè)器的靈敏區(qū)厚度時(shí)，也往往需要改變探測(cè)器的偏壓。要減少這些變化對(duì)輸出脈沖幅度的影響，前級(jí)放大器對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器系統(tǒng)的性能越著重要的作用。圖2表示典型探測(cè)器的等效電路和前置放大器的第一級(jí)。其中一K是放大器的開環(huán)增益，是反饋電容，是放大器的總輸入電容，它等于是放大器插件電纜等寄生電容。前置放大器的輸入信號(hào)是，它的等到效輸入電容近似等于，只要，那么前置放大器的輸出電壓為 （ 1 ） 這樣一來，由于選用了電荷靈敏放大器作為前級(jí)放大器，它的輸出信號(hào)與輸入電荷Q成正比，而與探測(cè)器的結(jié)電容無關(guān)。確定半導(dǎo)體探測(cè)器偏壓對(duì)N型硅，探測(cè)器靈敏區(qū)的厚度和結(jié)電容與探測(cè)器偏壓的關(guān)系如下：

16、 （ 2 ） （ 3 ）其中為材料電阻率（。因靈敏區(qū)的厚度和結(jié)電容的大小決定于外加偏壓，所以偏壓的選擇首先要使入射粒子的能量全部損耗在靈敏區(qū)中和由它所產(chǎn)生的電荷完全被收集，電子空穴復(fù)合和陷落的影響可以忽略。其次還需考慮到探測(cè)器的結(jié)電容對(duì)前置放大器來說還起著噪聲的作用。電荷靈敏放大器的噪聲水平隨外接電容的增加而增加，探測(cè)器的結(jié)電容就相當(dāng)它的外接電容。因此提高偏壓降低結(jié)電容可以相當(dāng)它的外接電容。因此提高偏壓降低電容可以相當(dāng)?shù)販p少噪聲，增加值號(hào)幅度，提高信噪比，從而改善探測(cè)器的能量分辨率。從上述兩點(diǎn)來看，要求偏壓加得高一點(diǎn)，但是偏壓過高，探測(cè)器的漏電流也增大而使分辨率變壞。因此為了得到最佳能量分辨率

17、，探測(cè)器的偏壓應(yīng)選擇最佳范圍。實(shí)驗(yàn)上最佳能量分辨率可通過測(cè)量不同偏壓下的譜線求得。如圖3所示。并由此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別作出一組峰位和能量分辨率對(duì)應(yīng)不同偏壓的曲線如圖4、圖5。分析以上結(jié)果，確定出探測(cè)器最佳偏壓值。6、譜儀的能量刻度和能量分辨率 譜儀的能量刻度就是確定粒子能量與脈沖幅度大小以譜線峰位在多道分析器中的道址表示。譜儀系統(tǒng)的能量刻度有兩種方法： 用一個(gè)239Pu、241Am、244Cm混合的刻度源，已知各核素粒子的能量，測(cè)出該能量在多道分析器上所對(duì)應(yīng)的道址，作能量對(duì)應(yīng)道址的刻度曲線，并表示為： （ 4 ） E為粒子能量（keV）。為對(duì)應(yīng)E譜峰所在道址（道）。G是直線斜率（keV/每道），稱

18、為刻度常數(shù)。是直線截距（keV）。它表示由于粒子穿過探測(cè)器金層表面所損失的能量。一個(gè)已知能量的單能源，配合線性良好的精密脈沖發(fā)生器來作能量刻度。這是在源種類較少的實(shí)驗(yàn)條件下常用的方法。一般譜儀的能量刻度線性可達(dá)0.1%左右。 在與能量刻度相同的測(cè)量條件下（如偏壓、放大倍數(shù)、幾何條件等），測(cè)量求知能量譜。根據(jù)能量刻度曲線就可以確定粒子的能量。常用譜儀的刻度源能量可查核素常用表。譜儀的能量分辨率也用譜線的半寬度FWHM表示。FWHM是譜線峰最大計(jì)數(shù)一半處的寬度，以keV表示。在實(shí)用中，譜儀的能量分辨率還用能量展寬的相對(duì)百分比表示。例如本實(shí)驗(yàn)采用金硅面壘探測(cè)器，靈敏面積為50，測(cè)得241源的5.48

19、MeV的粒子譜線寬度為17keV(0.3%)。半導(dǎo)體探測(cè)器的突出優(yōu)點(diǎn)是它的能量分辨率高，影響能量分辨率的主要因素有產(chǎn)生電子空穴對(duì)數(shù)和能量損失的統(tǒng)計(jì)漲落；探測(cè)器噪聲；電子學(xué)噪聲，主要是前置放大器的噪聲；探測(cè)器的窗厚和放射源的厚度引起能量不均勻性所造成的能量展寬。實(shí)驗(yàn)測(cè)出譜線的展寬是由以上因素所造成影響的總和，表示為 四、實(shí)驗(yàn)器材與試劑1 241Am 源1個(gè)、鋁箔一張；2 ORTEC 探測(cè)器及LY326型離子噴涂式測(cè)氡儀各一臺(tái)；3 真空泵一臺(tái)；4 PC機(jī)3臺(tái)、TP-LINK普瑞爾KE-2029 PCI網(wǎng)卡3塊、同軸電纜線若干。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、 打開PC機(jī)、8路譜儀和真空泵；2、 點(diǎn)擊PC桌面

20、上“MAESTRO for Windows”；3、 測(cè)量源（也可測(cè)本底）：3.1）點(diǎn)“MAESTRO for Windows”的“Acquire”：3.1.0) 設(shè)置路3.1.1）設(shè)置高壓，點(diǎn) high voltage 的可控按鈕“on”，出現(xiàn)標(biāo)志“On”表明高壓設(shè)置ok；3.2）點(diǎn)“MAESTRO for Windows”的“Alpha”：3.2.1）Target設(shè)為”300”（小于1000即可）；3.2.2）vacuum設(shè)置：A“Pump”抽真空，通過“actual”看是否抽真空；B“Vent“放棄真空；C“hold“保持真空；3.2.3）ADC：設(shè)置為4096；3.2.4）點(diǎn)擊“presets” ，設(shè)置“l(fā)i