α射線能譜測(cè)量(有算能量刻度哦)

1、*西南科技大學(xué)射線能譜測(cè)量報(bào)告 設(shè)計(jì)名稱 射線能譜測(cè)量 學(xué) 院 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 設(shè)計(jì)日期 2014年12月 2014年10月 制目 錄1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?12實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.13實(shí)驗(yàn)原理.1 3.1能譜. 1 3.2放射源. 2 3.3放譜儀.3 3.4探測(cè)器測(cè)量射線能譜相關(guān)原理. 4 3.5譜儀的能量刻度和能量分辨率.44實(shí)驗(yàn)儀器、器材. 55實(shí)驗(yàn)步驟. 56實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理.67實(shí)驗(yàn)結(jié)論.81實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃プ冎邪l(fā)射的粒子能量及輻射幾率的測(cè)量，對(duì)于核結(jié)構(gòu)研究具有重要意義。這些核數(shù)據(jù)的測(cè)量通常是用磁譜儀或半導(dǎo)體譜儀。而本實(shí)驗(yàn)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：1、 了解譜儀工作原理與特性2、 掌握能譜測(cè)量原理及

2、測(cè)量方法3、測(cè)量獲取表中各種放射源在不同探源距下能譜的數(shù)據(jù)與圖像記錄并進(jìn)行刻度2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定譜儀在不同源距下能譜的數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算獲得相關(guān)能量分辨率。同時(shí)，進(jìn)行能量刻度。3實(shí)驗(yàn)原理3.1能譜粒子通過物質(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。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

3、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

4、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，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。譜儀硬件連接及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖一所示。圖一譜儀硬件連接及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.2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

5、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241Am、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)如表一。本次實(shí)驗(yàn)，所用源：Am241的5.486MeV和Pu239的5.155MeV。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）1.67×105233U1.59×105

6、a4.824（84.4）4.783（13.2）235U7.1×108a4.216（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）636.4239Pu2.44×104a5.103（11）5.142（15）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）1.25×105238U多次中子俘獲加衰變表一常用放射源核素?cái)?shù)據(jù)3.3譜儀放射性樣品

7、的a粒子與探測(cè)器相互作用，經(jīng)前置放大器輸出正比于a粒子能量的脈沖信號(hào)，經(jīng)線性放大后輸入多道脈沖分析器分析，得到的計(jì)數(shù)按照能量(道址)分布的a粒子能譜，實(shí)現(xiàn)核素的識(shí)別和活度測(cè)定。 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)特性與性能指標(biāo)：l 樣品直徑可從13mm至51mm。探測(cè)器與被測(cè)樣品之間有

8、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。l 真空計(jì)：范圍10mTorr到20Torr（1 Torr 133.322 Pa）。l 探測(cè)器偏壓：范圍0±100V，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。l 脈沖產(chǎn)生器；范圍0到10MeV，穩(wěn)定性<50ppm/ºC，脈沖的幅度可調(diào)。l 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/ºC；每個(gè)事件的轉(zhuǎn)換時(shí)間(死時(shí)間)：<

9、2µs。l 數(shù)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。l 輸入電源：120/240 V ac， 50/60 Hz輸入功率50W。l 通訊：USB2.0接口。每一個(gè)Alpha Ensemble最終提供一條電纜給PC。l 應(yīng)用軟件：MAESTRO-32或AlphaVisionl 工作條件:溫度0ºC到50ºC，相對(duì)濕度 95%。l 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

10、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)，本底：在3MeV以上，每小時(shí)計(jì)數(shù)1。l 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。3.4探測(cè)器測(cè)量射線能譜相關(guān)原理因離子注入PIPS譜儀相關(guān)資料不足，故本實(shí)驗(yàn)報(bào)告以金硅面壘探測(cè)器為例加以說明。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

11、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。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。3.5譜儀的能量刻度和

12、能量分辨率圖一峰位-偏壓曲線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：E=Gd+EO圖二能量分辨率-偏壓曲線E為粒子能量（keV）,d為對(duì)應(yīng)E譜峰所在道址，G是直線斜率（keV/每道），稱為刻度常數(shù)。E0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。4實(shí)驗(yàn)儀器、器材1、 ALPHA-ENSEMBLE譜儀探測(cè)器2、 PC機(jī)3、 真空泵3GcB T44、所用源

13、：Am241的5.486MeV和Pu239的5.155MeV 5實(shí)驗(yàn)步驟1、 打開PC機(jī)、8路譜儀和真空泵2、 點(diǎn)擊PC桌面上“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ok3.2點(diǎn)“MAESTRO for Windows”的“Alpha”3.2.1Target設(shè)為”300”（小于1000即可）3.2.2vacuum設(shè)置A“Pump”抽真空，通過“actual”看是否抽真空B“Vent“放

14、棄真空C“hold“保持真空3.2.3ADC：設(shè)置為40963.2.4點(diǎn)擊“presets” ，設(shè)置“l(fā)ive time”（測(cè)量活時(shí)間）（源小則時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)，反之則短）3.2.5若本來存在有譜，則在“input“圖上點(diǎn)右鍵，點(diǎn)”clear“3.2.6“input“圖上點(diǎn)右鍵，點(diǎn)”start“或菜單欄上”go“3.3點(diǎn)“calculate“，realtime設(shè)置為3003.3.1尋峰“peak search“3.3.2選中該峰，右鍵，點(diǎn)“peak info“Gross area：總計(jì)數(shù)，net area：凈計(jì)數(shù)能量分辨率=FWHM/peak位3.3calibration：設(shè)置能量刻度，可默認(rèn)3.4

15、截圖，打印4、 關(guān)閉4.1去高壓4.2去真空4.3去源4.4關(guān)機(jī)6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理 6.1數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)一源距4mm實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表一Peak Peak(Kev) FWHM FW組 Gross Area Net Area239Pu 2357.09 5155 30.95 30.95 28599 28450±178241Am 2514.75 5486 30.68 30.68 19844 19844±140數(shù)據(jù)二源距8mm實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表二Peak Peak(Kev) FWHM FW組 Gross Area Net Area239Pu 2356.30 5155 35.19 35.19

16、 40452 28967±544241Am 2514.57 5486 40.32 40.32 28508 28241±187 6.2數(shù)據(jù)處理6.2.1能量分辨率：能量分辨率（源距4mm)：=0.0060=0.60%能量分辨率（源距4mm)：=0.0056=0.56%能量分辨率（源距8mm)：=0.0068=0.68%能量分辨率（源距8mm)：=0.0073=0.73%6.2.2能量刻度： 即通過所得信號(hào)的分析得出相應(yīng)的譜形和數(shù)據(jù)，處理后得到的道址與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用能量刻度曲線得出能量與道址的關(guān)系：E(keV)=aX+b（X為道址）。表一:能量刻度數(shù)據(jù)記錄道址道址誤差（+

17、 -）能量（Kev）2357.090750.1475486 能量刻度曲線一：由上圖得出公式E(keV)=aX+b中A、B的值分別為：a=2.099 b=205.1即E(keV)=2.099X+205.1表二：能量刻度數(shù)據(jù)記錄道址道址誤差（+ -）能量（Kev） 2356.300.1415155 2514.570.1115486能量刻度曲線一：由上圖得出公式E(keV)=aX+b中A、B的值分別為：a=2.091 b=228.0即E(keV)=2.091X+228.06.2.3不同探源距： 不同探源距使得所得圖譜中譜峰有所不同，探源距越長(zhǎng)，譜峰的低能尾部越明顯，使分辨率越差。因