實(shí)驗(yàn)11 半導(dǎo)體α譜儀

1、實(shí)驗(yàn)11 半導(dǎo)體譜儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解譜儀的工作原理及其特性。2. 掌握應(yīng)用譜儀測量粒子能譜的方法。3. 測定241Am核素的衰變的相對強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 調(diào)整譜儀參數(shù)，測量不同偏壓下的粒子能譜，并確定探測器的工作偏壓。2. 測定譜儀的能量分辨率，并進(jìn)行能量刻度。3. 測量未知源的能譜，并確定粒子能量。4. 用偏置放大器擴(kuò)展能譜，并測定241Am 衰變的相對強(qiáng)度。原理金硅面壘探測器是用一片N型硅，蒸上一薄層金（10-20nm），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)即為探測粒子的靈敏區(qū)。探測器工作時加反向偏壓。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

2、信號，經(jīng)放大并由多道分析器測出幅度的分布，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，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，探測器要放在真空室中。另外金硅面壘探測器一般具有光敏特性，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、脈沖上升時間快、體積小和價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在粒子及其它重帶電粒子能譜測量中有著廣泛的應(yīng)用。帶電粒子進(jìn)入靈敏區(qū)，損失能量產(chǎn)生電子孔穴對。形成一對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有關(guān)。對于硅，在300K時，為3.62eV，77K時為3.76eV。

3、對于鍺，在77K時為2.96eV。若靈敏區(qū)的厚度大于入射粒子在桂中的射程，則帶電粒子能量E全部損失在其中，產(chǎn)生的總電荷量Q等于(E/)e。E/為產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)，e為電子電量。由于外加偏壓，靈敏區(qū)的電場強(qiáng)度很大，產(chǎn)生的電子空穴對全部被收集，最后在兩極形成電荷脈沖。通常在半導(dǎo)體探測器設(shè)備中使用電荷靈敏前置放大器。它的輸出信號與輸入到放大器的電荷量成正比。探測器的結(jié)電容Cd是探測器偏壓的函數(shù)，如果核輻射再探測器中產(chǎn)生電荷量Q，那么探測器輸出脈沖是Q/Cd。因此，由于探測器偏壓的微小變化所造成的Cd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)生偏壓的這種微小變化。此外，根據(jù)被測粒子的射

4、程調(diào)節(jié)探測器的靈敏區(qū)厚度時，也往往需要改變探測器的偏壓。要減少這些變化對輸出脈沖幅度的影響，前級放大器對半導(dǎo)體探測器系統(tǒng)的性能起著重要的作用。如圖1表示典型探測器的等效電路和前置放大器的第一級。其中K是放大器的開環(huán)增益，Cf是反饋電容，Cl是放大器的總輸入電容，它等于CdC，C是放大器接插電纜等寄生電容。前置放大器的輸入信號是Q/Cd，它的等效輸入電容近似等于KCf，只要KCfCl，那么前置放大器的輸出電壓為。這樣一來，由于選用了電荷靈敏放大器作為前級放大器，它的輸出信號與輸入電荷Q成正比，而與探測器的結(jié)電容Cd無關(guān)。1. 確定半導(dǎo)體探測器的偏壓對N型硅，探測器靈敏區(qū)的厚度dn和結(jié)電容Cd與探

5、測器偏壓V的關(guān)系如下：dn0.5(nV)1/2 (m)Cd=2.1×104(nV)-1/2 (F/cm2)其中n為材料電阻率（·cm）。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器的結(jié)電容對前置放大器來說還起著噪聲源的作用。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)?shù)販p少噪聲，增加信號幅度，提高信噪比，從而改善探測器的能量分辨率。從上述兩點(diǎn)來看，要求偏壓加得高一點(diǎn)，但是

6、偏壓過高，探測器得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，探測器的偏壓應(yīng)選擇最佳范圍。實(shí)驗(yàn)上最佳能量分辨率可通過測量不同偏壓下的譜線求得，如圖2所示。并由此試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別作出一組峰位和能量分辨率對應(yīng)不同偏壓的曲線，如圖3、圖4。分析以上結(jié)果，確定出探測器最佳偏壓值。2譜議的能量刻度和能量分辨率譜議的能量刻度就是確定粒子能量與脈沖幅度之間對應(yīng)關(guān)系。脈沖幅度大小以譜線以譜線峰位在多道分析器中的道址表示。譜議系統(tǒng)的能量刻度有兩種方法：（1）用一個239Pu、241Am、244Cm混合的刻度源，已知各核素粒子的能量，測出該能量在多道分析器上所對應(yīng)的道址，作能量對應(yīng)道址的刻度曲線，并表示

7、為：EGdE0 （4）E為粒子的能量（keV）。d為對應(yīng)E譜峰所在道址。G是直線斜率（keV/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器金層表面所損失的能量。（2）用一個已知能量的單能源，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。一般譜議的能量刻度線性可達(dá)0.1%左右。在與能量刻度相同的測量條件下（如偏壓、放大倍數(shù)、幾何條件等），測量未知能量譜。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是譜線峰最大計數(shù)一半處的寬度，以keV表示。在實(shí)用中，譜

8、議的能量分辨率還用能量展寬的相對百分比表示。例如本實(shí)驗(yàn)采用金硅面壘探測器，靈敏面積為50mm2,測得241Am源的5.48MeV的粒子譜線寬度為17MeV(0.3%)。半導(dǎo)體探測器的突出優(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)生電子空穴對數(shù)和能量損失的統(tǒng)計漲落（En）;探測器噪聲（ED）；電子學(xué)噪聲，主要是前置放大器的噪聲（Ee）；探測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（Es）。實(shí)驗(yàn)測出譜線的展寬E是由以上因素所造成影響的總和，表示為E（En2ED2Ee2Es2）1/23. 用偏置放大器來擴(kuò)寬能譜，測量241Am的衰變相對強(qiáng)度在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要降低系統(tǒng)的G值

9、。由于半導(dǎo)體探測器的能量分辨率比較高，一般可達(dá)千分之幾。當(dāng)多道分析器的道數(shù)不夠時，道寬對能譜測量的影響就很大。例如，若實(shí)驗(yàn)使用的多道分析器為256道，對于6MeV的峰位于滿道址刻度情況下，得到最小G值為25keV/每道。如果我們要觀察能量相差只有50keV的兩個峰（例如241Am），而這兩個峰位的間隔只有2道，因而在譜形上不能將兩個峰分開，這就需要降低系統(tǒng)的刻度常數(shù)G值。在實(shí)驗(yàn)裝置中增加一個偏置放大器，它的作用是將輸入脈沖切割一定閾值后，將超過閾部分再放大，然后送入到低道數(shù)的多道分析器中去分析，使得我們感興趣的那一部分能譜得到展寬，這樣就把原來不能分開的幾個譜峰分開了。圖6 241Am的譜 2

10、41Am的衰變圖如圖5，其衰變時放出的粒子有五種能量。圖5 241Am 衰變的相對強(qiáng)度由實(shí)驗(yàn)測出241Am的譜如圖6。直接由多道脈沖分析器求出第i個能量峰的總技術(shù)Si。由總的衰變率，求出241Am各個能量粒子的相對強(qiáng)度，i1-5。實(shí)驗(yàn)裝置電荷靈敏放大器線 性放 大 器偏 置放 大 器多 道分 析 器脈沖放大器偏壓 電源示波器機(jī)械真空泵真空室源金硅面壘半導(dǎo)體探測器圖7 譜儀系統(tǒng)示意圖實(shí)驗(yàn)儀器BH1324一體化多道分析器1臺FH0001A插件機(jī)箱1臺BH1298A 300V直流電源1臺BH1231N低壓電源1臺BH1218線性脈沖放大器1臺FH1047A電荷靈敏前置放大器1臺20金硅面壘探測器（測

11、）1臺FH445A 譜儀探頭架1臺示波器1臺機(jī)械泵1臺放射源： 241Am1個實(shí)驗(yàn)步驟1. 連接儀器，將源（241Am）放入真空室、抽真空，調(diào)整譜儀工作參數(shù)，用示波器測量脈沖幅度隨偏壓變化的范圍。并測量抽真空與不抽真空條件下輸出波形的變化。2. 選擇多道分析器的參量，測量譜，改變偏壓為5、10、30、60、100、150伏分別測量不同偏壓下的譜線，確定最佳偏壓值。3. 利用精密脈沖發(fā)生器和已知能量為5.48MeV的241Am 源對譜儀作能量刻度。4. 調(diào)節(jié)偏置放大器的閾值和放大倍數(shù)，展寬241Am譜，確定241Am 衰變的相對強(qiáng)度。結(jié)果分析及數(shù)據(jù)處理思考題1. 解釋脈沖幅度和分辨率隨偏壓變化曲線的特征，并說明選擇探測器偏壓應(yīng)考慮哪些因素。2. 設(shè)脈沖輸出幅度為6V，探測器的能量分辨率為0.3，試述應(yīng)如何選擇多道分析器的參數(shù)（分析范圍、所用道數(shù)和