我的實(shí)驗(yàn)報(bào)告之金硅面壘α譜儀

實(shí)驗(yàn)名稱:金硅面壘a譜儀一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆战鸸杳鎵咎綔y(cè)器的原理及使用方法；了解以譜儀的工作原理及其特性；學(xué)會(huì)使用金硅面壘探測(cè)器測(cè)量a粒子在空氣中的射程;分析a粒子的能量損失率與射程的關(guān)系；分析a粒子的能量岐離隨能量、射程的變化。二、實(shí)驗(yàn)儀器FH-445Aa探頭架一個(gè)；FH1047電荷靈敏度前置放大器、BH1218主放大器一臺(tái)；3.3—30多道分析器；2X-1A型旋片式真空泵及真空表、三相異步電動(dòng)機(jī)各一個(gè);金硅面壘探測(cè)器一個(gè)；偏壓電源一臺(tái)；7.241Am和239Pua源各一個(gè)。真空室金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器圖1a譜儀實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖真空室金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器圖1a譜儀實(shí)驗(yàn)裝置圖2X-1A型旋片式真空泵及真空表、三相異步電動(dòng)機(jī)各一個(gè)三、實(shí)驗(yàn)原理3.1.金硅面壘探測(cè)器的原理金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器主要用于測(cè)量重帶電粒子的能譜。它的分辨率僅次于磁譜儀，比屏柵電離室和閃爍譜儀都要高。而設(shè)備比磁譜儀簡單的多，使用也方便的多。它的缺點(diǎn)是靈敏面積不能做得很大，因而限制了大面積放射源的使用。金硅面壘探測(cè)器的響應(yīng)速度與閃爍計(jì)算器差不多，比氣體探測(cè)器快的多，所以常用來做定時(shí)探測(cè)器。它的本底很低，適用于做低計(jì)數(shù)測(cè)量。測(cè)量精度取決于譜儀的能量分辨率和線性。綜上，金硅面壘半導(dǎo)體a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a粒子及其它重帶電粒子能譜測(cè)量中有著廣泛的應(yīng)用。金硅面壘譜儀裝置的方框圖如圖2所示。金硅面壘探測(cè)是用一片N型硅，蒸上一薄層金(100—200A)，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)器工作時(shí)加反向偏

壓。以粒子靈敏區(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。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，在偏置電源主放大器切割放大器前置放大器金硅面壘探測(cè)器低壓電源多道分析器使用過程中，應(yīng)有光屏蔽措施。偏置電源主放大器切割放大器前置放大器金硅面壘探測(cè)器低壓電源多道分析器帶電粒子進(jìn)入靈敏區(qū)，損失能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。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 圖2金硅面壘譜儀裝置圖出信號(hào)與輸入到放大器的電荷量成正比。此外，靈敏區(qū)的厚度和結(jié)電容的大小決定于外加偏壓，所以所選擇的偏壓的要滿足一下幾個(gè)個(gè)條件：首先，使入射粒子的能量全部損耗在靈敏區(qū)中，由入射粒子所產(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(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)?shù)販p少噪汽增加信號(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，探測(cè)器的偏壓應(yīng)選擇最佳范圍。3.2.偵譜儀的能量刻度和能量分辨率譜儀的能量刻度就是確定以粒子能量與脈沖幅度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系。脈沖幅度大小以譜線峰位在多道分析器中的道址表示。用239Pu、24Am兩個(gè)刻度源，已知各核素a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=G*CH+E0E為以粒子能量(KeV)oCH為對(duì)應(yīng)E譜峰所在道址(道)°G是直線斜率(KeV/每道)，稱為刻度常數(shù)。E是直線截距(KeV)o它表示由于以粒子穿過探測(cè)器金層表面所損失的能量。在本實(shí)驗(yàn)中，所用定標(biāo)源為24iAm,239Pu源，它們的a粒子能量分別為5.486Mev和5.155Mev，由于放射源外層貼了一層防護(hù)膜，a粒子的能量降低為4.8Mev和4.6Mev，因此用這兩個(gè)能量進(jìn)行刻度。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：①產(chǎn)生電子-空穴對(duì)數(shù)和能量損失的統(tǒng)計(jì)漲落；②探測(cè)器和電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲，主要是前置放大器的噪聲；③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。3.3能量損失率與能量岐離能量損失率是指重帶電粒子在把靶物質(zhì)中經(jīng)過單位路程長度的能量損失。由于碰撞過程是隨機(jī)事件，求得的能量損失率是平均能量損失率，也可以說是平均線性能量損失率（MeV/cm）。其符號(hào)為：-dE/dx，叫做粒子在靶物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)。此外，它也被稱為粒子的傳能線密度（LET）,通常用水介質(zhì)中keV/口m表示電離能量損失率的近似表達(dá)式為：,dE ?4兀z2e4NZ 2mv2TOC\o"1-5"\h\z（-—）Q ln（一I一）12 （1）0/dE、 4兀z2e4NZ[2mv2（-d）o^mvr-m（；） ⑵04兀z2e4NZ 2mv2 1 C [ln（— ）+1^——-P2—] （3）mv2 I 1-P2 Z0其中，公式（1）是從經(jīng)典角度推出出來的，公式（2）是從量子理論非相對(duì)論角度退出來的，而公式（3）是從量子理論相對(duì)論并考慮其它修正因子推出來的，其中B=v/c,c是光速，C/Z是殼修正項(xiàng)，是在某一入射粒子能量時(shí)，粒子速度不能滿足大于內(nèi)層電子軌道速度這一條件，束縛得很緊的內(nèi)層電子不能參與對(duì)入射粒子的阻止作用而引進(jìn)的一項(xiàng)修正項(xiàng)。I是靶原子的平均激發(fā)能，它是能量損失率公式中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)每一種靶元素的平均激發(fā)能的精確計(jì)算很難做到。理論上計(jì)算得到I近似正比于Z,一 .. dE即I=I0Z,其中I°=10ev。（-d-）.的單位是erg/cm,實(shí)用時(shí)常換算成Mev/cm或Mev/（mg/cm2）。此外，能量損失是對(duì)所有入射粒子求平均值而得到的平均能量損失，而每一個(gè)個(gè)別粒子的能量損失是在這平均值附近漲落。這種能量損失的統(tǒng)計(jì)分布稱為能量歧離。當(dāng)一束單能重帶電粒子入射到靶物質(zhì)上，在表面時(shí)，能量分布很窄，越到深處能量分布越寬，即能量岐離越來越大。3.4.a粒子的射程帶電粒子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不斷損失能量，待能量耗盡時(shí)，就停留在物質(zhì)中，它沿原來方向移動(dòng)的距離，稱為入射粒子在該物質(zhì)中的射程，以R表示。由于碰撞過程的統(tǒng)計(jì)漲落不僅引起能量歧離，而且還造成粒子在物質(zhì)中的射程歧離現(xiàn)象，即能量相同的入射粒子束，它的射程長度有一分布，個(gè)別粒子的射程是在平均值附近漲落的。對(duì)p、a等重帶電粒子，射程漲落的大小是平均射程值的百分之幾。相同速度的p和a粒子，在同一物質(zhì)的射程相同，但質(zhì)子的射程歧離是a粒子的射程歧離的兩倍。對(duì)低速的離子，電子阻止對(duì)射程歧離的貢獻(xiàn)可忽略，主要是核阻止過程決定著射程歧離。因此，我們所測(cè)量或計(jì)算的射程都是指平均射程R而言。此外，重帶電粒子的質(zhì)量大，它與核外電子非彈性碰撞和它與原子核的彈性碰撞作用，不會(huì)導(dǎo)致入射粒子的運(yùn)動(dòng)方向有很大的改變，它的軌跡幾乎是直線，因此可以認(rèn)為射程近似地等于路程長度。(b)圖3測(cè)量a粒子在空氣中的射程的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量結(jié)果（示意圖）如圖3（a）所示，畫出了測(cè)量a粒子在空氣中的射程的實(shí)驗(yàn)裝置。一端放置一個(gè)a放射源，a射線經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進(jìn)入a粒子探測(cè)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，探測(cè)器可沿a粒子的出射方向移動(dòng)。改變探測(cè)器離源的距離，測(cè)量a粒子的計(jì)數(shù)率，即可得到圖b中所示的曲線。在開始一段距離時(shí)，計(jì)數(shù)率保持不變，表明a粒子沒有被空氣吸收。當(dāng)增加到一定距離時(shí)，計(jì)數(shù)宰很快下降，一直降到零。這表示a粒子在這個(gè)距離時(shí)被吸收掉，全部停留在x=r附近的區(qū)域內(nèi)。距離為r時(shí)，a粒子的計(jì)數(shù)降至原來的一半。對(duì)曲線a求導(dǎo)數(shù)，便可得到曲線b。在x—x+dx范圍內(nèi)，a粒子數(shù)的變化為-dn=n（x）-n（x十dx）,這dn個(gè)a粒子停留在x附近。因此，曲線b代表單位路程上的a粒子數(shù)的變化按路程的分布，稱為微分曲線。它表示大多數(shù)a粒子停留在x=R處，R就是a粒子在空氣中的平均射程。3.5.a粒子運(yùn)動(dòng)距離的獲得在本實(shí)驗(yàn)中，我們通過控制真空室里的壓強(qiáng)來測(cè)量不同距離時(shí)a粒子的粒子數(shù)。對(duì)于該套實(shí)驗(yàn)儀器，當(dāng)真空室與外界相通時(shí)，真空室的壓強(qiáng)是大氣壓尸°,對(duì)應(yīng)于a粒子源與探測(cè)器的距離是r°=4.4cm，所以，若設(shè)當(dāng)真空室的氣壓是P時(shí)，對(duì)應(yīng)的距離為R^,則根據(jù)壓強(qiáng)與距離成正比的關(guān)系，可得出：TOC\o"1-5"\h\zR=RP （1）pP0又因?yàn)镻與表頭上示數(shù)L的關(guān)系為P=號(hào)） ⑵所以，可得：\o"CurrentDocument"Rp=R0Rp=R0（1-L ⑶四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.按圖1連接儀器，將24lAm,239PU源放在圖1真空室所在位置，合上真空室并真空，調(diào)整譜儀工作參數(shù)，用多道分析器測(cè)量譜圖隨偏壓的變化，選擇最佳偏壓。用標(biāo)準(zhǔn)源24lAm和239PU作能量刻度，測(cè)量24lAm和239Pu譜(1000秒)并記錄下來，作能量刻度曲線(道址~能量)，計(jì)算各峰的能量分辨率和半寬度FWHM的能量值。保持以上條件不變，將真空室與外界接通，拿出239PU源，再抽真空，依次測(cè)量真空表讀數(shù)分別為30、20、10、9、8、7、6、5時(shí)24iAm的a粒子能譜圖，記錄之，計(jì)算不同氣壓下峰下的面積值而得出不用距離時(shí)的粒子計(jì)數(shù)。五、數(shù)據(jù)處理用239PU和241Am對(duì)譜儀進(jìn)行能量刻度并求能量分辨率根據(jù)所測(cè)定標(biāo)數(shù)據(jù)，畫出239PU和241Am的能譜圖，尋峰、擬合而得出a粒子的能量分別為4.6Mev和4.8Mev時(shí)的對(duì)應(yīng)道址，如圖4所示:由圖4中能量與道址的對(duì)應(yīng)值畫出能量與道址的關(guān)系曲線，如圖5所示，對(duì)該曲線進(jìn)行處理得出能量與道址間的關(guān)系式如圖5所示，即：E=0.00114*CH+1.51314 (4)利用上面的公式，把以下的道址都換算成能量，畫出以下各個(gè)壓強(qiáng)時(shí)的能譜圖，得出各個(gè)壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的能量值以分析能量隨粒子射程的變化，并由能譜圖得出的各個(gè)壓強(qiáng)的能量半寬度而分析能量歧離，并畫出能量歧離相對(duì)于第一個(gè)值的變化情況。此外，由圖4的FWHM值也可以得出239Pu和24iAm的能量分辨率，即:門p=1.10%門a=0.97%由此可見，金硅面壘探測(cè)器的能量分辨率與NaI(Tl)閃爍譜儀的分辨率要高,即半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率較高，這與理論是一致的。不同壓強(qiáng)時(shí)峰面積、中心峰位、半寬度

導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)之后，直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行畫圖、處理，得出峰面積，即峰計(jì)數(shù)，記錄在表1中，如下所示。然后再插入一欄，利用公式（4）將各個(gè)壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的道址轉(zhuǎn)換為能量，畫出計(jì)數(shù)一能量圖，對(duì)能譜圖進(jìn)行處理，得出各個(gè)壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的能量、半寬度，記錄下表1中，如下所示。表1壓強(qiáng)568910202530峰面積737619619204692831937269377034062840643能量（Mev）0.525320.745871.2011.436981.614623.506414.056524.83797半寬度（Mev）0.468540.958510.354390.342060.330860.132280.089920.03872能量隨著粒子運(yùn)動(dòng)距離的變化將表1能量與壓強(qiáng)的對(duì)應(yīng)值轉(zhuǎn)換成能量與粒子運(yùn)動(dòng)距離的值，畫出二者之間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著粒子在空氣中入射深度的增加，其能量越來越小，并且下降的比較明顯。此外，由橫縱坐標(biāo)軸的范圍可以得出，能量展寬隨著a粒子入射深度的變化將表1中能量寬度隨粒子入射深度的變化導(dǎo)入Origin中，畫出能量展寬隨著粒子入射深度的變化曲線圖如圖7中第二個(gè)圖所示。再以真空態(tài)時(shí)的粒子能譜圖峰的半寬度為基值，求出其他非真空態(tài)時(shí)粒子能譜圖峰半寬度相對(duì)該基值的相對(duì)展寬（也即能量歧離值），并畫出相對(duì)能量展寬圖如圖7中第二個(gè)圖所示。由圖7可以看出，無論是能譜展寬還是相對(duì)能譜展寬都隨著粒子入射深度1.00.8M0.6g04n0.20.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.01.0M能量展寬隨著a粒子入射深度的變化將表1中能量寬度隨粒子入射深度的變化導(dǎo)入Origin中，畫出能量展寬隨著粒子入射深度的變化曲線圖如圖7中第二個(gè)圖所示。再以真空態(tài)時(shí)的粒子能譜圖峰的半寬度為基值，求出其他非真空態(tài)時(shí)粒子能譜圖峰半寬度相對(duì)該基值的相對(duì)展寬（也即能量歧離值），并畫出相對(duì)能量展寬圖如圖7中第二個(gè)圖所示。由圖7可以看出，無論是能譜展寬還是相對(duì)能譜展寬都隨著粒子入射深度1.00.8M0.6g04n0.20.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.01.0M。.8n0.6n0.4d00.2b0.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Range/cm圖7a粒子能量展寬隨入射深度的變化的增加而增加。根據(jù)能量與探測(cè)器的分辨率間的關(guān)系以及圖6,這種展寬有一部分是探測(cè)器分辨率不夠而導(dǎo)致的，但是圖7中的相對(duì)能量展寬的圖像走勢(shì)及高度與能量展寬的差別不大，這說明因探測(cè)器的分辨率不夠而產(chǎn)生的影響不大。因此，

我們可以判斷它是由能量岐離造成的。由圖7可以看出，能量岐離隨著粒子入射深度的增加而逐漸增大。這與理論相符合。但是圖7中曲線的后邊先上升后下降，而且其上升的幅度明顯大于之前的，這一點(diǎn)與理論不相符合，這說明后邊兩個(gè)點(diǎn)中至少有一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量有錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤可能是曲線頂峰的那個(gè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間不夠，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)性不夠，誤差迅速增加。a粒子的射程ChannelNumberChannelNumberChannelNumberChannel