Alpha譜儀實驗

1、精品射線能譜測量實驗報告核工 1201林勇20120983一、實驗?zāi)康模? 、了解譜儀的工作原理及其特性。2 、掌握應(yīng)用譜儀測量粒子能譜的方法。3 、測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備數(shù)據(jù)，同時為能譜庫的建立做一些探索性工作。二、實驗內(nèi)容1 、測定譜儀的能量分辨率，并進行能量刻度。2 、測量未知源的能譜，并確定粒子能量。三、實驗原理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)計制備 放

2、射源時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。因為241Am容易生產(chǎn)，價格便宜，而且半衰期長。常用 放射源核素數(shù)據(jù)主要 粒子能比活度核素半衰期量 (MeV) 及分(GBq/g來源支比 (%)感謝下載載精品1.67 ×1210 Po138.4d5.305（100 ）209 Bi (n, )210Bi5.01d210 Po0 51.59 ×10 54.824（84.4）232Th(n, )233Th22.3min233 Pa27.0d233U233 Ua4.7

3、83（13.2）4.216 （ 6 ）4.368 （12 ）235 U7.1 ×10 8a天然放射性核素4.374 （ 6 ）4.400 （56 ）5.445（28.7）237 Np(n, )238 Np2.117d238Pu238 Pu87.75a636.45.499（71.1）5.103 （11 ）238U (n, )239U23.5min239 Np2.355d239 Pu2.44 ×10 4239 Pu5.142 （15 ）2.28a5.155 （73 ）241 A5.443（12.7）14.4a241 Am432a126.9238 U 多次中子俘獲生成241 Pu

4、m5.486 （86 ）242 C6.071（26.3）1.25 ×1162.5d238 U 多次中子俘獲加 衰變m6.115（73.7）0 52、 譜儀本次試驗儀器擬采用西南科技大學(xué)國防重點試驗室能譜儀， 該 譜儀為美國ORTEC 公司生產(chǎn)的 8 通道 能譜儀，型號為：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）硅探測器，同時真空艙室也為超低本底材料。面積上提供300 、 450 、 490 、 600 、 900 和 1200平方感謝下載載精品毫米的選擇，有效耗盡層100 m 。結(jié)構(gòu)特性與性能指標：樣品直徑可從13

5、mm 至 51mm 。探測器與被測樣品之間有10 檔距離可選，相鄰兩檔之間的距離差為 4mm ，最大距離可達 44mm 。真空計：范圍10mTorr 到 20Torr （ 1 Torr 133.322 Pa）。探測器偏壓： 范圍 0 ±100V ，大小和正負極性可調(diào)節(jié)。漏電流檢測器： 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/oC，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，細調(diào)增益為 0.25

6、 到 1；增益穩(wěn)定性： 150ppm/oC；每個事件的轉(zhuǎn)換時間(死時間 )： <2 s。數(shù)字化穩(wěn)譜、ADC的零點 (ZERO) 和下閾 (LLD) 均由計算機調(diào)節(jié)設(shè)置。譜儀的探測器偏壓、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 0oC 到 50 oC，相對濕度 95% 。分辨率與本底：基于使用450mm2 ULTRA-AS探測器和高質(zhì)量的241Am點

7、源，能量分辨率(FWHM) ：20KeV ( 探測器到源的距離等于探測器的直徑 )，探測器效率： 25% ( 探測器到源的距離小于 10mm) ，本底：在 3MeV 以上，每小時計數(shù) 1。所有型號均可選擇用于反沖抑制保護的樣品盤選項。主要特點：感謝下載載精品探測室、前放、主放和多道一體化，系統(tǒng)具有高度的可靠性；全部功能由計算機通過仿真軟件控制；每一路都完全獨立、互不干擾或影響；每一路譜儀可配不同規(guī)格型號探測器；容納樣品直徑最大可達51mm ，探測器面積最大可達1200mm2；系統(tǒng)可以擴展至8 臺共 64 路探測器。3、 譜儀工作原理粒子通過物質(zhì)時，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

8、失，使物質(zhì)產(chǎn)生正負離子對，對于一定物質(zhì)，在其內(nèi)部產(chǎn)生一對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)生的正負離子對數(shù)與粒子損失的能量成正比，即：EN=W公式中 N 為粒子在物質(zhì)中產(chǎn)生的正負離子對數(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)體探測器是在六十年代發(fā)展起來的一種新型探測器，它以半導(dǎo)體為探測介質(zhì)，其最大優(yōu)點是能量分辨率高，脈沖上升時間短，體積小。重原子核進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 個正電荷，其初速度約為1 2 ×10 9cm/s范圍內(nèi)。由于粒子在空氣中的射程很短（在T=15 ， P

9、=1 大氣壓時，天然放射性核素衰變產(chǎn)生的粒子，射程最大為Thc (212 Po)為 8.62cm ，能量最小232 Th 為 2.5cm ），所以測量室應(yīng)采用真空室，如上圖1 所示，采用真空泵將測量室抽成真空，這樣與探測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（近似是因為不可能將測量室抽成絕對真空） 。感謝下載載精品粒子在探測器中因電離、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。電流信號經(jīng)前置放大器、主放大器放大，出來的電信號通過多道分析器進行

10、數(shù)據(jù)采集，最后通過計算機采集并顯示其儀器譜（實驗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，某個能量段內(nèi)粒子數(shù)（或計數(shù)率）為縱坐標，即可計算樣品中各單個核素發(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)能量點處垂直于橫坐標軸的單一直線，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，實際測得的是具有一定寬度的單個峰，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)能量的粒子的總計數(shù)率，峰的半高寬與峰頂能量比值的百分數(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)框圖但電信號經(jīng)放大器放大之后，由于電路中寄生電容

11、、電感的作用，電脈沖信號結(jié)束之后，輸出端并不立即回到零點位。電感性的寄生參量造成脈沖反沖，需要經(jīng)過一段時間才能回到 0 電位，在更嚴重的情況下，甚至產(chǎn)生自激。電容性的寄生參量同樣使電路需要經(jīng)過一段時間才能回到0 電位。雖然可以采用基線恢復(fù)或極零補償?shù)确绞绞馆敵龆穗娢涣⒓椿謴?fù)，但是還達不到理想狀態(tài)。要是在恢復(fù)時間內(nèi)又有第二個脈沖輸入，其脈沖幅度將明顯受感謝下載載精品到影響，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。在計數(shù)率較高時，若兩個射線粒子（光子）幾乎同時入射，探測器和電路的時間分辨能力不足以區(qū)分開而作為一個射線來記錄，所得的脈沖能量為兩個射線粒子（光子） 的能量

12、之和，從而在射線譜中得到一個能量很高的譜峰和峰。天然放射性物質(zhì)進行衰變放出的粒子的能量在4 8MeV之間（能量最大Thc (212 Po) 為 8.785MeV，能量最小232 Th 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，當它通過吸收體時，需經(jīng)過多次碰撞才損失較多的能量（因為在一次碰撞中，質(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、金硅面壘型探測器來測量粒子能譜.金硅面壘探測器結(jié)構(gòu)如圖所示，是用一片N型硅

13、，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)即為探測粒子的靈敏區(qū)。探測器工作時加一反向偏壓,帶電粒子在空間電荷區(qū)（勢壘區(qū)）內(nèi)損失能量而產(chǎn)生電子 空穴對其數(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、負離子對數(shù) ,W 是產(chǎn)生一對正、負離子對所需的平均能量, 正、負離子對，在一定的反向偏感謝下載載精品壓作用下分別向探測器正、負極漂移，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)；脈沖數(shù)與核輻射的強度成正比。為了提高譜儀

14、的能量分辨率，探測器放在真空室中；另外金硅面壘探測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)即為探測粒子的靈敏區(qū)。探測器工作加反向偏壓。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，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

15、中。另外金硅面壘探測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、脈沖上升時間快、體積小和價格便宜等優(yōu)點，在粒子及其它重帶電粒子能譜測量中有著廣泛的應(yīng)用。感謝下載載精品帶電粒子進入靈敏區(qū)，損失能量產(chǎn)生電子空穴對。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無關(guān)。對于硅，在300K 時，為 3.62eV ，77K 時為 3.76eV 。對于鍺，在77K 時為 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)生的電子空穴對數(shù)，e 為電子電

16、量。由于外加偏壓，靈敏區(qū)的電場強度很大，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)電容是探測器偏壓的函數(shù)，如果核輻射在探測器中產(chǎn)生電荷量為Q，那么探測器輸出脈沖幅度是。因此，由于探測器偏壓的微小變化所造成的變化將影響輸出脈沖的幅度。 事實上，電源電壓的變化就可以產(chǎn)生偏壓近種微小變化。此外，根據(jù)被測粒子的射程調(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)的性能越著重要的作用。圖2 表示典型探測器的等效電路和前置放

17、大器的第一級。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 ）感謝下載載精品這樣一來，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)電容無關(guān)。確定半導(dǎo)體探測器偏壓對 N 型硅，探測器靈敏區(qū)的厚度和結(jié)電容與探測器偏壓的關(guān)系如下：（ 2 ）感謝下載載精品（ 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

18、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)電容就相當它的外接電容。因此提高偏壓降低結(jié)電容可以相當它的外接電容。因此提高偏壓降低電容可以相當?shù)販p少噪聲，增加值號幅度，提高信噪比，從而改善探測器的能量分辨率。從上述兩點來看， 要求偏壓加得高一點，但是偏壓過高， 探測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，探測器的偏壓應(yīng)選擇最佳范圍。實驗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 3 所示。并由此實驗數(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4 、

19、圖 5 。分析以上結(jié)果，確定出探測器最佳偏壓值。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 239 Pu 、241 Am 、 244 Cm 混合的刻度源，已知各核素粒子的能量，測出該能量在感謝下載載精品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，并表示為：（ 4 ）E 為粒子能量（ keV ）。為對應(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)。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。一個已知能量的單能源，配合線性良好的

20、精密脈沖發(fā)生器來作能量刻度。這是在源種類較少的實驗條件下常用的方法。一般譜儀的能量刻度線性可達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），測量求知能量感謝下載載精品譜。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。在實用中，譜儀的能量分辨率還用能量展寬的相對百分比表示。例如本實驗采用金硅面壘探測器，靈敏面積為50，測得 241源的 5.48MeV的粒子譜線寬度為17keV(0.3%)。半導(dǎo)體探測器的突出優(yōu)點是它的能量分辨率高，影響能

21、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；探測器噪聲；電子學(xué)噪聲，主要是前置放大器的噪聲；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。實驗測出譜線的展寬是由以上因素所造成影響的總和，表示為四、實驗器材與試劑1 241 Am源 1 個、鋁箔一張；2 ORTEC探測器及 LY326 型離子噴涂式測氡儀各一臺；3 真空泵一臺；4 PC 機 3 臺、 TP-LINK普瑞爾 KE-2029 PCI網(wǎng)卡 3 塊、同軸電纜線若干。五、實驗內(nèi)容與步驟1、 打開 PC 機、 8 路譜儀和真空泵；2、 點擊 PC 桌面上“ MAESTRO for Windows”；3、 測量源（也

22、可測本底） ：3.1 ）點“ MAESTRO for Windows”的“ Acquire ”：設(shè)置路感謝下載載精品）設(shè)置高壓，點highvoltage的可控按鈕“on ”，出現(xiàn)標志“On ”表明高壓設(shè)置 ok ；3.2 ）點“ MAESTRO for Windows”的“ Alpha ”：） Target設(shè)為” 300 ”（小于 1000 即可）；） 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；）ADC ：設(shè)置為4096 ；）點擊“ presets ” ，設(shè)置“ live time”（測量活時間） （源小則時間設(shè)置長，反之則短）；3.2.5）若本來存在有譜，則在“input “圖上點右鍵，點