半導(dǎo)體探測器與氣體探測器性能分析畢業(yè)論文

1、半導(dǎo)體探測器與氣體探測器性能分析專業(yè)名稱：核工程與核技術(shù)摘要輻射粒子探測器是粒子物理、核物理、放射性測量等領(lǐng)域研究的重要儀器，可以有效地保證財產(chǎn)和人身安全，而且廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防等多種領(lǐng)域。氣體探測器、閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器是近幾十年來先后發(fā)展起來的三類主要探測器。文中詳細介紹了半導(dǎo)體探測器和氣體探測器的原理，并對相關(guān)的設(shè)備儀器和放射源做了簡短的介紹。半導(dǎo)體探測器可以探測到衰變放射的x射線，氣體探測器里面含有放射源，繼續(xù)使用作為樣品，會影響探測器的性能，因此使用錳粉和淀粉配置的樣品代替，實驗需要進行樣品的研磨與壓片。分別使用探測器對x射線進行測量并用能譜儀分析能譜，主要研究兩種探測器

2、的相關(guān)性能，了解它們各自的能量分辨率及其使用范圍，目的在于加強對兩種探測器的能量分辨率的認識，給人們在以后的工作和學(xué)習(xí)中一個有益的指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體探測器 氣探測器 能量分辨率abstractradiation particle detector is an important instrument of the research in the field of particle physics, nuclear physics, radioactivity measurements, can effectively ensure the property and personal safe

3、ty, and are widely used in a variety of areas of the national economy and national defense. gas, scintillation and semiconductor detectors have been developed three main types of detectors in recent decades.the principle of semiconductor detectors and gas detectors is described in this paper; a brie

4、f to the associated apparatus and radioactive sources is introduced. si-pin semiconductor detector can detect the x-ray radiation from 55fe, gas detectors contain 238pu sources, so use 55fe as a sample can affect the performance of the detector and use manganese powder and starch samples instead of

5、them, the experiment need to grinding and tabletting sample. the x-ray were measured and analyzed by detector separately and spectrometer was analyzed by energy spectrum, mainly studies two kinds of relative performance, understand their energy resolution and its use range, the principal purpose is

6、to enhance the understanding of the energy resolution of the two detectors, give people a useful guidance for future work and learning.keywords: semiconductor detector, gas detectors, energy resolution目錄摘要iabstractii目錄iii前言11探測器概述31.1探測器簡介31.2輻射探測器發(fā)展歷史31.3輻射探測器發(fā)展現(xiàn)狀42半導(dǎo)體探測器52.1半導(dǎo)體探測器的基本原理52.2半導(dǎo)體探測器的儀

7、器應(yīng)用53氣體探測器73.1氣體探測器的基本原理73.2氣體探測器的工作區(qū)間84實驗方案設(shè)計104.1實驗材料和儀器104.1.1 si-pin半導(dǎo)體探測器104.1.2充xe（或充ar）薄be窗窗柱型側(cè)窗正比計數(shù)管114.1.3 adc4096多道能譜儀114.1.4多道分析儀114.1.5 238pu114.2實驗方法124.2.1實驗原理134.2.2樣品的制備144.2.3測量145實驗數(shù)據(jù)及處理165.1實驗所得數(shù)據(jù)165.2數(shù)據(jù)處理及分析195.3結(jié)論21總結(jié)22致謝23參考文獻24前言核輻射，或通常稱之為放射性，存在于所有的物質(zhì)之中，這是億萬年來存在的客觀事實，是正?，F(xiàn)象。核輻射

8、是原子核從一種結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過程中所釋放出來的微觀粒子流，包括輻射、輻射和輻射、中子輻射等。核輻射可以使物質(zhì)引起電離或激發(fā)，故稱為電離輻射。少量的輻射照射不會危及人類的健康，過量的放射性射線照射對人體會產(chǎn)生傷害，使人致病、致死。劑量越大，危害越大。為了保證核電站的正常穩(wěn)定安全運行以及工作人員和公眾人員的安全，核輻射測量是必須的。核輻射探測器的物理基礎(chǔ)是核輻射和物質(zhì)的相互作用，利用核輻射在氣體、液體、固體中的電離效應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理或化學(xué)變化進行核輻射探測與測量的元件稱為核輻射探測器。從核輻射能開始被發(fā)現(xiàn)時起，就使用了氣體電離室、照相底片和晶體探測器，到現(xiàn)在已

9、有一百多年的歷史。自從鍺(鋰)、硅(鋰)半導(dǎo)體探測器在六十年代發(fā)展起來后，此類器件的制備工藝已臻完善，沒幾年就進入商品生產(chǎn)階段，隨著高純鍺單晶制備成功，1970年國外制出了第一個高純鍺探測器。由于它比鍺(鋰)探測器制備工藝簡單得多，可在室溫儲存，既可探測x、射線，又適用干帶電粒子的探測，因此近年來高純鍺探測器得到了迅速發(fā)展。在核物理實驗以及國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展很快特別是高純鍺材料的獲得并成功地制成核輻射探測器，就更開拓了它的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀70年代末，歐洲核子研究中心(cern)的夏帕克因發(fā)明了多絲正比室獲得了1992年諾貝爾物理學(xué)獎，促使氣體探測器得到了充分發(fā)展在高能

10、物理等領(lǐng)域中起到了重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、核物理實驗和核科學(xué)研究的深入、核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，核輻射探測器和探測系統(tǒng)也發(fā)生著顯著的變化。目前常用的氣體探測器、閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器，它們是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和核物理、粒子物理實驗和其它應(yīng)用的需要，在不同的時期開發(fā)研制并逐漸完善成目前所具有的探測器系列。它們之間由于各自有各自的優(yōu)缺點，所以在某一或某些應(yīng)用中起著主導(dǎo)作用，但它們之間并不存在誰能完全代替誰而將其淘汰，而是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相互共存并都在不斷的創(chuàng)新發(fā)展，促使核輻射探測器及探測系統(tǒng)跟著發(fā)生顯著的變化。當(dāng)今又是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大的時代，核技術(shù)在核物理、粒子物理、原子物理、天

11、文學(xué)、天體物理、宇宙空間等幾大交叉學(xué)科中的應(yīng)用，在核能利用、工業(yè)自動化中的應(yīng)用，以及在國家安全檢測（包括反恐、防恐、反毒、緝毒，自動行李包、自動集裝箱的檢測，人體x射線的檢查）和核醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用都需要不同類型的探測器和探測系統(tǒng)，這就促使氣體探測器、閃爍體探測器、半導(dǎo)體探測器、核輻射成像探測器在近十多年來有了長足的進步和飛速的發(fā)展。本文基于這兩種探測器的工作原理、應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點等對放射性探測器進行能量分辨率方面的性能分析。1探測器概述1.1探測器簡介探測器(detector)是觀察、記錄粒子的裝置，核物理和粒子物理實驗研究中不可缺少的設(shè)備?？煞譃閮深悾河嫈?shù)器和徑跡探測器。計數(shù)器有電

12、離室、正比計數(shù)器、蓋革-米勒計數(shù)器、閃爍計數(shù)器、切倫科夫計數(shù)器、半導(dǎo)體探測器等等。它的目的主要是用來記錄粒子的數(shù)目。一般要求計數(shù)器具有一定的時間分辨率，即先后兩個粒子射入計數(shù)器可分辨的時間。通常計數(shù)器常與定標電路和符合電路聯(lián)合使用。定標電路是一種將脈沖計數(shù)進制的電路，通過計數(shù)器與定標電路的聯(lián)用，可對粒子快速計數(shù)；符合電路是將兩個或兩個以上的計數(shù)管同電子線路配合而成，它可以專門只記錄那些使計數(shù)管協(xié)同動作的粒子，而對于只使一個計數(shù)管動作的粒子不作反應(yīng)，從而記錄所需尋找的粒子。徑跡探測器有云室、氣泡室、流光室、火花室、多絲正比室、核乳膠等。它可以顯示粒子穿行的徑跡。徑跡探測器配以適當(dāng)?shù)拇艌?，可根?jù)徑

13、跡的長短、粗細、彎曲的方向和彎曲的曲率半徑推測出粒子的電荷、質(zhì)量和能量。1.2輻射探測器發(fā)展歷史早在1908年，氣體電離探測器就已問世。但直到1931年脈沖計數(shù)器出現(xiàn)后才解決了快速計數(shù)問題。1947年，閃爍計數(shù)器的出現(xiàn)，由于其密度遠大于氣體而大大提高了對粒子的探測效率。最顯著的是碘化鈉(鉈)閃爍體，對射線還具有較高的能量分辨本領(lǐng)。60年代初，半導(dǎo)體探測器的研制成功，使能譜測量技術(shù)有了新的發(fā)展?，F(xiàn)代用于高能物理、核物理和其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的各種類型探測器件和裝置，都是基于上述三種類型探測器件經(jīng)過不斷改進創(chuàng)新而發(fā)展起來的。1.3輻射探測器發(fā)展現(xiàn)狀進入二十一世紀以來，隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國核

14、輻射探測器行業(yè)保持了多年高速增長。隨著我國加入wto，近年來，核輻射探測器行業(yè)的出口也形勢喜人。2008年，全球金融危機爆發(fā)，我國核輻射探頭、核輻射探測器行業(yè)發(fā)展也遇到了一些困難，如國內(nèi)需求下降，出口減少等，核輻射探測器行業(yè)普遍出現(xiàn)了經(jīng)營不景氣和利潤下降的局面。2009年，隨著我國經(jīng)濟刺激計劃出臺和全球經(jīng)濟走出低谷，我國核輻射探測器行業(yè)也逐漸從金融危機的打擊中恢復(fù)，重新進入良性發(fā)展軌道。每年都有探測器的改進和新探測器的出現(xiàn)，但這些創(chuàng)新對物理研究的影響可能是有限的。許多年人力物力的巨額投資，以及今天大型實驗對資金的需求，使得構(gòu)思新探測器的熱情有所冷卻。然而，正在制造或計劃制造的一些巨大的探測器，

15、體現(xiàn)了那些曾被認為是革新的但無成功保證的構(gòu)想。近些年來半導(dǎo)體探測器的發(fā)展很快，如硅微條、硅漂移室等新型半導(dǎo)體探測器已經(jīng)研制成功，它們的位置分辨率非常高，這是任何氣體探測器和閃爍探測器很難做到的。因而在高能物理實驗中作為頂點及徑跡探測器應(yīng)用很廣泛，另外在天體物理、宇宙線科學(xué)、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也有了許多新的發(fā)展。氣體探測器方面研制出了正比閃爍室、自淬滅流光計數(shù)器、液氨電離室、液氫電離室，新的微條氣體正比室、微間隙氣體探測器、微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的氣體探測器、氣體電子倍增器、高阻板探測器等。液氫電離室可以作為電磁量能器的計數(shù)器。隨著理論研究的進一步深入以及對新材料的不斷探索和制造技術(shù)的進步，氣體探測器將會得到

16、進一步的發(fā)展。2半導(dǎo)體探測器2.1半導(dǎo)體探測器的基本原理半導(dǎo)體探測器是一種新型的探測元件。它具有極高的能量分辨率，短的脈沖上升時問，好的線性響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)簡單。工作偏壓低 (除鍺探測器外)，操作方便等優(yōu)點。半導(dǎo)體探測器的工作原理和電離室相類似，現(xiàn)以pn結(jié)型半導(dǎo)體探測器（p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體直接接觸所構(gòu)成的元件）為例加以說明。因為n的多數(shù)載流子是電子，p型的多數(shù)載流子是空穴。在兩者的接觸面附近，由于多數(shù)載流子擴散到對方，并復(fù)合使這個區(qū)域的載流子很少（消耗盡了），所以在接觸面上形成一個耗盡層。由于耗盡層上形成的內(nèi)電場，對多數(shù)載流子起阻礙作用，所以此層又稱阻擋層。這個區(qū)域就是半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)。靈

17、敏區(qū)內(nèi)載流子很少，電阻很高。所以當(dāng)加上反向電壓（p型處加負壓，n型處加正壓）時，電壓幾乎降落在結(jié)區(qū)上。在結(jié)區(qū)（靈敏區(qū)）形成一個相當(dāng)強的電場。幾乎沒有電流流過。反向電壓越高，耗盡層越厚。當(dāng)帶電離子射入結(jié)區(qū)后，在結(jié)區(qū)物質(zhì)電子的相互作用中很快損失掉能量。帶電離子所消耗的能量，以將使電子由滿帶跳到導(dǎo)帶上去，在滿帶中留下空穴，即形成了可以導(dǎo)電的電子-空穴對。在電場作用下，電子和空穴分別向兩邊飄移，于是在輸出回路中形成電流信號。當(dāng)電場足夠強的時候，電子和空穴在靈敏區(qū)復(fù)合和俘獲（又叫陷落）可以忽略。這時輸出信號的幅度與帶電粒子在結(jié)區(qū)耗盡的能量成正比。故通過測量信號脈沖的幅度就可以測定帶電粒子的能量 。2.2

18、半導(dǎo)體探測器的儀器應(yīng)用半導(dǎo)體探測器有兩個電極，加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進入半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時，即產(chǎn)生電子-空穴對。在兩極加上電壓后，電荷載流子就向兩極作漂移運動收集電極上會感應(yīng)出電荷，從而在外電路形成信號脈沖。半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)應(yīng)是接近理想的半導(dǎo)體材料，而實際上一般的半導(dǎo)體材料都有較高的雜質(zhì)濃度，必須對雜質(zhì)進行補償或提高半導(dǎo)體單晶的純度。通常使用的半導(dǎo)體探測器主要有結(jié)型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型。金硅面壘型探測器1958年首次出現(xiàn)，鋰漂移型探測器60年代初研制成功，同軸型高純鍺(hpge)探測器和高阻硅探測器等主要用于能量測量和時間的探測器陸續(xù)投入使用，半導(dǎo)體探測器得到迅速的

19、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。結(jié)型探測器其結(jié)構(gòu)類似結(jié)型半導(dǎo)體二極管，但用于探測粒子時要加上足夠的反向偏壓。這時電子和空穴背著pn結(jié)移動而形成靈敏區(qū)。結(jié)型探測器一般采用硅單晶。這是因硅具有較大的禁帶寬度，可用以保證在室溫下工作時有足夠小的漏電流。此外它的靈敏層厚度一般只有1毫米左右，故只適于探測穿透力較小的帶電粒子。3氣體探測器3.1氣體探測器的基本原理氣體檢測儀器是一種檢測氣體濃度的儀器，適用于存在可燃或有毒氣體的危險場所，能長期連續(xù)檢測空氣中被測氣體爆炸下限以內(nèi)的含量?？蓮V泛應(yīng)用于燃氣，石油化工，冶金，鋼鐵，煉焦，電力等存在可燃或有毒氣體的各個行業(yè)，是保證財產(chǎn)和人身安全的理想監(jiān)測儀器。入射射線進入氣體探測

20、器，在探測器中與氣體分子相互碰撞，使氣體分子電離和激發(fā)，并在粒子通過的途徑上生成大量電子-離子對。或者這些入射射線所帶的電荷與氣體分子中核外電子之間產(chǎn)生庫倫作用力，使氣體分子的核外電子被拉出來，離開原來的分子而獨立運動，從而使原來的中性氣體分子形成離子對（一個帶負電的電子和一個帶正電的離子）。因為輻射粒子射入氣體后將前進一段路程，在它經(jīng)過的途徑上由于電離效應(yīng)將產(chǎn)生大量的電子-離子對，直到輻射離子能量逐漸消耗到低于氣體分子的電離電位時，電離才結(jié)束，收集這些電荷，就可以了解輻射射線的情況。氣體探測器通常由高壓電極和收集電極組成，電極間充入一定氣體并加一定電壓，使氣體中有一定電場存在。在外加強電場的

21、作用下，電子-離子定向移動形成電流，該電流的大小與單位時間入射射線的能量成正比關(guān)系，該電流在收集電阻上形成電壓脈沖，電壓脈沖的數(shù)目與入射射線的強度成正比。由此可實現(xiàn)對入射射線的能量和強度進行測量。電流的大小與外加電壓或氣體中電場強度的關(guān)系卻比較復(fù)雜，見圖3.1：圖3.1電離電流與外加電壓的關(guān)系3.2氣體探測器的工作區(qū)間圖3.1中的曲線是在輻射強度固定不變的情況下，改變電極上所加的電壓，即改變氣體中的電場強度得的電離電流的關(guān)系曲線。曲線明顯的分為五個區(qū)段。這五個區(qū)段就是氣體探測器的工作區(qū)間。下面對圖上的五個區(qū)域做一個簡單的介紹。i區(qū)：復(fù)合區(qū)，入射射線在氣體中產(chǎn)生的電子-離子對，在電場不大時，容易

22、產(chǎn)生負離子和離子復(fù)合（電子復(fù)合，離子復(fù)合）ii區(qū)：飽和電流區(qū)（電離室工作區(qū)）：增加電壓時復(fù)合逐漸消失，離子全部都收集，電流趨向飽和。該區(qū)內(nèi)的離子全部被收集，電流強度等于單位時間內(nèi)產(chǎn)生的原電離電荷數(shù)。 iii區(qū)：正比區(qū)（正比技術(shù)管工作區(qū)）：外加電壓增大，氣體內(nèi)的電場強度增大，使原電離所產(chǎn)生的電子、離子再次引發(fā)次電離，最后電離的電荷是原電離的多倍（氣體放大），在一定電壓下，放大倍數(shù)一定。iv區(qū):有限正比區(qū):電壓繼續(xù)增大，氣體放大系數(shù)過大，空間離子密集，抵消部分場強，使氣體放大系數(shù)相對減少，稱為空間電荷效應(yīng)。v區(qū)：蓋革區(qū)：電離倍增更加劇烈，電流猛增，形成雪崩放電。此時電流強度不再與原電離強度有關(guān)，原

23、電離對放電只起“點火”作用，該區(qū)只能作強度測量，不能作定性（能量）測量。4實驗方案設(shè)計4.1實驗材料和儀器本次畢業(yè)設(shè)計的實驗主要使用的儀器設(shè)備：充（或充）薄窗窗柱型側(cè)窗正比技術(shù)管、半導(dǎo)體探測器、adc4096多道 能譜儀、nim低壓電源及機箱、裝有mca軟件（與adc配套）的電子計算機（含微機多道分析winmca軟件）、前置放大器（與正比技術(shù)管一起封裝在屏蔽盒中）、線性脈沖放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）、粉、。下面就半導(dǎo)體探測器、充（或充）薄窗窗柱型側(cè)窗正比技術(shù)管和adc4096多道能譜儀進行簡單的介紹。4.1.1 si-pin半導(dǎo)體探測器pin探測器是具有pin結(jié)構(gòu)的（其中間層實際上是高阻的全

24、耗盡層，其載流子很少，與本征層和絕緣體層有類似之處）用于探測光和射線的探測器件。硅pin探測器室溫下的漏電流在納安（na）數(shù)量級，比其上一代的硅面壘探測器要小差不多3個數(shù)量級，是硅面壘探測器的換代產(chǎn)品。但是pin探測器的電容仍然和面壘探測器一樣，隨探測器面積的增大而正比增大，這導(dǎo)致探測器噪聲還是偏大，同時成形時間常數(shù)不能太小因而計數(shù)率不能高。這就是pin探測器不僅在技術(shù)上而且在性能上也要比硅漂移探測器差整整一代的原因。絕大多數(shù)pin探測器是用硅做的，所以如果不特別指出，pin探測器指的就是si-pin或者硅pin探測器。硅pin探測器實際上就是硅pn（結(jié)）探測器，這里只是強調(diào)其耗盡層很厚，以便

25、與耗盡層很薄的一般電子器件的pn結(jié)區(qū)別開。4.1.2充xe（或充ar）薄be窗窗柱型側(cè)窗正比計數(shù)管正比計數(shù)管是測量核輻射的一種基本探測元件，在測量x射線能譜方面具有較好的能量分辨率，探測效率高，壽命長，廣泛應(yīng)用于化工、建工和合金等材料與石油、薄膜和涂層等制品以及礦山開采和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的成份分析中。絕大多數(shù)的正比技術(shù)管具有較薄的入射窗口，以獲得較低的低能端探測下限，較大的觀測面積，以及良好的氣密性，常用的是鈹窗正比技術(shù)管。在密封的管體中充以惰性氣體和少量負電性氣體的混合物。4.1.3 adc4096多道能譜儀 yd-4096型環(huán)境譜儀，由nai探頭，adc多道卡，計算機，鉛室等設(shè)備組成，可以進

26、行發(fā)射體核素的放射性能譜分析及活度測量，主要用于電離輻射測量中的未知樣品元素類型鑒別及相關(guān)的活度測量?？蓮V泛用于對花崗巖、大理石、水泥、煤渣、食品、沉積物和地質(zhì)樣品等物質(zhì)中所含放射性核素進行定性和定量分析，測量核素種類及其放射性活度或比活度值；亦可采用活性炭盒法對室內(nèi)或環(huán)境進行放射性氡含量分析。4.1.4多道分析儀多道分析儀（mca）應(yīng)用領(lǐng)域包括電子信號分析，脈沖信號分析，核物理信號分析以及光譜分析是用于脈沖計數(shù)分析的關(guān)鍵測試儀器。其主要工作原理是：輸入信號經(jīng) adc、dsp 處理后，由 rs232、usb 通訊接口與計算機聯(lián)機，由計算機進行數(shù)據(jù)分析處理（運算，分析，顯示，儲存，打印，控制等）

27、。4.1.5 238pu放射源是用天然或人工放射性核素制成的、以發(fā)射某種輻射為特征的制品。按所釋放射線的類型可分為放射源、放射源、放射源和中子源，放射性是一種具有統(tǒng)計特征的隨機現(xiàn)象，放射性現(xiàn)象和由此產(chǎn)生的射線或粒子無法用肉眼觀察，必須使用某種探測器來記錄。是一種常用的放射性源，它可以用來測試半導(dǎo)體探測器和氣體探測器的探測效率。下面將一些放射源的相關(guān)參數(shù)列表如下：表4.1常見放射源放射性源主要參數(shù)元素半衰期衰變類型能量范圍/kev產(chǎn)額激發(fā)范圍k系l系2.6a（x）5.895;6.49(mnk)0.2517 2340 5887.7a（x）13.6;16.4;17.2;20.2(ul);43.5;9

28、9.9()0.1300.00124 3570 92433a（x,）11.89-20.7(npl);26.35();33.2;43.5();59.54()0.180.0250.35824 3835 6970 92表4.2 元素的特征x射線原子序號符號元素（kev）(kev)25錳5.8956.494.2實驗方法本次實驗的完成主要分為幾個大的步驟：前期準備，樣品的制備，測量。前期準備是很重要的一環(huán)，樣品的制備主要是進行壓片，壓片質(zhì)量的好壞對實驗有很大的影響。4.2.1實驗原理半導(dǎo)體探測器和其他半導(dǎo)體探測器從原理上講是一個電壓反接的半導(dǎo)體二極管。體積小、重量輕、在常溫下用電制冷方式工作。在其pn結(jié)之

29、間有一定厚度的本征區(qū)i，對低能電磁輻射有較高探測效率的特性。用探測器測量放射源激試樣，可以記錄到相關(guān)的特征x射線。在儀器狀態(tài)調(diào)整得當(dāng)?shù)那闆r下，根據(jù)能譜圖，可以得知半高寬所對應(yīng)的道址的道數(shù)，用相對半高寬來表示儀器的能量分辨率。正比技術(shù)管是工作在正比區(qū)的脈沖氣體電離探測器，它由圓筒狀金屬陰極和絲狀陽極組成，陰極（或加外殼）組成密封的靈敏區(qū)。在密封的管體中充以惰性氣體和淬滅氣體。測量x射線的正比技術(shù)管都裝有很薄的窗，由于在空氣中穩(wěn)定而原子序數(shù)小（z=4）,低能x射線能夠進入靈敏區(qū)而被記錄下來。在射線通過電極間的氣體時，電力產(chǎn)生的電子和正離子在電場作用下，分別向陽極和陰極漂移。正離子質(zhì)量大，且沿漂移方

30、向電場由強到弱，因此電場的加速不足以使它發(fā)生電離碰撞。而電子不然，越接近陽極，電場越強。到達某一距離后，電子在平均自由程上獲得的能量足以與氣體分子發(fā)生電離碰撞。漂移電子愈接近陽極，電離碰撞的概率也愈大。不斷增殖的結(jié)果便形成了氣體放大。這里的氣體放大系數(shù)決定于氣體的性質(zhì)、壓強、工作電壓和電極半徑；輸出脈沖幅度與初電離成正比。所以正比技術(shù)管可以用于計數(shù)測量也可以用于能譜測量。本次實驗主要是對比兩種探測器的重要性能能量分辨率。能量分辨率表示能譜儀能否分開不同能量粒子的本領(lǐng)。能量分辨率有兩種表示方法，一種是以半寬度能量表示，另一種是以相對半高寬表示。通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱為半高寬度，即f

31、whm。所以能量分辨率可以表示為： 式中，半高寬度所對應(yīng)的道址的個數(shù) 入射射線所對應(yīng)的峰位將全能峰最大值的一半對應(yīng)的道數(shù)，按能量刻度曲線折合成能量值表示，單位為能量單位，kev或mev，所以能量分辨率也可以表示為：式中，半高寬度所對應(yīng)的能量間隔 峰位所對應(yīng)的能量4.2.2樣品的制備樣品的制備必須有相關(guān)的含量標準，配制10g的樣品需要的試樣及里面所含的試樣的量如下表4.3配置的樣品中成分的含量淀粉9g錳粉1g幾種試樣的含量可以用托盤天平來進行稱量，使用天平前要注意調(diào)零。稱量好實驗所需的試劑后，先把錳粉放到清洗干凈的研缽中。樣品的制備必須用瑪瑙研缽研磨半小時至淀粉和錳粉完全混合均勻，然后再進行壓制

32、樣品。使用模具前一定要用酒精清洗干凈，將配置好的標樣置于制樣模具中在小型油壓機加壓到5mpa壓強制成樣品，待兩分鐘左右再取出來。整個制樣過程中要保持操作的規(guī)范，保證所制取樣品的純凈，以免摻入雜質(zhì)影響能譜分析。制好的樣品在不使用的時候必須放置于干燥缸中，防止過潮。4.2.3測量由于實驗要求很高，實驗室的溫度濕度都必須要保持恒定。在實驗過程中使用空調(diào)保持室內(nèi)溫度20，在實驗過程中探測器、放射源等是不能移動的。探測器、放射源以及樣品的幾何位置也必須固定下來。圖4.1設(shè)備連接框圖按照圖4.1的實驗連接框圖正確連接好儀器之后，打開電源開關(guān)，就可以進行射線的收集和測量了。半導(dǎo)體探測器由室溫經(jīng)電制冷裝置逐漸

33、下降到工作溫度，約經(jīng)0.5分鐘后，正常工作。探測器探測到釋放出的x射線，輸出脈沖信號經(jīng)前置放大器送到主放大器，放大成形的模擬脈沖信號經(jīng)adc轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之后，由mca處理，進行相應(yīng)的計算和顯示。調(diào)節(jié)放射源到探測器的距離，可以改變計數(shù)率。氣體探測器和半導(dǎo)體探測器測量能量分辨率的原理一樣，只是裝置的幾何布置有些不同。將壓制好的樣品放入帶有放射源的氣體探測器中，用激發(fā)錳粉，放出x射線，氣體探測器輸出脈沖信號，經(jīng)過一系列的處理之后，在計算機上進行相應(yīng)的計算和顯示。每個樣品測量完之后將譜線保存下來，待后面的數(shù)據(jù)分析使用。5實驗數(shù)據(jù)及處理5.1實驗所得數(shù)據(jù)根據(jù)測量結(jié)果，半導(dǎo)體探測器測得的能譜有兩個峰位，

34、使用的放射源是，氣體探測器測得的有一個峰位，使用的放射源是。兩種探測器測得的峰位、能量、計數(shù)詳見圖5.1圖5.8 ：圖5.1半導(dǎo)體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.2半導(dǎo)體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.3半導(dǎo)體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.4半導(dǎo)體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.5氣體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.6氣體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.7氣體探測器測得錳粉的射線能譜圖圖5.8氣體探測器測得錳粉的射線能譜圖從能譜圖中能夠得知儀器的半高寬和峰位，列表如下：表5.1半導(dǎo)體探測器測得的數(shù)據(jù)能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）5.895kev200.2712.63200.3612.8120

35、0.2912.69200.2812.74表5.2氣體探測器測得的數(shù)據(jù)能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）5.895kev372.54105.72373.65105.61373.04104.56373.97105.695.2數(shù)據(jù)處理及分析查表4.2得知錳有兩條特征x射線：，能量分別是5.895kev和6.49kev。因為所測的元素是錳，在能譜圖上可以根據(jù)它們的譜線區(qū)分，射線，在前，射線在后。所以第一個峰位對應(yīng)的能量石5.895kev，第二個峰位對應(yīng)的能量是6.49kev。用氣體探測器測量時，因能量低在前面，并且它的計數(shù)率最高，湮沒了射線，根據(jù)它的分支比可以看出。結(jié)果能譜圖上只能得到錳的一個峰位，對應(yīng)的

36、能量是5.895kev。儀器的能量分辨率是針對同一元素的特定能量來說的，根據(jù)公式可知，對于某一特定的能量，儀器的分辨率就等于半高寬所對應(yīng)的道址數(shù)比上入射射線所對應(yīng)的道址數(shù)，對同一樣品，多次測量，求其平均值，可以減少因外界環(huán)境帶來的誤差。根據(jù)表5.1，表5.2儀器的峰位和半高寬可以求得兩種探測器的能量分辨率，見表5.3，5.4：表5.3半導(dǎo)體探測器的能量分辨率能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）分辨率5.895kev200.2712.636.31%200.3612.816.39%200.2912.696.33%200.2812.746.36%（5.895kev）=（6.31%+6.39%+6.33%+

37、6.36%）/4=6.35%表5.4氣體探測器的能量分辨率能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）分辨率5.895kev372.54105.7228.38%373.65105.6128.26%373.04104.5628.03%373.97105.6928.26%（5.895kev）=（28.38%+28.26%+28.03%+28.26%）/4=28.23%上面兩個表格已經(jīng)分別列出了半導(dǎo)體探測器和氣體探測器在某一特定能量的能量分辨率，由此表格也可以清楚的看到半導(dǎo)體探測器可以探測出錳的一條特征x射線，并且分辨率低于10%，而氣體探測器也能探測出錳的一種特征x射線，但是分辨率高于28%。5.3結(jié)論本實驗對

38、實驗條件要求很嚴格，在實驗過程中要保持所有儀器設(shè)備的幾何位置始終不變，樣品的純度要很高，不能受到其他物質(zhì)的污染。通過實驗，可以清楚的由能譜圖看到半導(dǎo)體探測器能譜圖的半高寬很小，氣體探測器的能譜圖的半高寬比較大，通過計算可以一目了然的看到在測量錳粉的時候，半導(dǎo)體探測器比氣體探測器的能量分辨率要好的多。實際生活中，人們不會因為半導(dǎo)體探測器的能量分辨率高，氣體探測器的能量分辨率低，就選用半導(dǎo)體探測器，不用氣體探測器，而會根據(jù)具體情況來選用合適的輻射探測器。當(dāng)對探測器的能量分辨率要求不太高時，就可以選擇氣體探測器，此外，探測器的價格和其他性能優(yōu)劣也可以影響人們的選擇。總結(jié)論文首先簡述了探測器，分析了輻射探測器的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，包括半導(dǎo)體探測器、氣體探測器、閃爍體探測器。然后論文以pn結(jié)型半導(dǎo)體探測器為例簡要介紹了半導(dǎo)體探測器的基本原理和應(yīng)用，緊接著介紹了氣體探測器的基本原理。在論述了相關(guān)探測器的基礎(chǔ)上，需要做實驗對探測器的性能進行分析和研究，探測器的性能很多，包括能量分辨率、探測效率、線性響應(yīng)。根據(jù)實驗室的條件和人們對探測器性能需求的分析，作者選用了相關(guān)的一些實