α射線能譜測量(有算能量刻度哦)

1、*西南科技大學射線能譜測量報告 設計名稱 射線能譜測量 學 院 班 級 學生姓名 學 號 設計日期 2014年12月 2014年10月 制目 錄1實驗目的.12實驗內容.13實驗原理.1 3.1能譜. 1 3.2放射源. 2 3.3放譜儀.3 3.4探測器測量射線能譜相關原理. 4 3.5譜儀的能量刻度和能量分辨率.44實驗儀器、器材. 55實驗步驟. 56實驗數據記錄、處理.67實驗結論.81實驗目的衰變中發(fā)射的粒子能量及輻射幾率的測量，對于核結構研究具有重要意義。這些核數據的測量通常是用磁譜儀或半導體譜儀。而本實驗主要從以下幾個方面進行：1、 了解譜儀工作原理與特性2、 掌握能譜測量原理及

2、測量方法3、測量獲取表中各種放射源在不同探源距下能譜的數據與圖像記錄并進行刻度2實驗內容測定譜儀在不同源距下能譜的數據，并通過計算獲得相關能量分辨率。同時，進行能量刻度。3實驗原理3.1能譜粒子通過物質時，主要是與物質的原子的殼層電子相互作用發(fā)生電離損失，使物質產生正負離子對，對于一定物質，在其內部產生一對離子所需的平均能量是一定的（即平均電能w），所以在物質中產生的正負離子對數與粒子損失的能量成正比，即：N=公式中N為粒子在物質 中產生的正負離子對數目，E是在物質中損失的粒子能量。如果粒子將其全部能量損失在物質內，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，天然

3、放射性核素衰變產生的粒子，射程最大為Thc(212Po) 為8.62cm，能量最小232Th為2.5cm），所以測量室應采用真空室，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）。粒子在探測器中因電離、激發(fā)（由于粒子的質量很大，所以與物質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。）等效應而產生電流脈沖，其幅度與粒子能量成正比。電流信號經前置放大器、主放大器放大，出來的電信號通過多道分析器進行數據采集，最后通過計算機采集并顯示其儀器譜（實驗用譜

4、儀硬件連接及內部結構框圖如圖1所示）。儀器譜以粒子的能量（即脈沖幅度）為橫坐標，某個能量段內粒子數（或計數率）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，應是位于相應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，其峰頂位置相應于粒子的能量，譜線以下的面積為相應能量的粒子的總計數率，峰的半高寬與峰頂能量比值的百分數則為譜儀的能量分辨率。譜儀硬件連接及內部結構框圖圖一所示。圖一譜儀硬件連接及內部結構框圖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。由于粒子穿透物質的能力弱，為此，設計制備放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，價格便宜，而且半衰期長。常用放射源核素數據如表一。本次實驗，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數據3.3譜儀放射性樣品

7、的a粒子與探測器相互作用，經前置放大器輸出正比于a粒子能量的脈沖信號，經線性放大后輸入多道脈沖分析器分析，得到的計數按照能量(道址)分布的a粒子能譜，實現核素的識別和活度測定。 本次試驗儀器擬采用西南科技大學國防重點試驗室能譜儀，該譜儀為美國ORTEC公司生產的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平方毫米的選擇，有效耗盡層100m。結構特性與性能指標：l 樣品直徑可從13mm至51mm。探測器與被測樣品之間有

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44mm。l 真空計：范圍10mTorr到20Torr（1 Torr 133.322 Pa）。l 探測器偏壓：范圍0±100V，大小和正負極性可調節(jié)。漏電流檢測器：范圍0到10,000nA，顯示分辨率3nA。l 脈沖產生器；范圍0到10MeV，穩(wěn)定性<50ppm/ºC，脈沖的幅度可調。l 數字化MCA(多道脈沖幅度分析儀)：通過軟件可設置系統(tǒng)轉換增益(道數)為256、512、1024、2048或者4096道，細調增益為0.25到1；增益穩(wěn)定性：150ppm/ºC；每個事件的轉換時間(死時間)：<

9、2µs。l 數字化穩(wěn)譜、ADC的零點(ZERO)和下閾(LLD)均由計算機調節(jié)設置。譜儀的探測器偏壓、漏電流均可在軟件相關界面上以數字和圖形顯示出來。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Alpha Ensemble最終提供一條電纜給PC。l 應用軟件：MAESTRO-32或AlphaVisionl 工作條件:溫度0ºC到50ºC，相對濕度 95%。l 分辨率與本底：基于使用450mm2 ULTRA-AS探測器和高質量的241Am點源，能量分辨率(FWHM)：20KeV (探測器到源的距離等于探

10、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1。l 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：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。3.4探測器測量射線能譜相關原理因離子注入PIPS譜儀相關資料不足，故本實驗報告以金硅面壘探測器為例加以說明。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

11、那一層硅具有P型硅的特性，這種方式形成的PN結靠近表面層，結區(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)內損失能量轉變?yōu)榕c其能量成正比的電脈沖信號，經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的特性，在使用過程中，應有光屏蔽措施。金硅面壘型半導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的道址，作能量對應道址的刻度曲線，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為對應E譜峰所在道址，G是直線斜率（keV/每道），稱為刻度常數。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。4實驗儀器、器材1、 ALPHA-ENSEMBLE譜儀探測器2、 PC機3、 真空泵3GcB T44、所用源

13、：Am241的5.486MeV和Pu239的5.155MeV 5實驗步驟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（也可測本底）3.1點“MAESTRO for Windows”的“Acquire”3.1.0 設置3.1.1設置高壓，點 high voltage 的可控按鈕“on”，出現標志“On”表明高壓設置ok3.2點“MAESTRO for Windows”的“Alpha”3.2.1Target設為”300”（小于1000即可）3.2.2vacuum設置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：設置為40963.2.4點擊“presets” ，設置“l(fā)ive time”（測量活時間）（源小則時間設置長，反之則短）3.2.5若本來存在有譜，則在“input“圖上點右鍵，點”clear“3.2.6“input“圖上點右鍵，點”start“或菜單欄上”go“3.3點“calculate“，realtime設置為3003.3.1尋峰“peak search“3.3.2選中該峰，右鍵，點“peak info“Gross area：總計數，net area：凈計數能量分辨率=FWHM/peak位3.3calibration：設置能量刻度，可默認3.4

15、截圖，打印4、 關閉4.1去高壓4.2去真空4.3去源4.4關機6實驗數據記錄、處理 6.1數據記錄數據一源距4mm實驗數據記錄表一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數據二源距8mm實驗數據記錄表二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數據處理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： 即通過所得信號的分析得出相應的譜形和數據，處理后得到的道址與能量的對應關系。利用能量刻度曲線得出能量與道址的關系：E(keV)=aX+b（X為道址）。表一:能量刻度數據記錄道址道址誤差（+

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：能量刻度數據記錄道址道址誤差（+ -）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，譜峰的低能尾部越明顯，使分辨率越差。因