α射线能谱测量(有算能量刻度哦)

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西南科技大学

《α射线能谱测量》报告

设计名称 α射线能谱测量 学 院 班 级 学生姓名 学 号

设计日期 2014年12月

2014年10月 制

目 录

1实验目的...........................................1 2实验内容...........................................1 3实验原理...........................................1 3.1α能谱......................................... 1 3.2α放射源....................................... 2 3.3α放谱仪........................................3 3.4探测器测量α射线能谱相关原理................... 4 3.5α谱仪的能量刻度和能量分辨率....................4 4实验仪器、器材..................................... 5 5实验步骤........................................... 5 6实验数据记录、处理..................................6 7实验结论............................................8

1实验目的

α衰变中发射的α粒子能量及辐射几率的测量，对于核结构研究具有重要意义。这些核数据的测量通常是用α磁谱仪或半导体α谱仪。而本实验主要从以下几个方面进行： 1、了解α谱仪工作原理与特性 2、掌握α能谱测量原理及测量方法

3、测量获取表中各种放射源在不同探源距下α能谱的数据与图像记录并进行刻度

2实验内容

测定α谱仪在不同源距下α能谱的数据，并通过计算获得相关能量分辨率。同时，进行能量刻度。

3实验原理

3.1α能谱

α粒子通过物质时，主要是与物质的原子的壳层电子相互作用发生电离损失，使物质产生正负离子对，对于一定物质，α在其内部产生一对离子所需的平均能量是一定的（即平均电能w ），所以在物质中产生的正负离子对数与α粒子损失的能量成正比，即：

N=

E W

公式中N 为α粒子在物质 中产生的正负离子对数目，E 是在物质中损失的α粒子能量。如果α粒子将其全部能量损失在物质内，E 就是α粒子的能量。

由于α粒子在空气中的射程很短（在T=15℃，P=1大气压时，天然放射性核素衰变产生的α粒子，射程最大为Thc ’(Po) 为8.62cm ，能量最小

212

232

Th 为2.5cm ），所以测量室应采

用真空室，如上图1所示，采用真空泵将测量室抽成真空，这样与探测器接触的α粒子的能量才近似等于放射性核素经过α粒子放出的α粒子的初始能量（近似是因为不可能将测量室抽成绝对真空）。

α粒子在探测器中因电离、激发（由于α粒子的质量很大，所以与物质的散射作用很不明显。α粒子在空气中的径迹是一条直线，这种直线很容易在威尔逊云室中看到。）等效应而产生电流脉冲，其幅度与α粒子能量成正比。电流信号经前置放大器、主放大器放大，出来的电信号通过多道分析器进行数据采集，最后通过计算机采集并显示其仪器谱（实验用α谱仪硬件连接及内部结构框图如图1所示）。仪器谱以α粒子的能量（即脉冲幅度）为横坐标，某个能量段内α粒子数（或计数率）为纵坐标，即可计算样品中各单个核素发射的α粒

子的能量与活度。理论上，单能α粒子谱是线状谱，应是位于相应能量点处垂直于横坐标轴的单一直线，但由于α粒子入射方向、空气吸收、样品源自吸收的差异和低能粒子的叠加等原因，实际测得的是具有一定宽度的单个峰，其峰顶位置相应于α粒子的能量，谱线以下的面积为相应能量的α粒子的总计数率，峰的半高宽与峰顶能量比值的百分数则为α谱仪的能量分辨率。α谱仪硬件连接及内部结构框图图一所示。

图一α谱仪硬件连接及内部结构框图 3.2α放射源

α放射源是以发射α粒子为基本特征的放射源。α粒子能量一般为4-8MeV ，在空气中的射程为2.5-7.5cm ，在固体中的射程为10-20um 。由于α粒子穿透物质的能力弱，为此，设计制备α放射源时必须考虑源的自吸收。目前工业用的α放射源主要有

244

241

Am 、Pu 、Pu 、

238239

Cm(锔) 和

210

Po(钋) 等，用量最大的是

241

Am 源。因为

241

Am 容易生产，价格便宜，而且半衰

期长。常用α放射源核素数据如表一。

本次实验，所用α源：Am241的5.486MeV 和Pu239的5.155MeV 。

U

Pu

表一常用α放射源核素数据 3.3α谱仪

放射性样品的α粒子与探测器相互作用，经前置放大器输出正比于α粒子能量的脉冲信号，经线性放大后输入多道脉冲分析器分析，得到的计数按照能量(道址) 分布的α粒子能谱，实现核素的识别和活度测定。

本次试验仪器拟采用西南科技大学国防重点试验室α能谱仪，该α谱仪为美国ORTEC 公司生产的8通道α能谱仪，型号为：ALPHA-ENSEMBLE.

ORTEC 在α谱仪上采用超低本底和PIPS 工艺（表面钝化、离子注入、可擦洗）硅探测器，同时真空舱室也为超低本底材料。面积上提供300、450、490、600、900和1200平方毫米的选择，有效耗尽层100μm。

结构特性与性能指标：

● 样品直径可从13mm 至51mm 。探测器与被测样品之间有10档距离可选，相邻两档之间的距离差为4mm ，最大距离可达44mm 。

● 真空计：范围10mTorr 到20Torr （1 Torr ≈ 133.322 Pa）。

● 探测器偏压：范围0±100V ，大小和正负极性可调节。漏电流检测器：范围0到10,000nA ，显示分辨率3nA 。

● 脉冲产生器；范围0到10MeV ，稳定性

● 数字化MCA(多道脉冲幅度分析仪) ：通过软件可设置系统转换增益(道数) 为256、512、1024、2048或者4096道，细调增益为0.25到1；增益稳定性：≤150ppm/ºC；每个事件的转换时间(死时间) ：

● 数字化稳谱、ADC 的零点(ZERO)和下阈(LLD)均由计算机调节设置。谱仪的探测器偏压、漏电流均可在软件相关界面上以数字和图形显示出来。

● 输入电源：120/240 V ac， 50/60 Hz输入功率50W 。

● 通讯：USB2.0接口。每一个Alpha Ensemble最终提供一条电缆给PC 。

● 应用软件：MAESTRO-32或AlphaVision ● 工作条件:温度0ºC 到50ºC ，相对湿度≤ 95%。

● 分辨率与本底：基于使用450mm 2 ULTRA-AS 探测器和高质量的241Am 点源，能量分辨率(FWHM)：≤20KeV (探测器到源的距离等于探测器的直径) ，探测器效率：≥25% (探测器到源的距离小于10mm) ，本底：在3MeV 以上，每小时计数≤1。

● 所有型号均可选择用于反冲抑制保护的样品盘选项。 主要特点：

探测室、前放、主放和多道一体化，系统具有高度的可靠性； 全部功能由计算机通过仿真软件控制； 每一路都完全独立、互不干扰或影响； 每一路谱仪可配不同规格型号探测器；

容纳样品直径最大可达51mm ，探测器面积最大可达1200mm 2； 系统可以扩展至8台共64路探测器。 3.4探测器测量α射线能谱相关原理

因离子注入PIPS α谱仪相关资料不足，故本实验报告以金硅面垒探测器为例加以说明。 金硅面垒探测器是用一片N 型硅，蒸上一薄层金（100-200

），接近金膜的那一层硅

具有P 型硅的特性，这种方式形成的PN 结靠近表面层，结区即为探测粒子的灵敏区。探测

器工作加反向偏压。

粒子在灵敏区内损失能量转变为与其能量成正比的电脉冲信号，经

放大并由多道分析器测出幅度的分布，从而给出带电粒子的能谱。偏置放大器的作用是当多道分析器的道数不够用时，利用它切割、展宽脉冲幅度，以利于脉冲幅度的精确分析。为了提高谱仪的能量分辨率，探测器要放在真空室中。另外金硅面垒探测器一般具有光敏的特性，在使用过程中，应有光屏蔽措施。

金硅面垒型半导体

谱仪具有能量分辨率高、能量线性范围宽、脉冲上升时间快、体

粒子及其它重带电粒子能谱测量中有着广泛的应用。

积小和价格便宜等优点，在

3.5α谱仪的能量刻度和能量分辨率

图一峰位-偏压曲线

谱仪的能量刻度就是确定址表示。

用一个

粒子能量与脉冲幅度大小以谱线峰位在多道分析器中的道

谱仪系统的能量刻度有两种方法：

239

Pu 、Am 、Cm 混合的

241244

刻度源，已知各核素粒子的能量，测出该能量在多

道分析器上所对应的道址，作能量对应道址的刻度曲线，并表示为：

E=Gd+E

O

图二能量分辨率-偏压曲线

E 为α粒子能量（keV ）,d 为对应E 谱峰所在道址，G 是直线斜率（keV/每道），称为刻度常数。E 0是直线截距（keV ），它表示由于α粒子穿过探测器金层表面所损失的能量。

4实验仪器、器材

1、ALPHA-ENSEMBLE α谱仪探测器 2、PC 机

3、真空泵Π3Gc ΠB T4

4、所用α源：Am241的5.486MeV 和Pu239的5.155MeV

5实验步骤

1、 打开PC 机、8路α谱仪和真空泵 2、 点击PC 桌面上“MAESTRO for Windows” 3、 测量源（也可测本底）

3.1点“MAESTRO for Windows”的“Acquire ” 3.1.0 设置

3.1.1设置高压，点 high voltage 的可控按钮“on ”，出现标志“On ”表明高压设置ok

3.2点“MAESTRO for Windows”的“Alpha ” 3.2.1Target 设为”300”（小于1000即可） 3.2.2vacuum 设置

A ．“Pump ”抽真空，通过“actual ”看是否抽真空 B ．“Vent “放弃真空 C ．“hold “保持真空 3.2.3ADC ：设置为4096

3.2.4点击“presets ” ，设置“live time”（测量活时间）（源小则时间设置长，反之则短）

3.2.5若本来存在有谱，则在“input “图上点右键，点”clear “ 3.2.6“input “图上点右键，点”start “或菜单栏上”go “ 3.3点“calculate “，realtime 设置为300 3.3.1寻峰“peak search“

3.3.2选中该峰，右键，点“peak info“ Gross area：总计数，net area：净计数 能量分辨率=FWHM/peak位

3.3calibration ：设置能量刻度，可默认 3.4截图，打印 4、 关闭 4.1去高压 4.2去真空

4.3去源 4.4关机

6实验数据记录、处理

6.1数据记录 数据一源距

4mm

239

Peak Peak(Kev) FWHM FW 组 Gross Area Net Area

Pu 2357.09 5155 30.95 30.95 28599 28450±178

241

Am 2514.75 5486 30.68 30.68 19844 19844±140

数据二源距

8mm

239

Peak Peak(Kev) FWHM FW 组 Gross Area Net Area

Pu 2356.30 5155 35.19 35.19 40452 28967±544

241

Am 2514.57 5486 40.32 40.32 28508 28241±187

6.2数据处理

6.2.1能量分辨率：

FWHM

Peak FWHM

能量分辨率（源距4mm) ：

Peak FWHM

能量分辨率（源距8mm) ：

Peak FWHM

能量分辨率（源距8mm) ：

Peak

能量分辨率（源距4mm) ：

6.2.2能量刻度：

30. 95

=0.0060=0.60%

5155. 0030. 68==0.0056=0.56% 5486. 0035. 19==0.0068=0.68% 5155. 0040. 32==0.0073=0.73% 5486. 00

=

即通过所得信号的分析得出相应的谱形和数据，处理后得到的道址与能量的对应关系。利用能量刻度曲线得出能量与道址的关系：E(keV)=aX+b（X 为道址）。 表一:

能量刻度数据记录

能量刻度曲线一：

由上图得出公式E(keV)=aX+b中A 、B 的值分别为：a=2.099 b=205.1

即E(keV)=2.099X+205.1

表二：

能量刻度数据记录

能量刻度曲线一：

由上图得出公式E(keV)=aX+b中A 、B 的值分别为：a=2.091 b=228.0

即E(keV)=2.091X+228.0

6.2.3不同探源距：

不同探源距使得所得图谱中谱峰有所不同，探源距越长，谱峰的低能尾部越明显，使分辨率越差。因此，应尽可能缩小探源距即将放射源尽可能靠近探测器，从而提高分辨率。

7实验总结

从实验中初步解到α谱仪的测量原理，即：放射性样品的α粒子与探测器相互作用，经前置放大器输出正比于α粒子能量的脉冲信号，经线性放大后输入多道脉冲分析器分析，得到的计数按照能量(道址) 分布的α粒子能谱，实现核素的识别和活度测定。 并在具体的实验操作过程中，作出如下误差分析：

能量刻度源少，造成能损dE 计算不准确。由于测量环境条件变化，造成谱线漂移，使得对dE 计算不准确；由于测量环境不可能是绝对真空，在不同时刻测量，真空度不一样导致空气对α粒子能量造成的损失不一样。