我的实验报告之金硅面垒α谱仪.doc

实验名称:金硅面垒谱仪一 、实验目的1.掌握金硅面垒探测器的原理及使用方法；2.了解谱仪的工作原理及其特性；3.学会使用金硅面垒探测器测量粒子在空气中的射程；4.分析粒子的能量损失率与射程的关系；5.分析粒子的能量岐离随能量、射程的变化。二、实验仪器1.FH-445A探头架一个；2.FH1047电荷灵敏度前置放大器、BH1218主放大器一台；3.330多道分析器；4. 2X-1A型旋片式真空泵及真空表、三相异步电动机各一个；5.金硅面垒探测器一个；6.偏压电源一台；7.Am和Pu源各一个。实验装置示意图如图1所示：2X-1A型旋片式真空泵及真空表、三相异步电动机各一个源 *电荷灵敏放大器FH1047A主放大器BH1218微机多道分析器ORTEC偏压电源真空室金硅面垒半导体探测器 图1 谱仪实验装置图三、实验原理3.1.金硅面垒探测器的原理金硅面垒半导体探测器主要用于测量重带电粒子的能谱。它的分辨率仅次于磁谱仪，比屏栅电离室和闪烁谱仪都要高。而设备比磁谱仪简单的多，使用也方便的多。它的缺点是灵敏面积不能做得很大，因而限制了大面积放射源的使用。金硅面垒探测器的响应速度与闪烁计算器差不多，比气体探测器快的多，所以常用来做定时探测器。它的本底很低，适用于做低计数测量。测量精度取决于谱仪的能量分辨率和线性。综上，金硅面垒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、体积小和价格便宜等优点，在粒子及其它重带电粒子能谱测量中有着广泛的应用。金硅面垒谱仪装置的方框图如图2所示。金硅面垒探测是用一片N型硅，蒸上一薄层金（100200），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。探测器工作时加反向偏压。粒子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。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。带电粒子进入灵敏区，损失能量产生电子-空穴对。由于外加偏压，灵敏区的电场强度很大，产生的电子-空穴对全部被收集，最后在两极形成电荷脉冲。通常在半导体探测器设备中使用电荷灵敏前置放大器。它的输 图2 金硅面垒谱仪装置图出信号与输入到放大器的电荷量成正比。此外，灵敏区的厚度和结电容的大小决定于外加偏压，所以所选择的偏压的要满足一下几个个条件：首先，使入射粒子的能量全部损耗在灵敏区中，由入射粒子所产生的电荷完全被收集，电子空穴复合和陷落的影响可以忽略。其次还需考虑到探测器的结电容对前置放大器来说还起着噪声源的作用。电荷灵敏放大器的噪声水平随外接电容的增加而增加，探测器的结电容就相当它的外接电容。因此提高偏压降低结电容可以相当地减少噪汽增加信号幅度，提高信噪比，从而改善探测器的能量分辨率。从上述两点来看，要求偏压加得高一点，但是偏压过高，探测器的漏电流也增大而使分辨率变坏。因此为了得到最佳能量分辨率，探测器的偏压应选择最佳范围。3.2.谱仪的能量刻度和能量分辨率谱仪的能量刻度就是确定粒子能量与脉冲幅度之间对应关系。脉冲幅度大小以谱线峰位在多道分析器中的道址表示。用、两个刻度源，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：EG*CH+E为粒子能量(KeV)。CH为对应E谱峰所在道址(道)。G是直线斜率(KeV/每道)，称为刻度常数。是直线截距(KeV)。它表示由于粒子穿过探测器金层表面所损失的能量。 在本实验中，所用定标源为241Am，239Pu源，它们的粒子能量分别为5.486Mev和5.155Mev，由于放射源外层贴了一层防护膜，粒子的能量降低为4.8Mev和4.6Mev，因此用这两个能量进行刻度。半导体探测器的突出优点是它的能量分辨率高，影响能量分辨率的主要因素有：产生电子-空穴对数和能量损失的统计涨落；探测器和电子学系统的噪声，主要是前置放大器的噪声；探测器的窗厚和放射源的厚度引起能量不均匀性所造成的能量展宽。3.3能量损失率与能量岐离能量损失率是指重带电粒子在把靶物质中经过单位路程长度的能量损失。由于碰撞过程是随机事件，求得的能量损失率是平均能量损失率，也可以说是平均线性能量损失率（MeV/cm）。其符号为：-dE/dx，叫做粒子在靶物质中的阻止本领。 此外，它也被称为粒子的传能线密度（LET），通常用水介质中 keV/m表示 电离能量损失率的近似表达式为： (1) (2) (3)其中，公式（1）是从经典角度推出出来的，公式（2）是从量子理论非相对论角度退出来的，而公式（3）是从量子理论相对论并考虑其它修正因子推出来的，其中v/c，c是光速，C/Z是壳修正项，是在某一入射粒子能量时，粒子速度不能满足大于内层电子轨道速度这一条件，束缚得很紧的内层电子不能参与对入射粒子的阻止作用而引进的一项修正项。I是靶原子的平均激发能,它是能量损失率公式中的一个重要参数。对每一种靶元素的平均激发能的精确计算很难做到。理论上计算得到I近似正比于Z，即IIZ，其中I10ev。的单位是erg/cm，实用时常换算成Mevcm或Mev（mg/cm）。此外，能量损失是对所有入射粒子求平均值而得到的平均能量损失，而每一个个别粒子的能量损失是在这平均值附近涨落。这种能量损失的统计分布称为能量歧离。当一束单能重带电粒子入射到靶物质上，在表面时，能量分布很窄，越到深处能量分布越宽，即能量岐离越来越大。 3.4.粒子的射程带电粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽时，就停留在物质中，它沿原来方向移动的距离，称为入射粒子在该物质中的射程，以R表示。由于碰撞过程的统计涨落不仅引起能量歧离，而且还造成粒子在物质中的射程歧离现象，即能量相同的入射粒子束，它的射程长度有一分布，个别粒子的射程是在平均值附近涨落的。对p、等重带电粒子，射程涨落的大小是平均射程值的百分之几。相同速度的p和粒子，在同物质的射程相同，但质子的射程歧离是粒子的射程歧离的两倍。对低速的离子，电子阻止对射程歧离的贡献可忽略，主要是核阻止过程决定着射程歧离。因此，我们所测量或计算的射程都是指平均射程而言。此外，重带电粒子的质量大，它与核外电子非弹性碰撞和它与原子核的弹性碰撞作用，不会导致入射粒子的运动方向有很大的改变，它的轨迹几乎是直线，因此可以认为射程近似地等于路程长度。图3 测量粒子在空气中的射程的实验装置和测量结果(示意图)如图3（a）所示，画出了测量粒子在空气中的射程的实验装置。一端放置一个放射源，射线经准直器准直后进入粒子探测器进行计数，探测器可沿粒子的出射方向移动。改变探测器离源的距离，测量粒子的计数率，即可得到图b中所示的曲线。在开始一段距离时，计数率保持不变，表明粒子没有被空气吸收。当增加到一定距离时，计数宰很快下降，一直降到零。这表示粒子在这个距离时被吸收掉，全部停留在x附近的区域内。距离为时，粒子的计数降至原来的一半。对曲线a求导数，便可得到曲线b。在xxdx范围内，粒子数的变化为-dnn(x)-n(x十dx)，这dn个粒子停留在x附近。因此，曲线b代表单位路程上的粒子数的变化按路程的分布，称为微分曲线。它表示大多数粒子停留在x处，就是粒子在空气中的平均射程。3.5.粒子运动距离的获得在本实验中，我们通过控制真空室里的压强来测量不同距离时粒子的粒子数。对于该套实验仪器，当真空室与外界相通时，真空室的压强是大气压，对应于粒子源与探测器的距离是=4.4cm，所以，若设当真空室的气压是P时，对应的距离为，则根据压强与距离成正比的关系，可得出： （1）又因为P与表头上示数L的关系为 （2）所以，可得： （3）四、 实验内容1. 按图1连接仪器,将241Am，239Pu源放在图1真空室所在位置，合上真空室并真空，调整谱仪工作参数,用多道分析器测量谱图随偏压的变化,选择最佳偏压。2. 用标准源241Am和239Pu作能量刻度，测量241Am和239Pu谱(1000秒)并记录下来，作能量刻度曲线(道址能量)，计算各峰的能量分辨率和半宽度FWHM的能量值。3. 保持以上条件不变,将真空室与外界接通，拿出239Pu源，再抽真空,依次测量真空表读数分别为30、20、10、9、8、7、6、5 时241Am的粒子能谱图，记录之，计算不同气压下峰下的面积值而得出不用距离时的粒子计数。 五、 数据处理1. 用和对谱仪进行能量刻度并求能量分辨率根据所测定标数据，画出和的能谱图，寻峰、拟合而得出粒子的能量分别为4.6Mev和4.8Mev时的对应道址，如图4所示：图4 定标能谱图 图5 刻度曲线由图4中能量与道址的对应值画出能量与道址的关系曲线，如图5所示，对该曲线进行处理得出能量与道址间的关系式如图5所示，即： E=0.00114*CH+1.51314 （4） 利用上面的公式,把以下的道址都换算成能量,画出以下各个压强时的能谱图,得出各个压强对应的能量值以分析能量随粒子射程的变化,并由能谱图得出的各个压强的能量半宽度而分析能量歧离,并画出能量歧离相对于第一个值的变化情况。 此外，由图4的FWHM值也可以得出和的能量分辨率,即:=1.10%=0.97%由此可见,金硅面垒探测器的能量分辨率与NaI(Tl)闪烁谱仪的分辨率要高,即半导体探测器的能量分辨率较高,这与理论是一致的。2. 不同压强时峰面积、中心峰位、半宽度导入原始数据之后，直接对原始数据进行画图、处理，得出峰面积，即峰计数，记录在表1中，如下所示。然后再插入一栏，利用公式（4）将各个压强对应的数据的道址转换为能量，画出计数-能量图，对能谱图进行处理，得出各个压强对应的能量、半宽度，记录下表1中，如下所示。表1压强568910202530峰面积737619619204692831937269377034062840643 能量（Mev）0.525320.745871.2011.436981.614623.506414.056524.83797半宽度（Mev）0.468540.958510.354390.342060.330860.132280.089920.038723. 能量随着粒子运动距离的变化将表1能量与压强的对应值转换成能量与粒子运动距离的值,画出二者之间的关系,如图6所示。由图6可以看出，随着粒子在空气中入射深度的增加，其能量越来越小，并且下降的比较明显。此外，由横纵坐标轴的范围可以得出， 所放出的能量为4.8Mev的粒子在空气中的射程不到4cm，这说明粒子的穿透性没有射线的穿透性强。在这么短的距离内，粒子的能量损失的这么多，这说明其电离能力强。从整个曲线的走势总体看来，减小的幅度越来越大，由此说明其能量损失率越来越大，这就适 图6 粒子能量随入射深度的变化合用于该粒子进行肿瘤治疗。4. 能量展宽随着粒子入射深度的变化将表1中能量宽度随粒子入射深度的变化导入Origin中，画出能量展宽随着粒子入射深度的变化曲线图如图7中第二个图所示。再以真空态时的粒子能谱图峰的半宽度为基值，求出其他非真空态时粒子能谱图峰半宽度相对该基值的相对展宽（也即能量歧离值），并画出相对能量展宽图如图7中第二个图所示。由图7可以看出，无论是能谱展宽还是相对能谱展宽都随着粒子入射深度 图7 粒子能量展宽随入射深度的变化 的增加而增加。根据能量与探测器的分辨率间的关系以及图6，这种展宽有一部分是探测器分辨率不够而导致的，但是图7中的相对能量展宽的图像走势及高度与能量展宽的差别不大，这说明因探测器的分辨率不够而产生的影响不大。因此，我们可以判断它是由能量岐离造成的。 由图7可以看出，能量岐离随着粒子入射深度的增加而逐渐增大。这与理论相符合。但是图7中曲线的后边先上升后下降，而且其上升的幅度明显大于之前的，这一点与理论不相符合，这说明后边两个点中至少有一个点的测量有错误，这些错误可能是曲线顶峰的那个点的测量时间不够，导致统计性不够，误差迅速增加。5. 粒子的射程图 8 不同真空度下