探测系统PPT课件

1、2021-11-251一、脉冲计数系统一、脉冲计数系统1）探测器）探测器各种电子学计数器，常用的有：各种电子学计数器，常用的有：G-M计数器、正比计计数器、正比计数器、闪烁计数器、金硅面垒半导体探测器。数器、闪烁计数器、金硅面垒半导体探测器。2）前置级）前置级阻抗匹配：由射极跟随器完成。阻抗匹配：由射极跟随器完成。射极跟随器输入阻抗大，输出阻抗小，起阻抗转换阻射极跟随器输入阻抗大，输出阻抗小，起阻抗转换阻抗匹配作用。抗匹配作用。预放大：预放大：有的探测器输出信号很小，如电离室、半有的探测器输出信号很小，如电离室、半导体探测器。导体探测器。前置放大器进行预放大，前置放大器进行预放大，M1020。

2、第1页/共63页2021-11-2523）放大器）放大器 放大倍数放大倍数1010000可调可调 闪烁计数器和闪烁计数器和G-M计数器：计数器： 10100倍倍 半导体探测器：半导体探测器： 1000倍倍 电离室：电离室： 10000倍倍4）甄别器）甄别器 幅度甄别器：幅度甄别器：让超过一定幅度的脉冲通过，有输让超过一定幅度的脉冲通过，有输出，去除幅度小的噪声本底和一些幅度小的不想要出，去除幅度小的噪声本底和一些幅度小的不想要的粒子。的粒子。脉冲形状甄别器：脉冲形状甄别器：利用不同粒子在探测器中产生利用不同粒子在探测器中产生的脉冲幅度相同，但是脉冲形状不同来甄别。如的脉冲幅度相同，但是脉冲形状

3、不同来甄别。如 粒子质量大，脉冲上升时间慢，粒子质量大，脉冲上升时间慢， 粒子质量小，脉粒子质量小，脉冲上升时间快，利用脉冲形状不同来选择所要的粒冲上升时间快，利用脉冲形状不同来选择所要的粒子。又如，利用子。又如，利用 、中子脉冲形状不同，在强、中子脉冲形状不同，在强 本底本底下探测中子。下探测中子。第2页/共63页2021-11-2535）定标器）定标器 预置时间，记录一定时间内的脉冲数目。预置时间，记录一定时间内的脉冲数目。6）高低压电源）高低压电源 探测器高压供电和电子学仪器低压探测器高压供电和电子学仪器低压供电供电要求要求：（1）最高（和最低）电压及其正负特性特性；）最高（和最低）电压

4、及其正负特性特性；（2）电源可供的最大电流；）电源可供的最大电流；（3）对温度和电网电压变化引起的长时间漂移的调）对温度和电网电压变化引起的长时间漂移的调整率；整率；（4）消除电网频率波动或其它低频噪声的滤波的程）消除电网频率波动或其它低频噪声的滤波的程度。度。第3页/共63页2021-11-2541）探测器：探测器：探测器的输出脉冲幅度正比于入探测器的输出脉冲幅度正比于入射粒子在探测器中损失的能量，如电离室、射粒子在探测器中损失的能量，如电离室、正比计数器、多丝正比室、半导体探测器、正比计数器、多丝正比室、半导体探测器、闪烁计数器等。闪烁计数器等。第4页/共63页2021-11-2552）脉

5、冲幅度谱）脉冲幅度谱 积分谱：积分谱：定义幅度超过某个阈值的定义幅度超过某个阈值的计数。连续改变阈值，测量不同阈计数。连续改变阈值，测量不同阈值时幅度超过该阈值的脉冲计数所值时幅度超过该阈值的脉冲计数所得到的分布谱线。得到的分布谱线。 微分谱：微分谱：定义幅度位于某一范围定义幅度位于某一范围A0 到到A0 A的的计数。连续改变阈值计数。连续改变阈值A0 ，道宽，道宽 A不变，不变，所得到的分布所得到的分布谱线。微分谱直接显示入射粒子的谱线。微分谱直接显示入射粒子的各种能量。对于单一能量的入射带各种能量。对于单一能量的入射带电粒子只有一个峰。电粒子只有一个峰。 测量方法：测量方法：用单道测量微分

6、谱，一用单道测量微分谱，一次只能测一道的计数；用多道测量，次只能测一道的计数；用多道测量，一次同时测量所有道的计数。一次同时测量所有道的计数。 对仪器要求：对仪器要求：前置级、放大器、幅前置级、放大器、幅度分析器的线性好，高压电源稳定度分析器的线性好，高压电源稳定以保证整个脉冲幅度分析系统工作以保证整个脉冲幅度分析系统工作稳定。稳定。I：微分谱：微分谱II：积分谱：积分谱III第5页/共63页2021-11-256第6页/共63页2021-11-257三、符合测量系统三、符合测量系统为了确定几个事件的同时性或它们在时间上的关为了确定几个事件的同时性或它们在时间上的关系，需要系，需要符合测量系统

7、符合测量系统。符合法符合法就是利用符合电路来甄选符合事件的方法。就是利用符合电路来甄选符合事件的方法。符合分辨时间符合分辨时间 ：是是符合系统的一个重要参量，它符合系统的一个重要参量，它确定了两个事件能被区分开的最小时间间隔。两确定了两个事件能被区分开的最小时间间隔。两个事件的时间间隔必须小于个事件的时间间隔必须小于 ，就认为是同时事，就认为是同时事件。件。符合：符合：两个或两个以上同时发生的事件称作符合两个或两个以上同时发生的事件称作符合事件，用两个或两个以上探测器记录下来送到符事件，用两个或两个以上探测器记录下来送到符合电路便有一个符合脉冲输出。例如一个原子核合电路便有一个符合脉冲输出。例

8、如一个原子核级联衰变时接连放射级联衰变时接连放射 和和 射线，则射线，则 和和 便是一对便是一对符合事件。这一对符合事件。这一对 和和 如果分别进入两个探测器，如果分别进入两个探测器，将两探测器输出的脉冲送到符合电路时便可输出将两探测器输出的脉冲送到符合电路时便可输出一个符合脉冲。一个符合脉冲。第7页/共63页2021-11-258第一道脉冲第二道脉冲符合输出脉冲符合脉冲示意图t第8页/共63页2021-11-259第一道脉冲第二道脉冲t0-T0+2发生符合的脉冲间隔212nnnrc12100 /72 /rcnnsnh第9页/共63页2021-11-251012ee1探测器I探测器IIe2分析

9、道脉冲反符合道脉冲反符合输出第10页/共63页2021-11-2511探测器2探测器1时间检出时间检出固定延迟开始 停止TACMCA放射性同位素r1r2存在偶然符合存在偶然符合第11页/共63页2021-11-2512 延迟符合：延迟符合：有些相关事件不同时发生，而是继第有些相关事件不同时发生，而是继第一事件发生之后，经过一段固定时间延迟才发生第一事件发生之后，经过一段固定时间延迟才发生第二事件。主要用于进行核与粒子的寿命测量和其他二事件。主要用于进行核与粒子的寿命测量和其他具有时间间隔的事件的测量。具有时间间隔的事件的测量。 快慢符合：快慢符合：除了考虑事件的时间关联外还要根据除了考虑事件的

10、时间关联外还要根据能量的大小对事件进行判选，通常时间选择由快符能量的大小对事件进行判选，通常时间选择由快符合电路担任，能量判选由慢符合电路完成。合电路担任，能量判选由慢符合电路完成。第12页/共63页2021-11-2513例例1：MWPC效率测量系统效率测量系统 用闪烁计数器望远镜选择通过用闪烁计数器望远镜选择通过MWPC的粒子。的粒子。S1、S2为闪烁计数器，为闪烁计数器，B为束流或为束流或 源，源，C为准直孔。射为准直孔。射线通过线通过S1、S2时，必然通时，必然通MWPC。第13页/共63页2021-11-2514例例2、MWPC时间测量系统时间测量系统 定义：定义：入射粒子进入入射粒

11、子进入MWPC的时间与阳极的时间与阳极丝产生信号的时间之丝产生信号的时间之间的时间延迟的最大间的时间延迟的最大晃动称为室的时间分晃动称为室的时间分辨率。辨率。 它是由于入射粒子径它是由于入射粒子径迹的位置和角度不同，迹的位置和角度不同，电子漂移到阳极丝附电子漂移到阳极丝附近的时间不同，以及近的时间不同，以及电子学线路的时间晃电子学线路的时间晃动引起的。动引起的。 测量装置测量装置MCA第14页/共63页2021-11-2515 9.2 粒子探测器的输出回路粒子探测器的输出回路一、一、RC成形回路成形回路第15页/共63页2021-11-2516 探测器可看作是一个电流源：能量探测器可看作是一个

12、电流源：能量电荷电荷电流脉冲电流脉冲 其形式取决于探测器的工作机制。其形式取决于探测器的工作机制。1、电离室的电流脉冲、电离室的电流脉冲： 一般情况下，一般情况下，约为约为的的103倍，所以电子电流脉冲比倍，所以电子电流脉冲比正离子电流脉冲高正离子电流脉冲高103倍。倍。( )( )/I tdQ tdt 00000000000QtQtN eI tU xtU xttV txN etdxdxI tN etddxt当当当第16页/共63页2021-11-25172、正比计数管的电流脉冲：、正比计数管的电流脉冲：1）圆柱形正比管的电场分布：）圆柱形正比管的电场分布：2）电流脉冲主要）电流脉冲主要是重离

13、子贡献：是重离子贡献：3）数量级估算：）数量级估算：设：设： 0ln/VE rrb a 2000000214ln/aMQeCittCP ttCVb a 6194211121200621011.6 101.7 108 10/8.85 10/3000110 101.0 10017436MQeCVPabiAsab +，库仑，米 秒伏大气压法拉 米，法拉 米，伏，大气压米，米，则求得电流脉冲的峰值：电流脉冲持续时间： （正离子从 漂移到 所用的时间）第17页/共63页2021-11-25183、MWPC的电流脉冲的电流脉冲1）丝室的电场分布：）丝室的电场分布：2）离子在阳极丝附近（）离子在阳极丝附近（

14、r 时，时，Um=Q0/C，与，与 R及及 无关，无关，C越小幅度越越小幅度越大，脉冲较宽。当大，脉冲较宽。当 RC 时，时，Um=Q0R/ ，与，与C无关，无关，R越越小，幅度越小，脉冲前沿较快脉冲较窄，有利于时间测量，小，幅度越小，脉冲前沿较快脉冲较窄，有利于时间测量，但幅度较小。但幅度较小。4、作能量测量时，作能量测量时，R适当取大，此时脉冲幅度较大，宽度较宽，适当取大，此时脉冲幅度较大，宽度较宽，但但R大到一定程度脉冲幅度达到饱和，且脉冲幅度太宽，造成大到一定程度脉冲幅度达到饱和，且脉冲幅度太宽，造成漏记数，不能用于高计数率场合，一般漏记数，不能用于高计数率场合，一般R取取10100K

15、 。5、作时间测量时，作时间测量时，R取小些，一般为几十取小些，一般为几十 ，1K 。6、对气体探测器和半导体探测器而言，其电流脉冲不是指数形对气体探测器和半导体探测器而言，其电流脉冲不是指数形式，其脉冲形状与入射粒子的种类、能量、入射地点等有关。式，其脉冲形状与入射粒子的种类、能量、入射地点等有关。在大多数情况下可以近似为指数形式，应用以上结果。在大多数情况下可以近似为指数形式，应用以上结果。第22页/共63页2021-11-2523 作用：提高系统信噪比作用：提高系统信噪比, , 减小信号经电缆传送时外界减小信号经电缆传送时外界干扰的影响干扰的影响 三种前置放大器：电压灵敏、电流灵敏、电荷

16、灵敏三种前置放大器：电压灵敏、电流灵敏、电荷灵敏1 1、电压灵敏放大器：、电压灵敏放大器：用于能量测量，信噪比最好。用于能量测量，信噪比最好。0outinQUKUKC第23页/共63页2021-11-2524 电流灵敏放大器：用于快速时间测量、高计数率场电流灵敏放大器：用于快速时间测量、高计数率场合或探测器必须远离测量仪器的场合。电流脉冲宽合或探测器必须远离测量仪器的场合。电流脉冲宽度窄，电流灵敏放大器输入电阻小，大电容对电流度窄，电流灵敏放大器输入电阻小，大电容对电流脉冲影响较小。脉冲影响较小。inDinDoutinUIRIRIKI一般很大， 几乎为常数第24页/共63页2021-11-25

17、25 电荷灵敏放大器：用于面垒型半导体探测器进行电荷灵敏放大器：用于面垒型半导体探测器进行能量测量，可消除结电容的影响。能量测量，可消除结电容的影响。(1)(1)inifoutiffQUCK CKQQUCK CC第25页/共63页2021-11-2526一、探测效率一、探测效率 指放射源发出的粒子被计数系统记录下来的百分数。指放射源发出的粒子被计数系统记录下来的百分数。探测效率越高越好。由探测效率越高越好。由4 4部分组成。部分组成。几边物电几边物电射向探测器灵敏体积的粒子数粒子源所放出的全部粒子数进入探测器灵敏体积的粒子数射向探测器灵敏体积的粒子数探测器输出的电脉冲数进入探测器灵敏体积的粒子

18、数记录仪记录下来的脉冲数探测器输出的电脉冲数第26页/共63页2021-11-2527 探测器的尺寸越大，离放射探测器的尺寸越大，离放射源的距离越近，几何效率就源的距离越近，几何效率就越高。越高。 探测器对放射源所张立体角：探测器对放射源所张立体角：22021/22212sin21 cos1111 cos14224dSRRdRRhrhhrrh 几以探测器轴为圆心的圆环面积圆环周长环宽第27页/共63页2021-11-2528 由于粒子在探测器的入射窗和放射源到探测器之间路程上被由于粒子在探测器的入射窗和放射源到探测器之间路程上被吸收及被散射掉一部分造成。要求吸收、散射越少越好。吸收及被散射掉一

19、部分造成。要求吸收、散射越少越好。 吸收效应与入射粒子的类型和能量，路程的距离和介质的性吸收效应与入射粒子的类型和能量，路程的距离和介质的性质，以及窗材料的性质和厚度有关。入射粒子能量越大，质质，以及窗材料的性质和厚度有关。入射粒子能量越大，质量越小，所带电荷越少，则吸收越少，射程越长。量越小，所带电荷越少，则吸收越少，射程越长。1）电子射程很长，容易穿过窗进入探测器；）电子射程很长，容易穿过窗进入探测器；2）质子、）质子、 粒子射程很短，吸收效应很强；粒子射程很短，吸收效应很强；3） 射线和中子几乎无损失地通过窗。射线和中子几乎无损失地通过窗。 吸收介质的密度和原子序数越小，射程越长；窗越薄

20、吸收越吸收介质的密度和原子序数越小，射程越长；窗越薄吸收越少。少。1）记录带电粒子的气体探测器用低原子序数的材料如云母片、）记录带电粒子的气体探测器用低原子序数的材料如云母片、聚酯薄膜和铍等；聚酯薄膜和铍等；2）金硅面垒探测器的窗极薄。）金硅面垒探测器的窗极薄。3）源至探测器之间的介质，一般是空气，密度小，吸收少，）源至探测器之间的介质，一般是空气，密度小，吸收少，可不考虑；某些情况下不能忽略时，可以抽真空。如可不考虑；某些情况下不能忽略时，可以抽真空。如 粒子粒子的探测。的探测。第28页/共63页2021-11-2529 散射效应：探测器和窗材料的密度和原子序数越小，入散射效应：探测器和窗材

21、料的密度和原子序数越小，入射粒子能量越大，散射效应就越小。因此也要选择密度射粒子能量越大，散射效应就越小。因此也要选择密度和原子序数小的材料做窗。和原子序数小的材料做窗。 电子的散射效应较突出。如靠近蒽晶体表明的电子的散射效应较突出。如靠近蒽晶体表明的 粒子约有粒子约有8因散射而逃出晶体，而因散射而逃出晶体，而NaI(Tl)因原子序数大则有因原子序数大则有8090逃出。所以往往用有机闪烁体和硅半导体探测器逃出。所以往往用有机闪烁体和硅半导体探测器探测电子。实际工作中为了减少散射的影响，还可以把探测电子。实际工作中为了减少散射的影响，还可以把探测器做成井型，源夹在中间。探测器做成井型，源夹在中间

22、。 对准直的对准直的 和和 射线射线 对质子、对质子、 粒子等重带电粒子只要粒子等重带电粒子只要(d1+d2)小于它们的射小于它们的射程，就可以使边界效率达到程，就可以使边界效率达到100。1 1220ddIeI边d1源到探测器之间的距离d2探测器的窗厚1源到探测器之间介质吸收系数2探测器窗的吸收系数第29页/共63页2021-11-2530 射线由于窗吸收造成的边界效率 源源能量能量(MeV)吸收系数吸收系数(cm2/mg)不同窗厚的边界效率不同窗厚的边界效率(%)30mg/cm24mg/cm20.9mg/cm214C45Ca64Cu32P0.1560.2500.581.7070.260.1

23、220.0350.00780.043.035793561879779899799第30页/共63页2021-11-2531 是粒子进入探测器后能使探测器有输出脉冲的几率，是粒子进入探测器后能使探测器有输出脉冲的几率，亦称探测器效率。要求粒子入射探测器被吸收越多越亦称探测器效率。要求粒子入射探测器被吸收越多越好。好。 探测器的密度和原子序数越大越好。探测器的密度和原子序数越大越好。 对能量不是很高的带电粒子，各种探测器都可以达到对能量不是很高的带电粒子，各种探测器都可以达到物理效率为物理效率为100。 对对 射线射线 可用于半导体探测器和闪烁探测器，实际测量值比可用于半导体探测器和闪烁探测器，实

24、际测量值比这个估计值略低。这个估计值略低。 对气体探测器，物理效率与阴极材对气体探测器，物理效率与阴极材料有关，应选用料有关，应选用Z大的重金属；选用大的重金属；选用Z大的气体并增大的气体并增加气压和探测器灵敏体积。加气压和探测器灵敏体积。001dIIeI 物为三种效应的总吸收系数第31页/共63页2021-11-2532气体探测器的 探测效率薄NaI(Tl)和气体探测器的探测效率与X射线的能量关系第32页/共63页2021-11-2533 由电子学线路的分辨时间、甄别器的阈值、幅度分由电子学线路的分辨时间、甄别器的阈值、幅度分析器的道宽等因素决定。析器的道宽等因素决定。 各种物理实验的具体要

25、求对电子学线路有不同调节各种物理实验的具体要求对电子学线路有不同调节方式和要求，电子学效率亦不同。方式和要求，电子学效率亦不同。总的探测效率总的探测效率是以上是以上4部分共同的贡献，部分共同的贡献，要提高效率必须提高各个部分的效率。要提高效率必须提高各个部分的效率。几边物电第33页/共63页2021-11-2534 帮助了解探测器的工作电压，使之工作在较好的状态帮助了解探测器的工作电压，使之工作在较好的状态下。下。 三种坪曲线描述探测器坪特性：计数率坪曲线、甄别三种坪曲线描述探测器坪特性：计数率坪曲线、甄别阈坪曲线和效率坪曲线。阈坪曲线和效率坪曲线。1、计数率坪曲线：、计数率坪曲线： 当甄别器

26、的甄别阈固定以后，改变工作电压，测量计当甄别器的甄别阈固定以后，改变工作电压，测量计数率随高压的变化曲线，即得到计数率坪曲线，亦称数率随高压的变化曲线，即得到计数率坪曲线，亦称高压坪曲线。高压坪曲线。 希望坪长长，坪斜小。希望坪长长，坪斜小。 探测器工作电压选在坪区的中间靠前探测器工作电压选在坪区的中间靠前1/3处。处。 影响计数率坪曲线的影响计数率坪曲线的因素因素：1）与甄别阈大小有关；）与甄别阈大小有关；2）与脉冲幅度分布有关；与脉冲幅度分布有关；3）与噪声大小有关。）与噪声大小有关。2121212100% /()NNKVVNN第34页/共63页2021-11-2535 是物理效率和电效率

27、的乘积随高压变化的曲线。即是物理效率和电效率的乘积随高压变化的曲线。即仪器记录的粒子数与进入探测器的粒子数之比。仪器记录的粒子数与进入探测器的粒子数之比。 由效率坪曲线可以直接得到探测效率，这对位置灵由效率坪曲线可以直接得到探测效率，这对位置灵敏的探测器如敏的探测器如MWPC等是很重要的，这些探测器等是很重要的，这些探测器的整个体积内有一部分是不灵敏的，不灵敏空间与的整个体积内有一部分是不灵敏的，不灵敏空间与高压及其他因素有关，随高压增加而减小，在高能高压及其他因素有关，随高压增加而减小，在高能物理实验中有接近于物理实验中有接近于100 的效率是很重要的。可的效率是很重要的。可以由效率坪确定探

28、测器的工作电压。以由效率坪确定探测器的工作电压。0100%bNNN第35页/共63页2021-11-2536效率坪曲线 第36页/共63页2021-11-25371、分辨时间对计数率线性的影响、分辨时间对计数率线性的影响 各种探测器都有一定的分辨时间各种探测器都有一定的分辨时间 正比计数器正比计数器 10-610-8 sG-M计数器计数器 10-410-5 s半导体探测器半导体探测器 10-710-8 s塑料闪烁计数器塑料闪烁计数器 10-810-9 sNaI(Tl)计数器计数器 10-6 s 电子学线路如放大器、幅度分析器、定标器等也有分辨时电子学线路如放大器、幅度分析器、定标器等也有分辨时

29、间间 整个计数系统的分辨时间由探测器和电子学线路的分辨时整个计数系统的分辨时间由探测器和电子学线路的分辨时间决定。间决定。 分辨时间越大造成漏记数越多，源越强漏记数也越多。分辨时间越大造成漏记数越多，源越强漏记数也越多。第37页/共63页2021-11-2538 分辨时间与计数率有如下关系式：分辨时间与计数率有如下关系式：000000000111111nnnnnnnnnnnnnnn 单位时间入射到探测器的粒子数：单位时间探测器记录到的粒子数：由于分辨时间造成的探测效率：要求：，则为探测器所能应用的最高计数率，即最高源强。第38页/共63页2021-11-2539 要求探测器：要求探测器：1）探

30、测效率高；）探测效率高； 2）当源较强时要求探测器分辨时）当源较强时要求探测器分辨时间小。间小。 对重粒子：如对重粒子：如 粒子，选用粒子，选用ZnS(Ag)、金硅面垒半导、金硅面垒半导体探测器。体探测器。 射线和电子：正比计数器、射线和电子：正比计数器、G-M计数器、塑料闪烁计数器、塑料闪烁体、液闪等探测器。体、液闪等探测器。 高能带电粒子：塑料闪烁计数器、高能带电粒子：塑料闪烁计数器、MWPC和切伦科和切伦科夫探测器夫探测器 射线：射线：G-M计数器和计数器和NaI(Tl)计数器。计数器。 低能低能 和和X射线：正比计数器、薄窗射线：正比计数器、薄窗MWPC、Si(Li)等等 中子：中子：

31、 BF3正比计数器、裂变室、正比计数器、裂变室、ZnS+H快中子屏、快中子屏、 ZnS+B慢中子屏。慢中子屏。第39页/共63页2021-11-2540一、能量线性和刻度一、能量线性和刻度 测量粒子能量的基本条件：探测器输出脉冲幅度和粒测量粒子能量的基本条件：探测器输出脉冲幅度和粒子子在探测器中损失的能量有线性关系。在探测器中损失的能量有线性关系。 探测器的非线性由两部分组成：探测器的非线性由两部分组成：探测器固有的无法消除的；另一探测器固有的无法消除的；另一部分是由于电荷饱和、窗的吸收部分是由于电荷饱和、窗的吸收和边界效应等造成的高能和低能和边界效应等造成的高能和低能部分的非线性。部分的非线

32、性。 电子学线路的非线性，如射极跟随器的非线性、放大电子学线路的非线性，如射极跟随器的非线性、放大器的过载、幅度分析器甄别阈或道数的非线性等，其器的过载、幅度分析器甄别阈或道数的非线性等，其中关键的是不过载的线性放大器。中关键的是不过载的线性放大器。UaEb第40页/共63页2021-11-2541 能量刻度：用几种已知能量的放射源测量能量刻度：用几种已知能量的放射源测量能量与脉冲幅度（以全能峰峰位代表）之能量与脉冲幅度（以全能峰峰位代表）之间的关系作能量刻度线。间的关系作能量刻度线。 选择单能且寿命较长的源作能量刻度。选择单能且寿命较长的源作能量刻度。NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁谱仪闪烁

33、谱仪的能量刻度曲线的能量刻度曲线A A是低能段是低能段B B是高能段是高能段第41页/共63页2021-11-2542能量刻度常用的能量刻度常用的 射线源射线源241Am59.57KeV55Fe5.9KeV109Cd22.1KeV, 87.8KeV99mTc141KeV203Hg279KeV198Au412KeV湮灭辐射湮灭辐射511KeV137Cs662KeV54Mn835KeV65Zn1116KeV60Co1173KeV, 1333KeV, 2506KeV(迭加峰迭加峰)24Na1369KeV, 2754KeV第42页/共63页2021-11-2543二、能量分辨率二、能量分辨率1、能量分

34、辨率的表示方法和物理意义、能量分辨率的表示方法和物理意义 能谱仪在整个幅度范围内是能谱仪在整个幅度范围内是线性时，可用幅度分辨率表示线性时，可用幅度分辨率表示能量分辨率。能量分辨率。 用半宽度能量用半宽度能量 E半半表示能量分辨率，表示能量分辨率，单位是单位是KeV，必须说明是对什么能量的粒子得到的。，必须说明是对什么能量的粒子得到的。0002.354UUEUEU半半第43页/共63页2021-11-2544能量分辨率的物理意义能量分辨率的物理意义 能谱仪的能量分辨率越小越好，表示能谱仪能分开能谱仪的能量分辨率越小越好，表示能谱仪能分开不同能量粒子的本领。不同能量粒子的本领。 实际测量的能量分

35、辨率包括探测器固有能量分辨率实际测量的能量分辨率包括探测器固有能量分辨率和电子学和其他附加的会造成脉冲幅度分散一切因和电子学和其他附加的会造成脉冲幅度分散一切因素，如统计涨落、噪声、道宽、脉冲堆积、窗厚、素，如统计涨落、噪声、道宽、脉冲堆积、窗厚、源支架和屏蔽物的散射等等。源支架和屏蔽物的散射等等。第44页/共63页2021-11-25451）电离粒子数）电离粒子数N0的统计涨落造成探测器的固有分辨的统计涨落造成探测器的固有分辨率率 1 考虑探测器本身的放大考虑探测器本身的放大，对正比计数器对正比计数器对闪烁计数器对闪烁计数器1001002.3542.3542.354FWHMFFNEEEF E

36、0012.3540.672.35411psFEE第45页/共63页2021-11-25462 2）探测器和电子学仪器的噪声影响造成的能量分辨率）探测器和电子学仪器的噪声影响造成的能量分辨率 2 2 探测器噪声探测器噪声，半导体探测器的噪声最突出，其他输出信号，半导体探测器的噪声最突出，其他输出信号小的探测器，低能、低本底精密测量中也要考虑噪声的影小的探测器，低能、低本底精密测量中也要考虑噪声的影响。采取有效措施，尽量降低噪声，提高信噪比。响。采取有效措施，尽量降低噪声，提高信噪比。 电子学噪声电子学噪声，白噪声，时正时负，有大有小，迭加在信号，白噪声，时正时负，有大有小，迭加在信号脉冲上，引起

37、脉冲幅度大小不一，使脉冲幅度分布展宽。脉冲上，引起脉冲幅度大小不一，使脉冲幅度分布展宽。 噪声有一定的频谱分布噪声有一定的频谱分布。电阻的热噪声在低频段，场效应。电阻的热噪声在低频段，场效应管的热噪声在高频段。在放大器线路中加入微分电路可以管的热噪声在高频段。在放大器线路中加入微分电路可以减少低频噪声，加入积分电路可以减少高频噪声。减少低频噪声，加入积分电路可以减少高频噪声。第46页/共63页2021-11-2547 噪声的三种表示方法噪声的三种表示方法a）噪声电压）噪声电压： 不能用噪声电压的平均值表不能用噪声电压的平均值表示，示， 因为噪声时正时负，有大因为噪声时正时负，有大有小，有小，

38、其平均值为零，而用均方其平均值为零，而用均方根表示根表示b）等效噪声电荷）等效噪声电荷ENC：直接用放大器输入端的等效：直接用放大器输入端的等效电荷数电荷数ENC表示，它使输出脉冲幅度正好是噪声电表示，它使输出脉冲幅度正好是噪声电压的均方根值。有时也用电荷量压的均方根值。有时也用电荷量Q表示。表示。C）噪声能量）噪声能量：直接用能量分布展宽的半宽度直接用能量分布展宽的半宽度半半表表示。示。 三者的关系：三者的关系： 与探测器材料有关。必须指明是对什么探测器而言与探测器材料有关。必须指明是对什么探测器而言的。的。2UuQENC e噪2.354UENC eEENCC半，第47页/共63页2021-

39、11-2548 噪声测量方法：噪声测量方法：用多道分析器测量脉用多道分析器测量脉冲幅度分布。冲幅度分布。a) 单源法：单源法： 放大器成形电路时间常数放大器成形电路时间常数为为1s。精密脉冲发生器通常使用精密脉冲发生器通常使用水银开关脉冲产生器。水银开关脉冲产生器。 用已知能量放射源校准，将发生器脉冲幅度调节到与校准源光电峰用已知能量放射源校准，将发生器脉冲幅度调节到与校准源光电峰一致：一致：/2.3542.354cggCV NNENCQN eNeNEEN半CcVg第48页/共63页2021-11-2549b) 双源法：双源法：脉冲发生器分别给出两个幅度的脉冲脉冲发生器分别给出两个幅度的脉冲V

40、g1和和Vg2，相应测得谱峰道数，相应测得谱峰道数N1和和N2， N取取两个峰中较宽的一个，且两个峰中较宽的一个，且 N 5道。道。也可用两种已知能量放射源来校准。也可用两种已知能量放射源来校准。121212122.354ggcVVCNENCNNeEEENNN半第49页/共63页2021-11-2550第50页/共63页2021-11-2551 对重粒子和低能粒子的影响很大，主要由窗厚的对重粒子和低能粒子的影响很大，主要由窗厚的不均匀和粒子入射角度不同，造成粒子在窗中的不均匀和粒子入射角度不同，造成粒子在窗中的能量损失不同，引起产生的电荷数有起伏。能量损失不同，引起产生的电荷数有起伏。 例如垂

41、直探测器表面入射和与探测器表面成例如垂直探测器表面入射和与探测器表面成300角角入射的粒子在窗内走过的路程相差一倍，因而在入射的粒子在窗内走过的路程相差一倍，因而在窗内损失的能量也差一倍以上，当入射粒子能量窗内损失的能量也差一倍以上，当入射粒子能量很低时，可能相差几倍。这种能量起伏有几个很低时，可能相差几倍。这种能量起伏有几个KeV几十几十KeV，使能量分辨率变坏。，使能量分辨率变坏。 解决办法：加准直器。解决办法：加准直器。 对对5MeV的的 粒子由于入射窗厚度造成的能量分辨粒子由于入射窗厚度造成的能量分辨率率23.5EKeVdm半第51页/共63页2021-11-2552 脉冲幅度分析器的

42、道宽不为零，测量的是某个小脉冲幅度分析器的道宽不为零，测量的是某个小幅度区间内的脉冲，因而是测量的脉冲幅度分布幅度区间内的脉冲，因而是测量的脉冲幅度分布展宽展宽。25002221 0.2800.011%0.280.012850.28151051( )10%510010AAAUAAUUUUAAAUUNaI TlUUU ：道宽， ：时的能量分辨率要求道宽的影响小于，即，则对多道而言，故幅度分布的半高宽一定要有 道以上。对于闪烁计数器， 01%5000.5%1000UU道对于半导体探测器，道； ，道第52页/共63页2021-11-2553 影响能量分辨率的各个因素彼此独立无关，则影响能量分辨率的各

43、个因素彼此独立无关，则 在实验中能够测量到的是在实验中能够测量到的是a）能谱系统的总的能量分辨率）能谱系统的总的能量分辨率 Esb）去掉放射源包括探测器在内的系统总噪声）去掉放射源包括探测器在内的系统总噪声 Etc）去掉探测器后系统总噪声）去掉探测器后系统总噪声 Ee22222212345222222EEEEEE 半半1半2半3半4半5其他其他22220DSeSTEEEEEE 探测器的贡献：放射源的贡献：第53页/共63页2021-11-25541、 谱谱 射线能量是分射线能量是分立的。立的。 单能单能 射线谱不射线谱不对称，低能端下对称，低能端下降缓慢高能端下降缓慢高能端下降较快。降较快。 源自吸收和窗源自吸收和窗吸收吸收第54页/共63页2021-11-2555 谱是谱是连续谱。连续谱。 内转换电子的能量是单一的，其能谱是分立内转换电子的能量是单一的，其能谱是分立谱。谱。第55页/共63页2021-11-2556 射线是单能，但不能直接被记录，而是通过三种效应产生次级射线是单能，但不能直接被记录，而是通过三种效应产生次级电子间接被记录。所以单能电子间接被记录。所以单能 射线能谱除了峰之外还有较大的连射线能谱除了峰之外还有较大的连续谱。续谱