射线探测器的能量标定课件.ppt
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1、 射线探测器的能量标定射线探测器的能量标定石宗仁石宗仁中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院2018,3 72018,3 7,在高能所的报告,在高能所的报告11.1.引言引言 1.1 1.1 射线射线探测器探测器有机闪烁体,有机闪烁体, H,C,OH,C,O的化合物的化合物 。 射线与它们射线与它们主要是主要是C Comptonompton散散射。时间响应快,效率低,没有全能峰,但易制成大面积,造价射。时间响应快,效率低,没有全能峰,但易制成大面积,造价低。低。E E =661keV=661keV的的能量分辨率能量分辨率8-25%8-25%。无机闪烁体无机闪烁体。LaBr3(Ce)LaBr3
2、(Ce), ,NaINaI(Tl), (Tl), CsICsI(Tl)(Tl)。效率高,有全能峰。效率高,有全能峰,造价高。,造价高。E E =661keV=661keV的的能量分辨率能量分辨率3-15%3-15%。半导体。半导体。纯半导体纯半导体GeGe和和SiSi, ,化合物化合物半导体半导体CdTlCdTl等。效率中等,有等。效率中等,有全能峰,造价高。全能峰,造价高。 Ge Ge和和Si Si 需低温运行。需低温运行。由于由于SiSi的原子序数低的原子序数低1414,用于几百,用于几百keVkeV以下的以下的x-x-射线探测。射线探测。根据效率,能量、时间和位置分辨率,粒子鉴别本领和固
3、有的放根据效率,能量、时间和位置分辨率,粒子鉴别本领和固有的放射性杂质等要求射性杂质等要求选取选取探测器。探测器。2探测器的探测器的响应函数响应函数一个单能一个单能 射线在探测器内的能量沉积谱用总计数归一称射线在探测器内的能量沉积谱用总计数归一称响应函响应函数数,即归一的信号输出的脉冲幅度谱。,即归一的信号输出的脉冲幅度谱。在探测器中,在探测器中, 射线与探测介质的相互作用、次级电子和电子射线与探测介质的相互作用、次级电子和电子- -空空穴对等的行为决定了响应函数,它是连续的。穴对等的行为决定了响应函数,它是连续的。采用采用MCMC程序程序Geant4Geant4模拟响应函数。模拟响应函数。响
4、应函数中的单色部分称响应函数中的单色部分称峰形函数峰形函数。建立建立响应函数和峰形函数与响应函数和峰形函数与 射线能量的关系,分别用于解连续射线能量的关系,分别用于解连续的和分立的的和分立的 射线能谱。射线能谱。响应函数的单色化技术:反康、对谱仪和两者的复合响应函数的单色化技术:反康、对谱仪和两者的复合。3解谱解谱从测量的脉冲从测量的脉冲幅度幅度谱求出谱求出 射线能谱称为解谱射线能谱称为解谱。关键是解重峰。关键是解重峰。目的是确定峰位和峰面积。然后利用标定的能量和效率曲线,导目的是确定峰位和峰面积。然后利用标定的能量和效率曲线,导出出射线射线的的能能量及其强度量及其强度。实验上测实验上测量量的
5、脉冲谱的脉冲谱P(E)P(E)可写成如下的积分式可写成如下的积分式P(E)=f(EP(E)=f(E) R(E-E) R(E-E)dE)dE+B+B,B= B= i ia ai iE Ei i. .其中:其中:E E表示脉冲幅度或道数;表示脉冲幅度或道数;R(E-ER(E-E) )是实验测定是实验测定或或MCMC计算的响计算的响应应函数函数;f(Ef(E) )是入射到探测器的是入射到探测器的射线能谱射线能谱;B B是本底是本底。当当射线能谱是分立的,解谱射线能谱是分立的,解谱相对简单。相对简单。经经数据光滑,寻峰数据光滑,寻峰,高斯峰形拟合等步骤。,高斯峰形拟合等步骤。一般,能量的不确定度一般,
6、能量的不确定度 keV,keV, 强度为百分之几强度为百分之几-几十。几十。41.2 HPGe1.2 HPGe探测器探测器n-n-型型GeGe几几keVkeV以上,抗辐照及损以上,抗辐照及损伤可恢复伤可恢复. .p-p-型型GeGe几十几十keVkeV以上,有较好的以上,有较好的能量分辨率能量分辨率在几何上,常用在几何上,常用单开端同轴和单开端同轴和平面平面两种两种HPGeHPGe。单开端同轴可认为由单开端同轴可认为由平面和真平面和真同轴同轴两部分组成两部分组成. .还有井型、外电极分割和点接还有井型、外电极分割和点接触等类型的触等类型的HPGeHPGe探测器探测器. .5HPGeHPGe探测
7、器的性能指标探测器的性能指标能量分辨率能量分辨率 2keV2keV。噪声。噪声 1.4keV,1.4keV,电子电子- -空穴对的统计空穴对的统计 1.5keV1.5keV。时间分辨率时间分辨率 5ns5ns。与能量范围有关。与能量范围有关。位置分辨率位置分辨率。普通的。普通的HPGeHPGe没有位置分辨本领。没有位置分辨本领。峰峰/ /康比康比 6060。相对效率相对效率是是6060CoCo源离探测器表面源离探测器表面25cm25cm时相对时相对3”3” 3 3” ” NaINaI(Tl)(Tl)的的效效率率。最大相对效率达。最大相对效率达200%200%。效率效率 正比于体积。正比于体积。
8、HPGeHPGe是电离室,它的信号脉冲上升时间,是电离室,它的信号脉冲上升时间, 200ns200ns,与与e-he-h产生位产生位置有关。中等速度的探测器。置有关。中等速度的探测器。HPGeHPGe探测器的性能指标是用探测器的性能指标是用6060CoCo放射源的放射源的E E =1.33MeV=1.33MeV测量的。测量的。有机和无机闪烁体有机和无机闪烁体的性能指标是用的性能指标是用137137CsCs放射源的放射源的E E =0.661MeV=0.661MeV测测量的。量的。6HPGeHPGe的峰形函数的峰形函数峰形函数峰形函数由高斯分布由高斯分布G G、低能指数尾低能指数尾T T和平台和
9、平台erfcerfc等三部分组成等三部分组成. .图是图是HelmerHelmer等人的拟合等人的拟合函数。函数。G+2T+erfc.G+2T+erfc.T T和和erfcerfc来自电荷收集不来自电荷收集不完全,如完全,如陷阱、表面道陷阱、表面道效应效应、电子的边界逃逸,电子的边界逃逸,及光电和对效应产生电及光电和对效应产生电子的韧致辐射光的逃逸、子的韧致辐射光的逃逸、多次多次ComptonCompton散射散射及及弹道弹道亏损等。亏损等。为获得准确的重峰的峰为获得准确的重峰的峰位和面积采用三部分函位和面积采用三部分函数,但计算时间长。数,但计算时间长。一般,采用一般,采用G G确定它们。确
10、定它们。7)2)(exp(220 xxAyaHPGeHPGe对高能对高能 射线的响应射线的响应一般,放射性源的一般,放射性源的 射线能量射线能量3MeV3MeV3MeV称高能称高能 射线射线,它们主要来自核反应。它们主要来自核反应。高能高能 射线与探测介质产生射线与探测介质产生e e+ +e e- -对效应显著。响应函数中有全能、对效应显著。响应函数中有全能、单逃逸和双逃逸三个单色峰,都可用于测定单逃逸和双逃逸三个单色峰,都可用于测定 射线能量。射线能量。由于逃逸现象,在由于逃逸现象,在10-20MeV10-20MeV响应函数可能更复杂。响应函数可能更复杂。892.2.能量标定能量标定 如下步
11、骤:如下步骤: 选取标准选取标准 射线源,射线源, 实验测量,实验测量, 解谱得到标准解谱得到标准 射线的峰位,即测量的能量,射线的峰位,即测量的能量, 对测量的对测量的 射线能量做修正,射线能量做修正, 建立建立 射线能量与测量能量的关系曲线,射线能量与测量能量的关系曲线, 评估评估 射线能量的不确定度。射线能量的不确定度。2.1 2.1 选择标准选择标准 射线源射线源由多个实验测量,经评价和推荐的数据称标准。分初级和次级标准。由多个实验测量,经评价和推荐的数据称标准。分初级和次级标准。放射性同位素标准源放射性同位素标准源. .能量范围能量范围E E 3MeV, 3MeV, 能量不确定度能量
12、不确定度 10eV10eV。E E 3MeV3MeV3MeV的有两个。的有两个。5656Co(486.5-3611.7keVCo(486.5-3611.7keV,T T1/21/2=77.3d=77.3d,5656Fe(Fe(p,np,n) )5656Co)Co)和和6666Ga(833.6-4807.0keVGa(833.6-4807.0keV;T T1/21/2=9.5h=9.5h,6363Cu(Cu( ,n,n) )6666Ga)Ga)能发射能发射 3MeV3MeV高能高能 射线,但制做困难和寿命短。射线,但制做困难和寿命短。 热中子辐射俘获反应高能热中子辐射俘获反应高能 射线标准源。射
13、线标准源。E E 11MeV10MeV10MeV, 1keV 1keV 。7 7Li,Li,1111B,B,2323Na,Na,2727Al(p,Al(p, ) )等是标准。特别等是标准。特别 11 11B(p,B(p, ) )能产生能产生10MeV10MeV以上的以上的 射射线。它适合线。它适合10-20MeV10-20MeV 射线的标定。射线的标定。标记韧致辐射高能标记韧致辐射高能 射线源。射线源。ComptonCompton背散射光源。背散射光源。102.1.1 A(p,2.1.1 A(p, ) )共振反应共振反应轻核质子共振辐射俘获反应轻核质子共振辐射俘获反应共振能级和宽度共振能级和宽
14、度共振能级退激放射出初级共振能级退激放射出初级 射线射线,随后的称次级,随后的称次级 射线。射线。初级初级 射线的能量与射线的能量与共振宽度有共振宽度有关。关。次级与宽度无关。次级与宽度无关。宽度与其寿命有宽度与其寿命有heisenbergheisenberg关关系系, =h/4=h/4 . .11质子共振辐射俘获反应质子共振辐射俘获反应低能质子、较高产额的低能质子、较高产额的(p,(p, ) )共振辐射俘获反应。共振辐射俘获反应。8 8个个E E =4-18MeV=4-18MeV。121111B(p,B(p, ) )1212C C的的 射线射线13 射线产额射线产额厚靶的每库伦入射质子的厚靶
15、的每库伦入射质子的 射线产额。射线产额。1010 A A质子束流累积达到质子束流累积达到1C1C需需 30h30h。测量时间长。测量时间长。142.1.2 2.1.2 非共振非共振1111B B(p,(p, ) )反应反应利用利用1111B(p,B(p, ) )1212C C反应反应获得获得10MeV10MeV以上的单色以上的单色 射线。射线。反应反应Q=15957.17Q=15957.17 0.33keV0.33keV。截面小,截面小,b b。从连续态跃迁到从连续态跃迁到1212C C基态和第一激发态的初级基态和第一激发态的初级 射线能量用下式计射线能量用下式计算。算。15非共振的非共振的1
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