Alpha谱仪实验

α射线能谱测量实验报告

核工1201 林勇 20120983

一、实验目的：

1、了解α谱仪的工作原理及其特性。

2、掌握应用谱仪测量α粒子能谱的方法。

3、测量获取表中各种放射源在不同真空度下的能谱图，为不同放射源、不同真空度、不同探源距下α能谱的解谱方法研究准备数据，同时为α能谱库的建立做一些探索性工作。

二、实验容

1、测定谱仪的能量分辨率，并进行能量刻度。

2、测量未知α源的能谱，并确定α粒子能量。

三、实验原理

1、α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241Am、238Pu、239Pu、244Cm(锔)和210Po(钋)等，用量最大的是241Am源。因为241Am容易生产，价格便宜，而且半衰期长。

常用α放射源核素数据

2、α谱仪

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：围10mTorr到20Torr（1 Torr ≈ 133.322 Pa）。

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

脉冲产生器；围0到10MeV，稳定性<50ppm/ºC，脉冲的幅度可调。

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)：<2µs。

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450mm2 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1200mm2；

系统可以扩展至8台共64路探测器。

3、α谱仪工作原理

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：

E

N=

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，E就是α粒子的能量。

半导体探测器是在六十年代发展起来的一种新型探测器，它以半导体为探测介质，其最大优点是能量分辨率高，脉冲上升时间短，体积小。

重原子核进行α衰变放出的α粒子是高速的氦原子核，质量数为4，带2个正电荷，其初速度约为1～2×109cm/s围。

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’(212Po) 为8.62cm，能量最小232Th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。

图α谱仪硬件连接及部结构框图

但电信号经放大器放大之后，由于电路中寄生电容、电感的作用，电脉冲信号结束之后，输出端并不立即回到零点位。电感性的寄生参量造成脉冲反冲，需要经过一段时间才能回到0电位，在更严重的情况下，甚至产生自激。电容性的寄生参量同样使电路需要经过一段时间才能回到0电位。虽然可以采用基线恢复或极零补偿等方式使输出端电位立即恢复，但是还达不到理想状态。要是在恢复时间又有第二个脉冲输入，其脉冲幅度将明显受到影响，在低能端形成拖尾。如果电路中存在电容性的寄生参量，将高能端将产生拖尾。

在计数率较高时，若两个射线粒子（光子）几乎同时入射，探测器和电路的时间分辨能力不足以区分开而作为一个射线来记录，所得的脉冲能量为两个射线粒子（光子）的能量之和，从而在射线谱中得到一个能量很高的谱峰—和峰。