ORTEC低本底伽马谱仪及其调试

ORTEC低本底伽马谱仪及其调试

2.1 ORTEC低本底高纯锗伽马谱仪简介

本实验的能谱测量是用美国ORTEC公司GMX系列高纯锗探测器来进行的。探测器为p型同轴，探测的能量范围下限约为40keV。探测器的锗晶体的生产是在橡树岭实验室进行的，晶体的外层有由于锂接触扩散形成的死层，内层则有由于硼接触扩散形成的死层。该类型探测器有如下特点：1、其相对探测效率在10%到100%或者可以更高；2、拥有优良的能量分辨率和峰形状；3、良好的偏压选择；4、低本底碳纤维包层选择；5、超快速率应用的脉冲前置放大器选择；6、具有良好的配置灵活性。其探测器示意图如图2.1所示，锗晶体的示意图如图2.2所示。[9]

高纯锗探测器作为半导体探测器的一种，相对于气体探测器在半导体介质中，电离辐射产生电子-空穴对所需的能量很低所以能够产生大量的电子空穴对从而使统计涨落小很多，从而提高了能量分辨率。同时所形成的电离密度要比气体探测器高大约三个量级[10]，从而探测器的尺寸要小很多，可以制成高空间分辨和快时间相应的探测器，同时线性范围也比较宽。

图2.1 锗晶体示意图

图2.2 ORTEC GMX系列高纯锗伽马谱仪

详细的ORTEC高纯锗伽马谱仪剖面图及其尺寸见图2.3和图2.4所示。对于高纯度的锗晶体为形成PN结的空间电荷区需要内部的硼接触扩散以形成P型的高纯锗晶体，外层在施以N型的锂接触从而形成空间电荷区满足探测需要。这样就会形成内外两层死层。对于下图所示的生产商给出的几何机构及其尺寸也不一定完全精确，有些参数可能会出现一些偏差。尤其值得注意的是高纯锗探测器的死层厚度会随着时间的变化而慢慢变厚，这样不仅使死层的厚度增大同时也减小了有效的锗晶体的长度，在模拟的时候就会产生较大的误差。

图2.3 ORTEC伽马谱仪剖面图

图2.4 伽马谱仪几何尺寸表

高纯锗晶体由于纯度很高所以体积可以做得很大可以满足低于10MeV能谱

测量的要求。虽然高纯锗晶体经过内外接触处理，但是其内部电场并不是完全均匀的，在一些角落里电场较低，载流子的收集效率相应降低，因此晶体的前表面棱角应该尽量避免，作的圆滑一些[9]。

2.2 效率计算

在本次实验中我们主要是对高纯锗伽马谱仪的绝对全能峰效率进行刻度，效率刻度方法主要有三种[10]：

（1）若有某一放射源发射特定能量的γ射线，测得HPGe 的峰面积和76mm*76mmNaI （Tl ）的峰面积作比较，则可得到Ge 相对NaI 的相对效率。此时知道NaI （Tl ）的绝对效率，就自然得到HPGe 的绝对效率。

（2）若有一套能量和强度都已知的标准源就可直接标定。

（3）先进行相对效率刻度，后转化为绝对效率。

其中前两种方法需要一系列能量不同的标准源，在实际中是难以达成的。所以第三种方法较为可行，下面简单说明刻度方法：

①相对效率刻度。需要放射源有多种能量射线，并且各种能量的射线相对强度已知，射线的前度可以未知。现假设放射源的第i 个射线的能量为E i 相对强度是k i ，测量得到全能峰计数率为n pi ，则有：

i SPi pi Ak n ε= （2.1） 即

A

k n i pi SPi 1⨯=ε （2.2） 因此对于同一个放射源绝对效率与全能峰计数率成正比，与第i 个射线的相对强度成反比。所以只要做出n pi /k i 与能量E i 的关系曲线就得到了相对效率。若有不同的放射源则需要考虑先进行归一化处理。

②用一标准源测定相应能量的绝对效率。此时源的活度必须已知，并且能量最好单一以避免相对强度的误差传递。

③由以上得出的绝对效率则可将相对效率换算成绝对效率：

00

0SPi )/(SP p i i k n k n εε= （2.3） 在本实验中使用的放射源活度都是已知的所以只需直接计算效率即可。但是各个标准源不是单能的所以还需要用到放射源的各个能量的相对强度信息。

2.3 HPGe伽马谱仪的调试

为确保HPGe伽马谱仪在良好的状态下实验，必须前期进行谱仪的调试工作。调试包括系统组装、低温恒温系统和电子学参数调节三个部分。

谱仪系统的组装包括探测器封装类型、Ge晶体效率及规格确定、窗及前向包装材料、前置放大器、高压滤波装置和电子学线路的封装。在探测器中这些项目可以改变相应的材料和类型等[9]。当然在购买仪器的时候厂家会根据客户要求进行组装封装好，客户直接使用即可。

低温恒温系统是HPGe探测器的重要组成部分。首先探测器在低温下工作可以减小电子学器件的反向电流，从而减小噪声引起的谱线展宽。其次，在室温下锗的禁带宽度很小，若温度过高，当温度高达100~120K时，HPGe的漏电流和噪声便开始增加，从而显著影响能量分辨率。所以，HPGe工作在液氮温度下（77K）是合适的。最后，由于产生电子空穴对所需能量与工作温度直接相关，每K的变化为2.53*10-4如果温度不稳定，就会造成峰位的漂移，使分辨率变差[10]。所以一般高纯锗探测器的锗晶体中央会有一个半径不大的孔，以便能够使铜棒穿过，而铜棒的另一边则和液氮接触这样通过温度传递保持锗晶体的温度在液氮温度下。

图2.5 高纯锗探测器详细组装示意图

电子学参数调节主要是调节放大器的放大倍数以使能谱通过多道分析器显示出良好的峰形并且能够合理利用多道的道址；调节多道阈值以降低电子学噪声的影响；调节放大器偏压以使放大器处于合理的工作线性范围内等。现在放大器多道等各个部分都已经集成在一起，很多参数都已经出现在使用手册上，大大简化了调试过程。