α射线能谱测量

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西南科技大学
《α射线能谱测量》报告
设计名称α射线能谱测量
学院
班级
学生姓名
学号
设计日期 2014年12月
2014年10月制
目录
1实验目的 (1)
2实验内容 (1)
3实验原理 (1)
α能谱 (1)
α放射源 (2)
α放谱仪 (3)
探测器测量α射线能谱相关原理 (4)
α谱仪的能量刻度和能量分辨率 (4)
4实验仪器、器材 (5)
5实验步骤 (5)
6实验数据记录、处理 (6)
7实验结论 (8)
1实验目的
α衰变中发射的α粒子能量及辐射几率的测量，对于核结构研究具有重要意义。

这些核数据的测量通常是用α磁谱仪或半导体α谱仪。

而本实验主要从以下几个方面进行：
1、了解α谱仪工作原理与特性
2、掌握α能谱测量原理及测量方法
3、测量获取表中各种放射源在不同探源距下α能谱的数据与图像记录并进行刻度
2实验内容
测定α谱仪在不同源距下α能谱的数据，并通过计算获得相关能量分辨率。

同时，进行能量刻度。

3实验原理
α能谱
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在其内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内，E就是α粒子的能量。

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，能量最小232Th为），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谱仪硬件连接及内部结构框图如图1所示）。

仪器谱以α粒子的能量（即脉冲幅度）为横坐
标，某个能量段内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。

α谱仪硬件连接及内部结构框图图一所示。

图一α谱仪硬件连接及内部结构框图
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，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放射源核素数据如表一。

本次实验，所用α源：Am241的和Pu239的。

核素
半衰
期
主要α粒
子能量(MeV)
及分支比(%)
比
活度
(GBq/g)
来源
21
0Po
（100）
×1
05
5.01
209210210
(,)d
Bi nγBi Po
−−−→
23×105（）22.3min27.0
232233233233
(,)d
Th nγTh Pa U
−−−→−−−→
3U a （）
23
5U
×108
a
（6）
（12）
（6）
（56）
天然放射性核素
23
8Pu
（）
（）
2.117
237238238
(,)d
Np nγNp Pu
−−−→
23
9Pu
×104
a
（11）
（15）
（73）
23.5min 2.355
238239239239
(,)d
U nγU Np Pu
−−−→−−−→
24
1Am
432a
（）
（86）
238U多次中子俘获生成241Pu14.4241
a Am
−−−→24
2Cm
（）
（）
×1
05
238U多次中子俘获加β-衰变
表一常用α放射源核素数据
α谱仪
放射性样品的粒子与探测器相互作用，经前置放大器输出正比于粒子能量的脉冲信号，经线性放大后输入多道脉冲分析器分析，得到的计数按照能量(道址)分布的粒子能谱，实现核素的识别和活度测定。

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：范围10mTorr到20Torr（1 Torr ≈ Pa）。

探测器偏压：范围0±100V，大小和正负极性可调节。

漏电流检测器：范围0到10,000nA，显示分辨率3nA。

脉冲产生器；范围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：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。

探测器测量α射线能谱相关原理
因离子注入PIPSα谱仪相关资料不足，故本实验报告以金硅面垒探测器为例加以说明。

金硅面垒探测器是用一片N型硅，蒸上一薄层金（100-200），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
器工作加反向偏压。

粒子在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。

偏置放大器的作用是当多道分析器的道数不够用时，利用它切割、展宽脉冲幅度，以利于脉冲幅度的精确分析。

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。

金硅面垒型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。

α谱仪的能量刻度和能量分辨率
图一峰位-偏压曲线
谱仪的能量刻度就是确定粒子能量与脉冲幅度大小以谱线峰位在多道分析器中的道址表示。

谱仪系统的能量刻度有两种方法：
用一个239Pu、241Am、244Cm混合的刻度源，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：
E=Gd+E O
图二能量分辨率-偏压曲线
E为α粒子能量（keV）,d为对应E谱峰所在道址，G是直线斜率（keV/每道），称为刻度常数。

E0是直线截距（keV），它表示由于α粒子穿过探测器金层表面所损失的能量。

4实验仪器、器材
1、ALPHA-ENSEMBLEα谱仪探测器
2、PC机
3、真空泵Π3GcΠB T4
4、所用α源：Am241的和Pu239的
5实验步骤
1、打开PC机、8路α谱仪和真空泵
2、点击PC桌面上“MAESTRO for Windows”
3、测量源（也可测本底）
点“MAESTRO for Windows”的“Acquire”
设置
设置高压，点 high voltage 的可控按钮“on”，出现标志“On”表明高压设置ok 点“MAESTRO for Windows”的“Alpha”
设为”300”（小于1000即可）
设置
A．“Pump”抽真空，通过“actual”看是否抽真空
B．“Vent“放弃真空
C．“hold“保持真空
：设置为4096
点击“presets”，设置“live time”（测量活时间）（源小则时间设置长，反之则短）若本来存在有谱，则在“input“图上点右键，点”clear“
图上点右键，点”start“或菜单栏上”go“
点“calculate“，realtime设置为300
寻峰“peak search“
选中该峰，右键，点“peak info“
Gross area：总计数，net area：净计数
能量分辨率=FWHM/peak位
：设置能量刻度，可默认
截图，打印
4、关闭
去高压
去真空
去源
关机
6实验数据记录、处理
数据记录
数据一源距4mm
实验数据记录表一
Peak Peak(Kev) FWHM FW组 Gross Area Net Area 239Pu 5155 28599 28450±178
241Am 5486 19844 19844±140
数据二源距8mm
实验数据记录表二
Peak Peak(Kev) FWHM FW组 Gross Area Net Area 239Pu 5155 40452 28967±544
241Am 5486 28508 28241±187数据处理
能量分辨率：
能量分辨率（源距4mm)：
Peak FWHM =
00.515595
.30==%
能量分辨率（源距4mm)：
Peak FWHM
=00.548668.30==% 能量分辨率（源距8mm)：
Peak FWHM
=00.515519.35==% 能量分辨率（源距8mm)：
Peak
FWHM
=00
.548632.40==% 能量刻度：
即通过所得信号的分析得出相应的谱形和数据，处理后得到的道址与能量的对应关系。

利用能量刻度曲线得出能量与道址的关系：E(keV)=aX+b （X 为道址）。

表一:
能量刻度数据记录
道址 道址误差（+ -）
能量（Kev ）
5155
5486
能量刻度曲线一：
由上图得出公式E(keV)=aX+b 中A 、B 的值分别为：a= b= 即E(keV)=+
表二：
能量刻度数据记录
道址 道址误差（+ -）
能量（Kev ）
5155
5486
能量刻度曲线一：
由上图得出公式E(keV)=aX+b中A、B的值分别为：a= b=
即E(keV)=+
不同探源距：
不同探源距使得所得图谱中谱峰有所不同，探源距越长，谱峰的低能尾部越明显，使分辨率越差。

因此，应尽可能缩小探源距即将放射源尽可能靠近探测器，从而提高分辨率。

7实验总结
从实验中初步解到谱仪的测量原理，即：放射性样品的粒子与探测器相互作用，经前置放大器输出正比于粒子能量的脉冲信号，经线性放大后输入多道脉冲分析器分析，得到的计数按照能量(道址)分布的粒子能谱，实现核素的识别和活度测定。

并在具体的实验操作过程中，作出如下误差分析：
能量刻度源少，造成能损dE计算不准确。

由于测量环境条件变化，造成谱线漂移，使得对dE计算不准确；由于测量环境不可能是绝对真空，在不同时刻测量，真空度不一样导致空气对α粒子能量造成的损失不一样。