α射线能谱测量.docx
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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
1实验目的、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1
2实验内容、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1
3实验原理、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1
3、1α能谱、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1
3、2α放射源、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、2
3、3α放谱仪、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、3
3、4探测器测量α射线能谱相关原理、、、、、、、、、、、、、、、、、、、4
3、5α谱仪的能量刻度与能量分辨率、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、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就是用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
3、1α能谱
α粒子通过物质时,主要就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就是一定的（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:
N=
公式中N为α粒子在物质中产生的正负离子对数目,E就是在物质中损失的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（近似就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就是一条直线,这种直线很容易在威尔逊云室中瞧到。
）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粒子谱就是线状谱,应就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与低能粒子的叠加等原因,实际测得的就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
3、2α放射源
α放射源就是以发射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）与210Po（钋）等,用量最大的就是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5、486MeV与Pu239的5、155MeV。
核素
半衰期
主要α粒子能量（MeV）及分支比（%）
比活度（GBq/g）
来源
210Po
138、4d
5、305（100）
1、67×105
233U
1、59×105a
4、824（84、4）
4、783（13、2）
235U
7、1×108a
4、216（6）
4、368（12）
4、374（6）
4、400（56）
天然放射性核素
238Pu
87、75a
5、445（28、7）
5、499（71、1）
636、4
239Pu
2、44×104a
5、103（11）
5、142（15）
5、155（73）
2、28
241Am
432a
5、443（12、7）
5、486（86）
126、9
238U多次中子俘获生成241Pu
242Cm
162、5d
6、071（26、3）
6、115（73、7）
1、25×105
238U多次中子俘获加
衰变
表一常用α放射源核素数据
3、3α谱仪
放射性样品的α粒子与探测器相互作用,经前置放大器输出正比于α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α粒子能谱,实现核素的识别与活度测定。
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与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与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（1Torr≈133、322Pa）。
●探测器偏压:
范围0±100V,大小与正负极性可调节。
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）与下阈（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与图形显示出来。
●输入电源:
120/240Vac,50/60Hz输入功率50W。
●通讯:
USB2、0接口。
每一个AlphaEnsemble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450mm2ULTRA-AS探测器与高质量的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、主放与多道一体化,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、4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。
金硅面垒探测器就是用一片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。
偏置放大器的作用就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、体积小与价格便宜等优点,在
粒子及其它重带电粒子能谱测量中有着广泛的应用。
3、5α谱仪的能量刻度与能量分辨率
图一峰位-偏压曲线
谱仪的能量刻度就就是确定
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+EO
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就是直线斜率（keV/每道）,称为刻度常数。
E0就是直线截距（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Π3GcΠBT4
4、所用α源:
Am241的5、486MeV与Pu239的5、155MeV
5实验步骤
1、打开PC机、8路α谱仪与真空泵
2、点击PC桌面上“MAESTROforWindows”
3、测量源（也可测本底）
3、1点“MAESTROforWindows”的“Acquire”
3、1、0设置
3、1、1设置高压,点highvoltage的可控按钮“on”,出现标志“On”表明高压设置ok
3、2点“MAESTROforWindows”的“Alpha”
3、2、1Target设为”300”（小于1000即可）
3、2、2vacuum设置
A.“Pump”抽真空,通过“actual”瞧就是否抽真空
B.“Vent“放弃真空
C.“hold“保持真空
3、2、3ADC:
设置为4096
3、2、4点击“presets”,设置“livetime”（测量活时间）（源小则时间设置长,反之则短）
3、2、5若本来存在有谱,则在“input“图上点右键,点”clear“
3、2、6“input“图上点右键,点”start“或菜单栏上”go“
3、3点“calculate“,realtime设置为300
3、3、1寻峰“peaksearch“
3、3、2选中该峰,右键,点“peakinfo“
Grossarea:
总计数,netarea:
净计数
能量分辨率=FWHM/peak位
3、3calibration:
设置能量刻度,可默认
3、4截图,打印
4、关闭
4、1去高压
4、2去真空
4、3去源
4、4关机
6实验数据记录、处理
6、1数据记录
数据一源距4mm
实验数据记录表一
PeakPeak（Kev）FWHMFW组GrossAreaNetArea
239Pu2357、09515530、9530、952859928450±178
241Am2514、75548630、6830、681984419844±140
数据二源距8mm
实验数据记录表二
PeakPeak（Kev）FWHMFW组GrossAreaNetArea
239Pu2356、30515535、1935、194045228967±544
241Am2514、57548640、3240、322850828241±187
6、2数据处理
6、2、1能量分辨率:
能量分辨率（源距4mm）:
=
=0、0060=0、60%
能量分辨率（源距4mm）:
=
=0、0056=0、56%
能量分辨率（源距8mm）:
=
=0、0068=0、68%
能量分辨率（源距8mm）:
=
=0、0073=0、73%
6、2、2能量刻度:
即通过所得信号的分析得出相应的谱形与数据,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）
2357、09
0、178
5155
2514、75
0、147
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=2、099b=205、1
即E（keV）=2、099X+205、1
表二:
能量刻度数据记录
道址
道址误差（+-）
能量（Kev）
2356、30
0、141
5155
2514、57
0、111
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=2、091b=228、0
即E（keV）=2、091X+228、0
6、2、3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α谱仪的测量原理,即:
放射性样品的α粒子与探测器相互作用,经前置放大器输出正比于α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α粒子能谱,实现核素的识别与活度测定。
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就是绝对真空,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。
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