射线探测器的能量标定-图文.pptx

射线探测器的能量标定_图文.ppt,1.引言,1.1,射线探测器,有机闪烁体，,H,C,O的化合物,。,射线与它们,主要是Compton散射。时间响应快，效率低，没有全能峰，但易制成大面积，造价低。E,=661keV的,能量分辨率8-25%。,无机闪烁体,。,LaBr3(Ce),NaI(Tl),CsI(Tl)。效率高，有全能峰，造价高。E,=661keV的,能量分辨率3-15%。,半导体。,纯半导体Ge和Si,化合物半导体CdTl等。效率中等，有全能峰，造价高。Ge和Si 需低温运行。,由于Si的原子序数低14，用于几百keV以下的x-射线探测。,根据效率，能量、时间和位置分辨率，粒子鉴别本领和固有的放射性杂质等要求选取探测器。,2,探测器的,响应函数,一个单能,射线在探测器内的能量沉积谱用总计数归一称,响应函数,，即归一的信号输出的脉冲幅度谱。,在探测器中，,射线与探测介质的相互作用、次级电子和电子-空穴对等的行为决定了响应函数，它是连续的。,采用MC程序Geant4模拟响应函数。,响应函数中的单色部分称,峰形函数,。,建立,响应函数和峰形函数与,射线能量的关系，分别用于解连续的和分立的,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,。,3,解谱,从测量的脉冲幅度谱求出,射线能谱称为解谱。,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，导出射线的能量及其强度。,实验上测量的脉冲谱P(E)可写成如下的积分式,P(E)=f(E,)R(E-E,)dE,+B，B=,i,a,i,E,i,.,其中：E表示脉冲幅度或道数；R(E-E,)是实验测定或MC计算的响应函数；f(E,)是入射到探测器的射线能谱；B是本底。,当射线能谱是分立的，解谱相对简单。,经数据光滑，寻峰，高斯峰形拟合等步骤。,一般，能量的不确定度,keV,强度为百分之几-几十。,4,1.2 HPGe探测器,n-型Ge,几keV以上，抗辐照及损伤可恢复.,p-型Ge,几十keV以上，有较好的能量分辨率,在几何上，常用,单开端同轴和平面,两种HPGe。,单开端同轴可认为由,平面和真同轴,两部分组成.,还有井型、外电极分割和点接触等类型的HPGe探测器.,5,HPGe探测器的性能指标,能量分辨率,2keV。噪声,1.4keV,电子-空穴对的统计1.5keV。,时间分辨率,5ns。与能量范围有关。,位置分辨率,。普通的HPGe没有位置分辨本领。,峰/康比,60。,相对效率,是,60,Co源离探测器表面25cm时相对3”,3”NaI(Tl)的,效率。最大相对效率达200%。,效率,正比于体积。,HPGe是电离室，它的信号脉冲上升时间，200ns，与e-h产生位置有关。中等速度的探测器。,HPGe探测器的性能指标是用,60,Co放射源的E,=1.33MeV测量的。,有机和无机闪烁体,的性能指标是用,137,Cs放射源的E,=0.661MeV测量的。,6,HPGe的峰形函数,峰形函数,由高斯分布G、低能指数尾T和平台erfc等三部分组成.,图是Helmer等人的拟合函数。G+2T+erfc.,T和erfc来自电荷收集不完全，如,陷阱、表面道效应,、,电子的边界逃逸，及光电和对效应产生电子的韧致辐射光的逃逸、多次Compton散射,及,弹道亏损等。,为获得准确的重峰的峰位和面积采用三部分函数，但计算时间长。,一般，采用G确定它们。,7,HPGe对高能,射线的响应,一般，放射性源的,射线能量3MeV,称高能,射线,，,它们主要来自核反应。,高能,射线与探测介质产生e,+,e,-,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,射线能量。,由于逃逸现象，在10-20MeV响应函数可能更复杂。,8,9,2.能量标定,如下步骤：,选取标准,射线源，,实验测量，,解谱得到标准,射线的峰位，即测量的能量，,对测量的,射线能量做修正，,建立,射线能量与测量能量的关系曲线，,评估,射线能量的不确定度。,2.1 选择标准,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。,放射性同位素标准源.能量范围E,3MeV,能量不确定度 10eV。,E,3MeV的有两个。,56,Co(486.5-3611.7keV，T,1/2,=77.3d，,56,Fe(,p,n,),56,Co)和,66,Ga(833.6-4807.0keV；T,1/2,=9.5h，,63,Cu(,n,),66,Ga)能发射,3MeV高能,射线，但制做困难和寿命短。,热中子辐射俘获反应高能,射线标准源。E,10MeV，1keV。,7,Li,11,B,23,Na,27,Al(p,)等是标准。特别,11,B(p,)能产生10MeV以上的,射线。它适合10-20MeV,射线的标定。,标记韧致辐射高能,射线源。,Compton背散射光源。,10,2.1.1 A(p,)共振反应,轻核质子共振辐射俘获反应,共振能级和宽度,共振能级退激放射出初级,射线，随后的称次级射线。,初级,射线的能量与,共振宽度有关。,次级与宽度无关。,宽度与其寿命有heisenberg关系,，,=h/4.,11,质子共振辐射俘获反应,低能质子、较高产额的(p,)共振辐射俘获反应。,8个E,=4-18MeV。,12,11,B(p,),12,C的,射线,13,射线产额,厚靶的每库伦入射质子的,射线产额。10,A质子束流累积达到1C需30h。,测量时间长。,14,2.1.2 非共振,11,B,(p,)反应,利用,11,B(p,),12,C反应,获得10MeV以上的单色,射线。,反应Q=15957.170.33keV。,截面小，b。,从连续态跃迁到,12,C,基态和第一激发态的初级射线能量用下式计算。,15,非共振的,11,B(p,),12,C反应,在90,的,0,的微分截面。Ep=4-18MeV,(,90,)1b/sr.,16,如何选择(p,)源？,应考虑下面的因素：,共振反应的截面，决定计数率；,共振宽度和寿命，决定初级,射线,的FWHM和Doppler效应；,非共振(p,)反应可得到更高能量的,射线，反应截面小；,射线的角分布；,是否有中子产生，本底；,靶是否容易制做；,加速器的能量、束流强度的稳定性；,能量的不确定度等。,选取尽可能多的射线能量，得到宽能区的能量曲线。,17,2.1.3 中子和,射线混合源,同时产生,中子和,射线的非共振反应。,11,B(d,n,),12,C，E,:,4.43,15.1MeV.,11,B(d,p,),12,B,E,:,0.95,1.67MeV.,241,Am,9,Be,的中子和,4.43MeV,射线源.,238,Pu-,13,C的中子和6.13MeV,射线源.,标定有机闪烁体。,中子和,射线同时用于检测-反恐。,18,(p,)和(n,)反应,评价和推荐的多线源,27,Al(p,),28,Si，共振Ep=992keV,=70eV，,E,max:,10762.9,。,14,N(p,),15,O,共振Ep=1058keV,=3900eV，,E,max:8281.5(5),。,23,Na(p,),24,Mg,共振Ep=1417keV,=90eV,，,E,max:8925.55,。,14,N(n,th,),15,N,E,:,10829.110(59),9148.95(9),8310.156(39)。,35,Cl(n,th,),36,Cl,E,:8578.53(9),7790.28(8)。,在11MeV的能区,利用,14,N(n,th,)和,27,Al(p,)标准源校准能量曲线。一般能量不确定度,0.1keV.,19,2.1.4高能标记的韧致辐射源,FWHM,30-50keV.,L.Schnorrenberger et al.,NIMA735(2014)19,20,21,2.2 多普勒效应和核反冲,多普勒(Doppler)效应,引起,射线能量的移位和展宽,根据能动量守恒，在质子辐射俘获反应中，复合核是沿束流方向运动的。,共振能级的寿命,和,复合核在靶中的慢化时间t,m,是两个重要的参数。,三种情况：,t,m,，,停止后衰变；,t,m,，前两者之间。,多普勒的线形是非对称的。,E,=E,0,（1+v cos,/c）-E,2,0,/2M.,不同的探测角度，产生能量移位,（E,-,E,0,）/E,0,=v cos,/c，,为了克服多普勒移位，探测器放置在,=90,。,探测器的有限张角,，产生峰展宽,E,/E,0,=v/c（cos,1,-cos,2,）。,多普勒效应,关注多普勒(Doppler)效应，如何从脉冲幅度谱测定能量。,22,23,2.3 实验测量,严格控制实验条件：,源-探测器几何保持一致；,主放大器应调节到最佳状态，特别是放大器的时间常数；,ADC道数的选择，在保真和计数统计间折衷；,控制计数率，防止计数率效应引起峰位漂移；,测量中用放射性,137,Cs和,60,Co,射线源监测,探测器和电子线路的稳定性，或采用内标；,加速器束流在空间和能量应稳定；,靶的老化和沾污等。,标定和测量的实验条件和解谱方法一致。,24,源-探测器几何,场增量效应,，电子加速与,射线入射和电场方向的夹角有关。,晶格取向效应,，电子-空穴对的产生与,射线入射和晶轴间的角度有关，影响峰位和FWHM.,由于入射方向的差异，本底中子经H(n,),2,H反应产生的2223keV和高能,射线产生的511keV都不适合作为能量标准。可能有几百eV 的系统不确定性。,可做稳定性监测,。,保持校准源与待测源的位置尽可能一致。,ADC的道宽,为了保证谱的信息不畸变，ADC的道宽应满足Shannon定理,：最大道宽是测量有意义的能量范围中最小FWHM的一半。,N=(E,1,-E,2,)/(FWHM,min,/2),有意义的能量范围10-20MeV.10MeV对应的FWHM,min,5keV，N,8000.,道数N越多，信息的保真度越高，但每道的计数越少，测量时间越长。,为获得每道有较好的计数统计，有时道宽的选取需要,在谱的畸变和计数统计间折衷。,用,137,Cs和,60,Co标定ADC的道宽和零点.,25,2.4 数据处理-,解谱,分立的单能,射线。,目的是标定能量。,利用全能、单逃逸和双逃逸峰，确定峰极大值的位置。,采用高斯分布函数+二次多项式本底拟合峰形，确定峰的位置。,测量与标定采用同样的解谱方法。,26,能量修正,反冲核能量修正，可计算。,探测系统不稳定的修正，用,射线,监测源。,27,能量曲线,函数拟合法,E,(x)=ae,-bx,+,4,n=1,C,i,x,i-1,非线性来源于探测器、ADC和电子学线路。,由于非线性的物理过程至今不十分清楚，因此没有函数能真正的描写非线性关系。,28,残差法,峰位和,射线能量做线性最小二乘法拟合，得到线性参数c和d。,E,0,(x)=c+dx。,测量的峰位与直线数据做差得剩余，,E,(x)=E,(x)-E,0,(x)。,E,(x)的数量为几个keV。,用目测绘制,E,(x)与E,(x)的关系曲线。,29,测量能量的不确定度,来源：,标准,射线的,能量不确定度；,峰计数统计引起峰位的不确定度；,在非共振(p,)反应中，质子能量的不确定度对初级的影响；,在非共振(p,)反应中，质子在靶中能量损失的不确定度；,靶厚不均匀引起质子在靶中能量损失的不确定度等。,由于利用单色峰的极大值，即峰位确定,射线的,能量。在足够的计数下，峰位准确性很高，,能达到ADC道宽的3%，,1keV,。,多个单能测量值的线性拟合将近一步减少能量不确定度。,30,