1、 射线探测器的能量标定射线探测器的能量标定石宗仁石宗仁中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院2018,3 72018,3 7，在高能所的报告，在高能所的报告11.1.引言引言 1.1 1.1 射线射线探测器探测器有机闪烁体，有机闪烁体， H,C,OH,C,O的化合物的化合物 。 射线与它们射线与它们主要是主要是C Comptonompton散散射。时间响应快，效率低，没有全能峰，但易制成大面积，造价射。时间响应快，效率低，没有全能峰，但易制成大面积，造价低。低。E E =661keV=661keV的的能量分辨率能量分辨率8-25%8-25%。无机闪烁体无机闪烁体。LaBr3(Ce)LaBr3
2、(Ce), ,NaINaI(Tl), (Tl), CsICsI(Tl)(Tl)。效率高，有全能峰。效率高，有全能峰，造价高。，造价高。E E =661keV=661keV的的能量分辨率能量分辨率3-15%3-15%。半导体。半导体。纯半导体纯半导体GeGe和和SiSi, ,化合物化合物半导体半导体CdTlCdTl等。效率中等，有等。效率中等，有全能峰，造价高。全能峰，造价高。 Ge Ge和和Si Si 需低温运行。需低温运行。由于由于SiSi的原子序数低的原子序数低1414，用于几百，用于几百keVkeV以下的以下的x-x-射线探测。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
3、有的放根据效率，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射性杂质等要求选取选取探测器。探测器。2探测器的探测器的响应函数响应函数一个单能一个单能 射线在探测器内的能量沉积谱用总计数归一称射线在探测器内的能量沉积谱用总计数归一称响应函响应函数数，即归一的信号输出的脉冲幅度谱。，即归一的信号输出的脉冲幅度谱。在探测器中，在探测器中， 射线与探测介质的相互作用、次级电子和电子射线与探测介质的相互作用、次级电子和电子- -空空穴对等的行为决定了响应函数，它是连续的。穴对等的行为决定了响应函数，它是连续的。采用采用MCMC程序程序Geant4Geant4模拟响应函数。模拟响应函数。响
4、应函数中的单色部分称响应函数中的单色部分称峰形函数峰形函数。建立建立响应函数和峰形函数与响应函数和峰形函数与 射线能量的关系，分别用于解连续射线能量的关系，分别用于解连续的和分立的的和分立的 射线能谱。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响应函数的单色化技术：反康、对谱仪和两者的复合。3解谱解谱从测量的脉冲从测量的脉冲幅度幅度谱求出谱求出 射线能谱称为解谱射线能谱称为解谱。关键是解重峰。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，导出出射线射线的的能能量及其强度量及其强度。实验上测实验上测量量的
5、脉冲谱的脉冲谱P(E)P(E)可写成如下的积分式可写成如下的积分式P(E)=f(EP(E)=f(E) R(E-E) R(E-E)dE)dE+B+B，B= B= i ia ai iE Ei i. .其中：其中：E E表示脉冲幅度或道数；表示脉冲幅度或道数；R(E-ER(E-E) )是实验测定是实验测定或或MCMC计算的响计算的响应应函数函数；f(Ef(E) )是入射到探测器的是入射到探测器的射线能谱射线能谱；B B是本底是本底。当当射线能谱是分立的，解谱射线能谱是分立的，解谱相对简单。相对简单。经经数据光滑，寻峰数据光滑，寻峰，高斯峰形拟合等步骤。，高斯峰形拟合等步骤。一般，能量的不确定度一般，
6、能量的不确定度 keV,keV, 强度为百分之几强度为百分之几-几十。几十。41.2 HPGe1.2 HPGe探测器探测器n-n-型型GeGe几几keVkeV以上，抗辐照及损以上，抗辐照及损伤可恢复伤可恢复. .p-p-型型GeGe几十几十keVkeV以上，有较好的以上，有较好的能量分辨率能量分辨率在几何上，常用在几何上，常用单开端同轴和单开端同轴和平面平面两种两种HPGeHPGe。单开端同轴可认为由单开端同轴可认为由平面和真平面和真同轴同轴两部分组成两部分组成. .还有井型、外电极分割和点接还有井型、外电极分割和点接触等类型的触等类型的HPGeHPGe探测器探测器. .5HPGeHPGe探测
7、器的性能指标探测器的性能指标能量分辨率能量分辨率 2keV2keV。噪声。噪声 1.4keV,1.4keV,电子电子- -空穴对的统计空穴对的统计 1.5keV1.5keV。时间分辨率时间分辨率 5ns5ns。与能量范围有关。与能量范围有关。位置分辨率位置分辨率。普通的。普通的HPGeHPGe没有位置分辨本领。没有位置分辨本领。峰峰/ /康比康比 6060。相对效率相对效率是是6060CoCo源离探测器表面源离探测器表面25cm25cm时相对时相对3”3” 3 3” ” NaINaI(Tl)(Tl)的的效效率率。最大相对效率达。最大相对效率达200%200%。效率效率 正比于体积。正比于体积。
8、HPGeHPGe是电离室，它的信号脉冲上升时间，是电离室，它的信号脉冲上升时间， 200ns200ns，与与e-he-h产生位产生位置有关。中等速度的探测器。置有关。中等速度的探测器。HPGeHPGe探测器的性能指标是用探测器的性能指标是用6060CoCo放射源的放射源的E E =1.33MeV=1.33MeV测量的。测量的。有机和无机闪烁体有机和无机闪烁体的性能指标是用的性能指标是用137137CsCs放射源的放射源的E E =0.661MeV=0.661MeV测测量的。量的。6HPGeHPGe的峰形函数的峰形函数峰形函数峰形函数由高斯分布由高斯分布G G、低能指数尾低能指数尾T T和平台和
9、平台erfcerfc等三部分组成等三部分组成. .图是图是HelmerHelmer等人的拟合等人的拟合函数。函数。G+2T+erfc.G+2T+erfc.T T和和erfcerfc来自电荷收集不来自电荷收集不完全，如完全，如陷阱、表面道陷阱、表面道效应效应、电子的边界逃逸，电子的边界逃逸，及光电和对效应产生电及光电和对效应产生电子的韧致辐射光的逃逸、子的韧致辐射光的逃逸、多次多次ComptonCompton散射散射及及弹道弹道亏损等。亏损等。为获得准确的重峰的峰为获得准确的重峰的峰位和面积采用三部分函位和面积采用三部分函数，但计算时间长。数，但计算时间长。一般，采用一般，采用G G确定它们。确
10、定它们。7)2)(exp(220 xxAyaHPGeHPGe对高能对高能 射线的响应射线的响应一般，放射性源的一般，放射性源的 射线能量射线能量3MeV3MeV3MeV称高能称高能 射线射线，它们主要来自核反应。它们主要来自核反应。高能高能 射线与探测介质产生射线与探测介质产生e e+ +e e- -对效应显著。响应函数中有全能、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，都可用于测定单逃逸和双逃逸三个单色峰，都可用于测定 射线能量。射线能量。由于逃逸现象，在由于逃逸现象，在10-20MeV10-20MeV响应函数可能更复杂。响应函数可能更复杂。892.2.能量标定能量标定 如下步
11、骤：如下步骤： 选取标准选取标准 射线源，射线源， 实验测量，实验测量， 解谱得到标准解谱得到标准 射线的峰位，即测量的能量，射线的峰位，即测量的能量， 对测量的对测量的 射线能量做修正，射线能量做修正， 建立建立 射线能量与测量能量的关系曲线，射线能量与测量能量的关系曲线， 评估评估 射线能量的不确定度。射线能量的不确定度。2.1 2.1 选择标准选择标准 射线源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。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放射性同位素标准源. .能量范围能量范围E E 3MeV, 3MeV, 能量不确定度能量
12、不确定度 10eV10eV。E E 3MeV3MeV3MeV的有两个。的有两个。5656Co(486.5-3611.7keVCo(486.5-3611.7keV，T T1/21/2=77.3d=77.3d，5656Fe(Fe(p,np,n) )5656Co)Co)和和6666Ga(833.6-4807.0keVGa(833.6-4807.0keV；T T1/21/2=9.5h=9.5h，6363Cu(Cu( ,n,n) )6666Ga)Ga)能发射能发射 3MeV3MeV高能高能 射线，但制做困难和寿命短。射线，但制做困难和寿命短。 热中子辐射俘获反应高能热中子辐射俘获反应高能 射线标准源。射
13、线标准源。E E 11MeV10MeV10MeV， 1keV 1keV 。7 7Li,Li,1111B,B,2323Na,Na,2727Al(p,Al(p, ) )等是标准。特别等是标准。特别 11 11B(p,B(p, ) )能产生能产生10MeV10MeV以上的以上的 射射线。它适合线。它适合10-20MeV10-20MeV 射线的标定。射线的标定。标记韧致辐射高能标记韧致辐射高能 射线源。射线源。ComptonCompton背散射光源。背散射光源。102.1.1 A(p,2.1.1 A(p, ) )共振反应共振反应轻核质子共振辐射俘获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和宽
14、度共振能级退激放射出初级共振能级退激放射出初级 射线射线，随后的称次级，随后的称次级 射线。射线。初级初级 射线的能量与射线的能量与共振宽度有共振宽度有关。关。次级与宽度无关。次级与宽度无关。宽度与其寿命有宽度与其寿命有heisenbergheisenberg关关系系， =h/4=h/4 . .11质子共振辐射俘获反应质子共振辐射俘获反应低能质子、较高产额的低能质子、较高产额的(p,(p, ) )共振辐射俘获反应。共振辐射俘获反应。8 8个个E E =4-18MeV=4-18MeV。121111B(p,B(p, ) )1212C C的的 射线射线13 射线产额射线产额厚靶的每库伦入射质子的厚靶
15、的每库伦入射质子的 射线产额。射线产额。1010 A A质子束流累积达到质子束流累积达到1C1C需需 30h30h。测量时间长。测量时间长。142.1.2 2.1.2 非共振非共振1111B B(p,(p, ) )反应反应利用利用1111B(p,B(p, ) )1212C C反应反应获得获得10MeV10MeV以上的单色以上的单色 射线。射线。反应反应Q=15957.17Q=15957.17 0.33keV0.33keV。截面小，截面小，b b。从连续态跃迁到从连续态跃迁到1212C C基态和第一激发态的初级基态和第一激发态的初级 射线能量用下式计射线能量用下式计算。算。15非共振的非共振的1
16、111B(p,B(p, ) )1212C C反应反应 在在9090 的的 0 0的微分截面。的微分截面。Ep=4-18MeV,Ep=4-18MeV, ( (9090 )1)1 b/sr.b/sr.16如何选择如何选择(p,(p, ) )源？源？应考虑下面的因素：应考虑下面的因素：共振反应的截面，决定计数率；共振反应的截面，决定计数率；共振宽度和寿命，决定初级共振宽度和寿命，决定初级 射线射线的的FWHMFWHM和和DopplerDoppler效应；效应；非共振非共振(p,(p, ) )反应可得到更高能量的反应可得到更高能量的 射线，反应截面小；射线，反应截面小； 射线的角分布；射线的角分布；是
17、否有中子产生，本底；是否有中子产生，本底；靶是否容易制做；靶是否容易制做；加速器的能量、束流强度的稳定性；加速器的能量、束流强度的稳定性；能量的不确定度等。能量的不确定度等。选取尽可能多的选取尽可能多的 射线能量，得到宽能区的能量曲线。射线能量，得到宽能区的能量曲线。172.1.3 2.1.3 中子和中子和 射线混合源射线混合源 同时产生同时产生中子和中子和 射线的非共振反应。射线的非共振反应。1111B(d,nB(d,n ) )1212C C， E E : :4.43, 15.1MeV.4.43, 15.1MeV.1111B(d,pB(d,p ) )1212B, EB, E : :0.95,
18、1.67MeV.0.95,1.67MeV.241Am9Be的中子和的中子和4.43MeV 射线源射线源. .238238Pu-Pu-1313C C的中子和的中子和6.13MeV6.13MeV 射线源射线源. . 标定有机闪烁体。标定有机闪烁体。 中子和中子和 射线同时用于检测射线同时用于检测-反恐。反恐。18(p,(p, ) )和和(n,(n, ) )反应反应评价和推荐的多线源评价和推荐的多线源2727Al(p,Al(p, ) ) 28 28SiSi，共振，共振Ep=992keV, Ep=992keV, =70eV=70eV，E E max: max: 10762.910762.9。1414N
19、(p,N(p, ) )1515O,O,共振共振Ep=1058keV, Ep=1058keV, =3900eV=3900eV，E E max:8281.5(5)max:8281.5(5)。2323Na(p,Na(p, ) ) 24 24Mg,Mg,共振共振Ep=1417keV, Ep=1417keV, =90eV=90eV， E E max:8925.55max:8925.55。1414N(nN(nthth, , ) ) 15 15N, EN, E : :10829.110(59),9148.95(9),8310.156(39)10829.110(59),9148.95(9),8310.156(
20、39)。3535Cl(nCl(nthth, , ) ) 36 36Cl, ECl, E :8578.53(9),7790.28(8):8578.53(9),7790.28(8)。在在11MeV11MeV的能区的能区, ,利用利用1414N(nN(nthth, , ) )和和 27 27Al(p,Al(p, ) )标准源校准能量曲线标准源校准能量曲线。一般能量不确定度。一般能量不确定度 0.1keV.0.1keV.192.1.42.1.4高能标记的韧致辐射源高能标记的韧致辐射源FWHMFWHM 30-50keV.30-50keV. L. Schnorrenberger et al.NIMA735
21、(2014)19NIMA735(2014)1920212.2 2.2 多普勒效应和核反冲多普勒效应和核反冲多普勒多普勒(Doppler)(Doppler)效应效应引起引起 射线能量的移位和展宽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。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。共振能级的寿命共振能级的寿命 和和复合核在靶中的慢化时间复合核在靶中的慢化时间t tm m是两个重要的参数。是两个重要的参数。三种情况：三种情况： t tm m，停止后衰变；停止后衰变； t tm m，前两者之间。，前两者之间。多普勒的线形是非对称的。多普勒的
22、线形是非对称的。E E = E= E0 0（1+ v cos1+ v cos /c/c）- E- E2 20 0/2M./2M.不同的探测角度，产生能量移位不同的探测角度，产生能量移位（E E - - E E0 0）/ E/ E0 0 =v cos =v cos /c/c，为了克服多普勒移位，探测器放置在为了克服多普勒移位，探测器放置在 =90=90 。探测器的有限张角探测器的有限张角，产生峰展宽，产生峰展宽 E E / E / E0 0 =v /c =v /c（ coscos 1 1 - cos - cos 2 2）。）。多普勒效应多普勒效应关注多普勒关注多普勒(Doppler)(Doppl
23、er)效应，如何从脉冲幅度谱测定能量。效应，如何从脉冲幅度谱测定能量。22232.3 2.3 实验测量实验测量严格控制实验条件：严格控制实验条件：源源- -探测器几何保持一致；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；主放大器应调节到最佳状态，特别是放大器的时间常数；ADCADC道数的选择，在保真和计数统计间折衷；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；控制计数率，防止计数率效应引起峰位漂移；测量中用放射性测量中用放射性137137CsCs和和6060CoCo 射线源监测射线源监测探测器和电子线路的稳定探测器和电子线路的稳定性，或
24、采用内标；性，或采用内标；加速器束流在空间和能量应稳定；加速器束流在空间和能量应稳定；靶的老化和沾污等。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。标定和测量的实验条件和解谱方法一致。24源源- -探测器几何探测器几何场增量效应场增量效应，电子加速与，电子加速与 射线入射和电场方向的夹角有关。射线入射和电场方向的夹角有关。晶格取向效应晶格取向效应，电子，电子- -空穴对的产生与空穴对的产生与 射线入射和晶轴间的角度射线入射和晶轴间的角度有关，影响峰位和有关，影响峰位和FWHM.FWHM.由于入射方向的差异，本底中子经由于入射方向的差异，本底中子经H(n,H(n, ) ) 2 2H H
25、反应产生的反应产生的2223keV2223keV和高能和高能 射线产生的射线产生的511keV511keV都不适合作为能量标准。都不适合作为能量标准。 可能有几百可能有几百eVeV 的系统不确定性。的系统不确定性。可做稳定性监测可做稳定性监测。保持校准源与待测源的位置尽可能一致。保持校准源与待测源的位置尽可能一致。ADCADC的道宽的道宽为了保证谱的信息不畸变，为了保证谱的信息不畸变，ADCADC的道宽应满足的道宽应满足ShannonShannon定理定理：最大道宽是：最大道宽是测量有意义的能量范围中最小测量有意义的能量范围中最小FWHMFWHM的一半。的一半。N= (EN= (E1 1-E-
26、E2 2)/(FWHM)/(FWHMminmin/2)/2)有意义的能量范围有意义的能量范围10-20MeV.10MeV10-20MeV.10MeV对应的对应的FWHMFWHMminmin 5keV5keV，N N 8000.8000.道数道数N 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。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在谱的畸变和计数统计间折衷。统计间折衷。用用137137CsCs和和 6060CoCo标定标定ADCADC的道宽和零点的道宽和零点
27、. .252.4 2.4 数据处理数据处理- -解谱解谱分立的单能分立的单能 射线。射线。目的是标定能量。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。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。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。测量与标定采用同样的解谱方法。26能量修正能量修正 反冲核能量修正，可计算。反冲核能量修正，可计算。 探测系统不稳定的修正，用探测系统不稳定的修正，用 射线射线监测源。监测源。27能量曲线能量曲线 函数拟合法函数拟合法 E E (x)=a
28、e(x)=ae-bx-bx + + 4 4n=1n=1 C Ci ix xi-1i-1 非线性来源于探测器、非线性来源于探测器、ADCADC和电子学线路。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。数能真正的描写非线性关系。28残差法残差法 峰位和峰位和 射线能量做线性最小二乘法拟合，得到线性参射线能量做线性最小二乘法拟合，得到线性参数数c c和和d d。 E E0 0(x)=c + dx(x)=c + dx。 测量的峰位与直线数据做差得剩余，测量的峰位与直线数据做差得剩余， E E (x)= E(x)=
29、 E (x)- E(x)- E0 0(x)(x)。 E E (x)(x)的数量为几个的数量为几个keVkeV。 用目测绘制用目测绘制 E E (x)(x)与与E E (x)(x)的关系曲线。的关系曲线。29 测量能量的不确定度测量能量的不确定度来源：来源：标准标准 射线的射线的能量不确定度；能量不确定度；峰计数统计引起峰位的不确定度；峰计数统计引起峰位的不确定度；在非共振在非共振(p,(p, ) )反应中，质子能量的不确定度对初级的影响；反应中，质子能量的不确定度对初级的影响；在非共振在非共振(p,(p, ) )反应中，质子在靶中能量损失的不确定度；反应中，质子在靶中能量损失的不确定度；靶厚不
30、均匀引起质子在靶中能量损失的不确定度等。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，即峰位确定由于利用单色峰的极大值，即峰位确定 射线的射线的能量。在足够的能量。在足够的计数下，峰位准确性很高，计数下，峰位准确性很高，能达到能达到ADCADC道宽的道宽的3%3%， 1keV1keV。多个单能测量值的线性拟合将近一步减少能量不确定度。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总结总结采用轻核共振和非共振的采用轻核共振和非共振的(p,(p, ) )反应作反应作10-20MeV10-20MeV的的 射线源是可行射线源是可行的。的。特别是特别是1111B(p,B(p, ) )1212C C反应。反应。需要进一步调研有关需要进一步调研有关(p,(p, ) )反应的反应的参数。参数。估算能量的不确定度。估算能量的不确定度。确定实验方案。确定实验方案。感谢原子能科学院的陈永静同志的帮助。感谢原子能科学院的陈永静同志的帮助。 谢谢！谢谢！31
