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1、实验11 半导体谱仪实验目的1. 了解谱仪的工作原理及其特性。2. 掌握应用谱仪测量粒子能谱的方法。3. 测定241Am核素的衰变的相对强度。实验内容1. 调整谱仪参数，测量不同偏压下的粒子能谱，并确定探测器的工作偏压。2. 测定谱仪的能量分辨率，并进行能量刻度。3. 测量未知源的能谱，并确定粒子能量。4. 用偏置放大器扩展能谱，并测定241Am 衰变的相对强度。原理金硅面垒探测器是用一片N型硅，蒸上一薄层金（10-20nm），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。探测器工作时加反向偏压。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
2、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。带电粒子进入灵敏区，损失能量产生电子孔穴对。形成一对电子空穴所需的能量，与半导体材料有关，与入射粒子的类型和能量有关。对于硅，在300K时，为3.62eV，77K时为3.76eV。
3、对于锗，在77K时为2.96eV。若灵敏区的厚度大于入射粒子在桂中的射程，则带电粒子能量E全部损失在其中，产生的总电荷量Q等于(E/)e。E/为产生的电子空穴对数，e为电子电量。由于外加偏压，灵敏区的电场强度很大，产生的电子空穴对全部被收集，最后在两极形成电荷脉冲。通常在半导体探测器设备中使用电荷灵敏前置放大器。它的输出信号与输入到放大器的电荷量成正比。探测器的结电容Cd是探测器偏压的函数，如果核辐射再探测器中产生电荷量Q，那么探测器输出脉冲是Q/Cd。因此，由于探测器偏压的微小变化所造成的Cd变化将影响输出脉冲的幅度。事实上，电源电压的变化就可以产生偏压的这种微小变化。此外，根据被测粒子的射
4、程调节探测器的灵敏区厚度时，也往往需要改变探测器的偏压。要减少这些变化对输出脉冲幅度的影响，前级放大器对半导体探测器系统的性能起着重要的作用。如图1表示典型探测器的等效电路和前置放大器的第一级。其中K是放大器的开环增益，Cf是反馈电容，Cl是放大器的总输入电容，它等于CdC，C是放大器接插电缆等寄生电容。前置放大器的输入信号是Q/Cd，它的等效输入电容近似等于KCf，只要KCfCl，那么前置放大器的输出电压为。这样一来，由于选用了电荷灵敏放大器作为前级放大器，它的输出信号与输入电荷Q成正比，而与探测器的结电容Cd无关。1. 确定半导体探测器的偏压对N型硅，探测器灵敏区的厚度dn和结电容Cd与探
5、测器偏压V的关系如下：dn0.5(nV)1/2 (m)Cd=2.1104(nV)-1/2 (F/cm2)其中n为材料电阻率（cm）。因灵敏区的厚度和结电容的大小决定于外加偏压，所以偏压的选择首先要使入射粒子的能量全部损耗在灵敏区中和由它所产生的电荷完全被收集，电子空穴复合和陷落的影响可以忽略。其次还需考虑到探测器的结电容对前置放大器来说还起着噪声源的作用。电荷灵敏放大器的噪声水平随外接电容的增加而增加，探测器的结电容就相当它的外接电容。因此提高偏压降低结电容可以相当地减少噪声，增加信号幅度，提高信噪比，从而改善探测器的能量分辨率。从上述两点来看，要求偏压加得高一点，但是偏压过高，探测器得漏电流
6、也增大而使分辨率变坏。因此为了得到最佳能量分辨率，探测器的偏压应选择最佳范围。实验上最佳能量分辨率可通过测量不同偏压下的谱线求得，如图2所示。并由此试验数据，分别作出一组峰位和能量分辨率对应不同偏压的曲线，如图3、图4。分析以上结果，确定出探测器最佳偏压值。2谱议的能量刻度和能量分辨率谱议的能量刻度就是确定粒子能量与脉冲幅度之间对应关系。脉冲幅度大小以谱线以谱线峰位在多道分析器中的道址表示。谱议系统的能量刻度有两种方法：（1）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：EGdE0 （4）E
7、为粒子的能量（keV）。d为对应E谱峰所在道址。G是直线斜率（keV/道）,称为刻度常数。E0是直线截距（keV）。它表示由于粒子穿过探测器金层表面所损失的能量。（2）用一个已知能量的单能源，配合线性良好的精密脉冲发生器来作能量刻度。这是在源种类较少的实验条件下常用的方法。一般谱议的能量刻度线性可达0.1%左右。在与能量刻度相同的测量条件下（如偏压、放大倍数、几何条件等），测量未知能量谱。根据能量刻度曲线就可以确定粒子的能量。常用谱仪的刻度源能量可查核素常用表。谱仪的能量分辨率也用谱线的半宽度FWHM表示。FWHM是谱线峰最大计数一半处的宽度，以keV表示。在实用中，谱议的能量分辨率还用能量展
8、宽的相对百分比表示。例如本实验采用金硅面垒探测器，灵敏面积为50mm2,测得241Am源的5.48MeV的粒子谱线宽度为17MeV(0.3%)。半导体探测器的突出优点是它的能量分辨率高，影响能量分辨率的主要因素有产生电子空穴对数和能量损失的统计涨落（En）;探测器噪声（ED）；电子学噪声，主要是前置放大器的噪声（Ee）；探测器的窗厚和放射源的厚度引起能量不均匀性所造成的能量展宽（Es）。实验测出谱线的展宽E是由以上因素所造成影响的总和，表示为E（En2ED2Ee2Es2）1/23. 用偏置放大器来扩宽能谱，测量241Am的衰变相对强度在实际应用中，常常需要降低系统的G值。由于半导体探测器的能量
9、分辨率比较高，一般可达千分之几。当多道分析器的道数不够时，道宽对能谱测量的影响就很大。例如，若实验使用的多道分析器为256道，对于6MeV的峰位于满道址刻度情况下，得到最小G值为25keV/每道。如果我们要观察能量相差只有50keV的两个峰（例如241Am），而这两个峰位的间隔只有2道，因而在谱形上不能将两个峰分开，这就需要降低系统的刻度常数G值。在实验装置中增加一个偏置放大器，它的作用是将输入脉冲切割一定阈值后，将超过阈部分再放大，然后送入到低道数的多道分析器中去分析，使得我们感兴趣的那一部分能谱得到展宽，这样就把原来不能分开的几个谱峰分开了。图6 241Am的谱 241Am的衰变图如图5，
10、其衰变时放出的粒子有五种能量。图5 241Am 衰变的相对强度由实验测出241Am的谱如图6。直接由多道脉冲分析器求出第i个能量峰的总技术Si。由总的衰变率，求出241Am各个能量粒子的相对强度，i1-5。实验装置电荷灵敏放大器线 性放 大 器偏 置放 大 器多 道分 析 器脉冲放大器偏压 电源示波器机械真空泵真空室源金硅面垒半导体探测器图7 谱仪系统示意图实验仪器BH1324一体化多道分析器1台FH0001A插件机箱1台BH1298A 300V直流电源1台BH1231N低压电源1台BH1218线性脉冲放大器1台FH1047A电荷灵敏前置放大器1台20金硅面垒探测器（测）1台FH445A 谱仪
11、探头架1台示波器1台机械泵1台放射源： 241Am1个实验步骤1. 连接仪器，将源（241Am）放入真空室、抽真空，调整谱仪工作参数，用示波器测量脉冲幅度随偏压变化的范围。并测量抽真空与不抽真空条件下输出波形的变化。2. 选择多道分析器的参量，测量谱，改变偏压为5、10、30、60、100、150伏分别测量不同偏压下的谱线，确定最佳偏压值。3. 利用精密脉冲发生器和已知能量为5.48MeV的241Am 源对谱仪作能量刻度。4. 调节偏置放大器的阈值和放大倍数，展宽241Am谱，确定241Am 衰变的相对强度。结果分析及数据处理思考题1. 解释脉冲幅度和分辨率随偏压变化曲线的特征，并说明选择探测器偏压应考虑哪些因素。2. 设脉冲输出幅度为6V，探测器的能量分辨率为0.3，试述应如何选择多道分析器的参数（分析范围、所用道数和道宽）？如果多道分析器的道宽不够或道宽太大时，又应如何选择偏置放大器的阈值和放大倍数？3. 用脉冲发生器模拟不同能量粒子时，为什么不能关闭偏压电源？4. 如何用脉冲发生器和一个已知能量的源对谱仪作能量刻度？（提示：了解脉冲发生器“标准校正”旋钮的作用）。5. 为研究影响谱仪能量分辨率的主要因素，如何从试验上分别测出探测器及电子学噪声对谱线所造成的展宽？
