基于厚放射源实现气体正比探测器能量刻度的方法与流程

1.本发明涉及核测试及核仪器领域，具体涉及一种基于厚放射源实现气体正比探测器能量刻度的方法，该方法是一种利用厚源开展符合测量系统中气体正比探测器能量刻度的方法。


背景技术：

2.核探测器一般需经过能量刻度才能将输出的电压或电荷信号转换为正确的能量数据。一般采用可在核探测器中沉积全部能量的单能射线进行能量刻度。如图1所示，3he夹心谱仪芯体由两个对置的半导体探测器2以及两个半导体探测器2之间一个充3he的气体正比探测器1组成。在气体正比探测器阴极箱外侧装一枚小
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am放射源，利用其放出的5.486mevα射线开展能量刻度。半导体探测器在真空条件下利用5.486mevα射线直接照射进行刻度。由于气体正比探测器尺寸只有2cm
×
2cm
×
1cm，该尺寸下α射线无法在气体中沉积全部能量，因此只能采用符合测量方法，既α射线穿过气体正比探测器再射入半导体探测器并沉积剩余能量。如公式(2)，其中eg为气体正比探测器沉积能量，ec为符合能量(没有自吸收时，符合能量等于放射源能量(5.486mev))，es为半导体探测器沉积能量。
3.eg＝e
c-esꢀꢀ
(2)
4.放射源被放置在气体正比探测器的阴极箱侧壁开孔外侧，一个放射源可以照射到两个半导体探测器。为了保证放射源对气体正比探测器有较大的入射角，放射源尺寸一般比较小，实际直径约1mm。这种非标放射源一般都在实验室手工制备，在保证基本活度的前提下均比较厚，会有较大的自吸收，此时能量沉积如公式(3)，其中ea为放射源自吸收能量。
5.eg＝e
c-e
s-eaꢀꢀ
(3)
6.半导体探测器可在真空状态下进行能量刻度，由于放射源自吸收造成α峰展宽及峰位向低能端移动，如图2所示为真空条件下利用α谱仪测得放射源及薄膜源(可认为无自吸收)能谱，其中较宽的谱线为所用放射源能谱，较窄的谱线为薄膜源谱线，从图中明显可见放射源能谱向低能移动，实际峰位在峰高能端一半处(虚线位置)。5mev左右α射线在气体正比探测器内沉积能量较少，一般只有500kev～800kev，放射源的自吸收会对气体正比探测器能量刻度造成较为严重影响，甚至根本无法开展正常刻度。
7.综上所述，由于气体正比探测器中无法沉积α射线的全部能量，只能采用符合方法进行刻度，同时厚源对α射线自吸收会加大能量刻度困难。目前，3he夹心谱仪的气体正比探测器能量刻度大都以
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am源发射α射线在探测器内直射距离的沉积能量计算值作为刻度依据，例如，marsh jw，high resolution measurements of neutron energy spectra from am-be and am-b neutron source[d].kingston polytechnic，1990。由于存在较大的放射源能量自吸收以及α射线本身在气体正比探测器中轨迹差异(既沉积能量差异较大)，这种能量刻度方法给气体正比探测器能量刻度带来较大误差。


技术实现要素：

[0008]
本发明提供一种基于厚放射源实现气体正比探测器能量刻度的方法，主要解决符合测量系统中放射源较厚时自吸收比较明显，导致气体正比探测器能量刻度无法正常开展的问题。该方法是一种利用厚源开展3he符合测量系统中气体正比探测器能量刻度的方法，可提高3he符合测量系统中子能量测量准确性。
[0009]
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0010]
一种基于厚放射源实现气体正比探测器能量刻度的方法，包括以下步骤:
[0011]
步骤一、搭建符合测量系统，该符合测量系统能够同时测量气体正比探测器和半导体探测器的能谱并进行符合事件判断；
[0012]
步骤二、限制放射源在半导体探测器上的照射面积，使能产生符合事件的α射线在气体正比探测器中具有相同的射程；
[0013]
1.1)在气体正比探测器的阴极箱上开设放射源孔，所述放射源孔在阴极箱侧壁的中心处；
[0014]
1.2)将放射源设置在气体正比探测器的阴极箱外侧，放射源头部凸起放置在放射源孔内，同时，在阴极箱内侧放置带小孔的屏蔽层，屏蔽层的小孔中心与放射源孔中心的距离为h，h为放射源的半径与小孔半径之和的1.2～1.5倍，使放射源只能照射到半导体探测器中线一侧区域，从而限值放射源的照射区域；
[0015]
步骤三、半导体探测器能量刻度；
[0016]
3.1)在真空条件下获取半导体探测器测量放射源放出的α射线能谱；
[0017]
3.2)用脉冲发生器产生8～10个单能脉冲，通过单能脉冲幅度及adc道址线性拟合测得adc零点，采用adc零点和α射线能谱中的能量再次进行线性拟合完成半导体探测器能量刻度，得到拟合常数a1和b1，如公式(1)所示；
[0018]es
＝a1 b1ch
ꢀꢀ
(1)
[0019]
其中，es为半导体探测器沉积能量，ch为adc道址；
[0020]
步骤四、气体正比探测器充3he气体，采用步骤一中的符合测量系统进行测量，得到气体正比探测器与半导体探测器探测的符合事件；
[0021]
步骤五、在步骤四得到的符合事件中选取在半导体探测器中沉积能量大于峰高能端一半处的n个符合事件，并对n个符合事件中半导体探测器的adc道址进行平均，随后将半导体探测器的adc道址平均值带入公式(1)，获取半导体探测器的沉积能量平均值es′
；
[0022]
步骤六、将n个符合事件中气体正比探测器的道址进行平均，得到气体正比探测器的道址平均值，该道址平均值即对应气体正比探测器沉积能量eg，此时完成气体正比探测器能量刻度；
[0023]eg
＝e
c-es′
[0024]
其中，ec为符合能量。
[0025]
进一步地，步骤二中，h的数值为0.6～1.0mm。
[0026]
进一步地，步骤二中，放射源孔的直径2～3mm。
[0027]
进一步地，步骤二中，屏蔽层的小孔直径为0.1mm～0.5mm，屏蔽层的厚度为0.1～0.2mm。
[0028]
进一步地，步骤二中，屏蔽层具体采用金箔。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0030]
1.本发明方法可以提高量测量准确性。本发明方法通过限制放射源在半导体探测器上的照射面积，使只有在气体正比探测器内沉积能量较大的射线可以到达半导体探测器产生符合事件。同时，在所有符合事件中只选择半导体探测器能量较高的部分事件。因此，本发明方法可选择出气体正比探测器和半导体探测器沉积能量最大的部分事件，即自吸收最小的事件，从而避免自吸收对能量刻度的影响，达到提高能量测量准确性的目的。
[0031]
2.由于厚源源强都比较大，半导体探测器辐照损伤较强，采用本发明方法可明显减弱半导体探测器辐照损伤，延长半导体探测器使用寿命。
附图说明
[0032]
图1现有3he夹心谱仪芯体结构图；
[0033]
图2为放射源与薄膜源在α谱仪中的测量谱比较示意图；
[0034]
图3为3he夹心谱仪充3he气体后半导体探测器测量放射源能谱图；
[0035]
图4a为放射源照射范围示意图一；
[0036]
图4b为放射源照射范围示意图二；
[0037]
图4c为放射源照射范围示意图三；
[0038]
图5为本发明方法中放射源和屏蔽层位置示意图；
[0039]
图6a为照射区域未被限制时的气体正比探测器测量能谱图；
[0040]
图6b为照射区域限制后的气体正比探测器测量能谱图；
[0041]
图7为现有热中子测量电子学系统框图；
[0042]
图8为3he夹心谱仪实测脉冲堆热柱热中子能谱示意图。
[0043]
附图标记：1-气体正比探测器；2-半导体探测器，11-阴极箱，12-阳极丝，13-放射源，14-小孔。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
[0045]
探测器一般需要已知能量的放射源进行能量刻度才能实际使用，由于符合测量系统中气体正比探测器无法沉积标定射线(即α射线)的全部能量，需采用符合测量方法进行能量刻度。符合测量系统测得的符合事件是由标定射线穿过气体正比探测器最终射入半导体探测器形成，标定射线能量同时沉积在气体正比探测器及半导体探测器中，理论上半导体探测器与气体正比探测器测量能量之和为标定射线能量。半导体探测器已经在真空下完成能量刻度，其沉积能量可以精确测出，标定射线能量减去半导体探测器内沉积能量即为气体正比探测器内沉积能量，如公式2。
[0046]
由于放射源的自吸收，实际标定射线能量部分沉积在放射源内部无法测量，而且每个符合事件能量自吸收均不相同，导致无法通过公式(2)计算气体正比探测器内沉积能量，这时气体正比探测器无法正常刻度。同时，当放射源较厚时自吸收会比较明显，气体正比探测器沉积能量eg、半导体探测器沉积能量es与放射源自吸收能量ea相关，如公式(3)，由
于ea为随机数，导致气体正比探测器沉积能量eg无法算出，能量刻度无法正常开展。
[0047]
气体正比探测器沉积能量与标定射线在气体中的轨迹长度相关，轨迹长度一定时，在气体中沉积能量就基本相同。本发明主要研究α射线在气体正比探测器中轨迹及能量沉积特点，提出利用屏蔽层使放射源只能照射到距放射源较远的一小块区域，使得只有在气体正比探测器内沉积能量较大的部分α射线可产生符合事件。半导体探测器沉积能量es一定时，如果α射线发生明显自吸收，其在气体中轨迹将变短，既只能照射到距源较近的区域，则会被屏蔽层遮挡无法形成符合事件。同理当气体正比探测器沉积能量eg一定时，半导体探测器沉积能量es越多，放射源自吸收能量ea就越少。因此在所有符合事件中只选择半导体探测器能量在图3中虚线位置以上事件。随后将符合事件的半导体探测器平均道址带入公式(1)计算出半导体探测器的沉积能量平均值，带入公式(2)可计算出气体正比探测器沉积能量eg。
[0048]
首先，为实现气体正比探测器能量沉积限制，对符合测量系统进行结构改进，放射源固定在气体正比探测器阴极箱外侧上，α射线射入气体正比探测器首先在气体中沉积部分能量，最终部分α射线可射入半导体探测器形成符合事件。要想使能引起符合事件的粒子在气体正比探测器内沉积大致相同的能量且能量值较大，必须使放射源在半导体探测器上照射区域足够小且尽量远离放射源。为此可以通过在放射源前增加一个带小孔的屏蔽层，限制放射源照射区域，这样射线在气体正比探测器中的轨迹就会非常接近。在本发明实施例中，
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am材料被镀在直径1mm凸起面上，气体正比探测器阴极箱一侧上有一直径3mm的孔。该放射源放出的α射线可以分别照射到两个半导体探测器上，当放射源没有限制时会照到半导体探测器大部分面积如图4a所示。为此在气体正比探测器阴极箱内侧增加一个0.2mm厚有0.2mm直径小孔的金箔，由于金箔限制放射源照射区域会将变小，如图4b所示。这样的照射区域仍然比较大，为了进一步减小放射源照射面积可以采用适当调整小孔位置的方法改变放射源照射面积。由于放射源要同时照射上下两个半导体探测器，无法采用上下移动小孔的办法来调整放射源照射面积(因为上下移动使一只半导体探测器上照射面积减少的同时另一只半导体探测器照射面积增大)。如图5所示，可水平方向移动小孔14，将小孔14向右侧或向左移动h＝0.6～1mm(大于放射源加小孔半径之和)，这时放射源13在半导体探测器上的照射束斑向小孔14一侧移动。由于半导体探测器为圆形，边缘高度明显缩小，粒子束斑将仅集中在边缘很小一块区域，发生符合事件的α射线在气体正比探测器中轨迹大致相同，如图4c所示。
[0049]
其次，进行符合判断，当放射源的照射区域被限制在很小区域后，气体正比探测器内沉积能量及符合事件发生区域都有明显变化，增加屏蔽层后气体正比探测器中沉积能谱低能区基本无计数，符合事件发生区域明显变窄如图6a和图6b所示。如某条α射线被源自吸收掉部分能量，这时半导体探测器中能量就会变少，此时只选用半导体探测器能量在图3虚线以上的符合事件(即选择大于峰高能端一半处的符合事件)，即可将发生明显能量自吸收的α射线产生的符合事件剔除。
[0050]
最后，气体内沉积能量，通过对上步选择的符合事件统计，半导体探测器中沉积能量平均值约为4.755mev，根据公式(2)在气体正比探测器中沉积能量平均值为731kev，但由“3
he夹心谱仪正比室探测器输出幅度补偿方法(中国专利cn107340533a)”可知，由于α粒子轨迹上各点距气体正比探测器阳极丝距离不同，实际输出幅度会有一定衰减，用该方法中
原电离距阳极丝距离与实际输出计算方法，可计算出实际测量幅度对应α粒子输出实际能量相当于647kev。对所有符合事件的气体正比探测器道址求平均，该平均道址对应能量既为647kev。同理可采用脉冲发生器产生系列单能信号刻度气体正比探测器对应adc的能量零点，利用零点及计算出的eg可线性拟合出气体正比探测器能量计算公式(4)，完成气体正比探测器能量刻度。eg为气体正比探测器沉积能量，ch为气体正比探测器adc道址，a2，b2为拟合常数。
[0051]eg
＝a2 b2ch
ꢀꢀ
(4)
[0052]
基于上述描述，本发明提供的基于厚放射源实现气体正比探测器能量刻度的方法具体包括以下步骤:
[0053]
步骤一、搭建符合测量系统，该符合测量系统能够同时测量气体正比探测器及半导体探测器的能谱并进行符合事件判断，一次符合事件包括一个半导体探测器信号和一个气体正比探测器信号，符合测量系统可确保这两个信号来自同一条刻度α射线；
[0054]
步骤二、限制放射源在半导体探测器上的照射面积，使能产生符合事件的α射线在气体正比探测器中具有大致相同的射程；
[0055]
1.1)在气体正比探测器的阴极箱11设置放射源孔，用于放置放射源13，放射源孔在阴极箱11侧壁的中心处，即放射源与阳极丝12两端的距离相同；
[0056]
1.2)将放射源贴在阴极箱外侧，放射源头部凸起放置在放射源孔内，同时，在阴极箱内侧放置带小孔的屏蔽层，屏蔽层小孔中心与放射源孔中心的距离为h，h约为放射源的半径加小孔半径之和的1.2～1.5倍，使放射源只能照射到半导体探测器中线一侧区域，从而限值放射源的照射区域；
[0057]
步骤三、半导体探测器能量刻度；
[0058]
3.1)在真空条件下获取半导体探测器测量放射源放出α射线能谱；
[0059]
由于放射源较厚，自吸收较强，峰位可能向低能端移动，在真空条件下用α谱仪同时测量该放射源和薄膜面源能谱。如图2所示，较宽的峰为放射源测量数据，虚线光标处窄峰为薄膜源测量谱，因此可确定自吸收造成放射源峰位下移，实际峰位应在峰高能端一半的虚线光标位置处，该位置对应α射线能量为5.486mev；
[0060]
3.2)用脉冲发生器产生8～10个单能脉冲，通过单能脉冲幅度及adc道址线性拟合测得adc零点，采用adc零点和α射线能谱中的能量这两点再进行线性拟合完成半导体探测器能量刻度，得到拟合常数a1和b1，如公式(1)；
[0061]es
＝a1 b1ch
ꢀꢀ
(1)
[0062]
其中，es为半导体探测器沉积能量，ch为adc道址；
[0063]
步骤四、气体正比探测器充3he气体，采用步骤一中的符合测量系统进行测量，得到气体正比探测器与半导体探测器的符合事件；
[0064]
步骤五、在步骤四得到的符合事件中选取在半导体探测器中沉积能量大于峰高能端一半处的n个符合事件(即图3虚线的n个符合事件)，并对这n个符合事件的adc道址进行平均，随后将adc道址平均值带入公式(1)，获取半导体探测器的沉积能量平均值es′
；
[0065]
步骤六、将n个符合事件中气体正比探测器的道址进行平均，得到气体正比探测器的道址平均值，该道址平均值即对应气体正比探测器沉积能量eg；
[0066]eg
＝e
c-es′
[0067]
其中，ec为符合能量(
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amα射线5.486mev)。
[0068]
下面进行能量刻度验证，为了证实基于厚放射源实现气体正比探测器能量刻度的方法的可靠性，利用西安脉冲堆热柱开展了热中子能谱测量工作。在之前能量刻度设备基础上增加一路半导体探测器测量设备，如图7为设备电子学原理图。西安脉冲堆热柱提供良好慢化的热中子束流，出口中子束斑直径35mm，束斑内中子强度均匀，可覆盖整个气体正比探测器灵敏区。热中子与3he反应能为765kev，利用3he正比探测器实际测得热中子最终能量为760kev～770kev之间，同中子与3he反应能765kev符合一致，证明3he夹心谱仪中两个半导体探测器及一个气体正比探测器能量刻度正确，证实了该方法可靠性，如图8所示，图中距离权重修正曲线为利用“3
he夹心谱仪正比室探测器输出幅度补偿方法(中国专利cn107340533a)”专利方法修正后的最终数据，其峰位表示热中子与3he反应能。