半导体a谱仪实验报告

实验6：半导体α谱仪

实验目的

1．了解α谱仪的工作原理及其特性。

2．掌握应用谱仪测量α粒子能谱的方法。

3．测定241Am核素的α衰变的相对强度。

内容

1．调整谱仪参量，测量不同偏压下的α粒子能量，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α源的能谱，并确定α粒子能量。

原理

半导体α谱仪的组成如图1所示。

金硅面垒探测器是用一片N型硅，蒸上一薄层金（100-2000

A），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。α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α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α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，损失能量产生电子空穴对。形成一对电子空穴所需的能量w，与半导体材料有关，与入射粒子的类型和能量无关。对于硅，在300K时，w为3.62eV，77K时为3.76eV。对于锗，在77K时w为2.96eV。若灵敏区的厚度大于入射

粒子在硅中的射程，则带电粒子的能量E 全部损失在其中，产生的总电荷量Q 等于

e w E )/(。w 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d C 是探测器偏压的函数，如果核辐射在探测器中产生电荷量为Q ，那么探测器输出脉冲幅度是d C Q /。因此，由于探测器偏压的微小变化所造成的d C 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近种微小变化。此外，根据被测粒子的射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越着重要的作用。图2表示典型探测器的等效电路和前置放大器的第一级。其中一K 是放大器的开环增益，f C 是反馈电容，1C 是放大器的总输入电容，它等于

'',C C C d +是放大器插件电缆等寄生电容。前置放大器的输入信号是d C Q /，它的等

到效输入电容近似等于f KC ，只要1C KC f >>，那么前置放大器的输出电压为

f

f C Q

C K C KQ V -

=++-

=)1(10 （ 1 ）

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d C 无关。

1.

确定半导体探测器偏压

对N 型硅，探测器灵敏区的厚度n d 和结电容d C 与探测器偏压V 的关系如下：

)()(5.02

`

1m V d n n μρ≈

（ 2 ）

)/()(101.222

14cm F V C n d μμρ-

?= （

3 ）

其中n ρ为材料电阻率（)cm ?Ω。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它的外接电容。因此提高偏压降低电容可以相当地减少噪声，增加值号幅度，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，探测器的漏电流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α谱线求得。如图3所示。并由此实验数据，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4、图5。分析以上结果，确定出探测器最佳偏压值。

2. α谱仪的能量刻度和能量分辨率

谱仪的能量刻度就是确定α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。α谱仪系统的能量刻度有两

种方法：

（1） 用一个239

Pu 、241

Am 、244

Cm 混合的α刻度源，已知各核素α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 E +=

（ 4 ）

E 为α粒子能量（keV ）。d 为对应E 谱峰所在道址（道）。G 是直线斜率（keV/每道），称为刻度常数。

0E 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。

（2） 一个已知能量的单能α源，配合线性良好的精密脉冲发生器来作能量刻度。这是在α源种类较少的实验条件下常用的方法。

一般谱仪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），测量求知能量α谱。根据能量刻度曲线就可以确定α粒子的能量。常用α谱仪的刻度源能量可查核素常用表。

α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，谱仪的能量分辨率还用能量展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502m m ，测得

241

Am 源

的5.48MeV 的α粒子谱线宽度为17keV(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①产生电子空穴对数和能量损失的统计涨落)(n E ?；②探测器噪声

)(D E ?；③电子学噪声，主要是前置放大器的噪声)(c E ?；④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)(s E ?。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

()

2

/122

2S

e D n E E E E E ?+?+?+?=? （ 5 ）

3. 用偏置放大器来扩宽能谱,测量241

Am 的α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α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α峰（例如241

Am ），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。在图1的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。

241

Am 的衰变图如图6，其衰变时放出的α粒子有五种能量。

由实验测出

241

Am 的α谱如图7。直接由多道脉冲分析器求出第i 个能量峰的总计

数i S 。由总的衰变率∑=

i

i

S

S γ，求出

241

Am 各个能量α粒子的相对强度

α。

S

5

=i

S

1

,

/-

=

iγ

i

装置

简易α谱仪全套，FH1903，1台；

精密脉冲放大器，FH1013，1个；

1024道脉冲幅度分析器，FH451，1台；

示波器、机械泵，各一台；

金硅面垒探测器，GM-8-Ⅲ-A，1块；

放射源：239Pu、241Am、244Cm混合刻度源，一个；

210Po、239Pu、241Am电沉积α源各一各。

步骤

1．连接仪器如图1，将α源（210Po）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α谱，改变偏压为5、10、30、60、100、120伏分别测量不同偏压下的α谱线，确定最佳偏压值。

3．测量239Pu、241Am、244Cm混合α刻度源的能谱。作出能量刻度曲线，用最小二乘法直线拟合，求出G和E o。并利用241Am谱峰的半宽度，确定谱仪的能量分

辨率（keV）。在同样测量条件下测出未知α源的能谱。

4．用一个已知能量为5.48MeV的241Am α源和精密脉冲发生器来作谱仪能量刻度。

所有实验曲线半宽度以上各点的相对误差要求小于5%。

实验数据处理与分析

1）对于241Am ，确定最佳偏压：

由上表可以知道当施加偏压后峰位的峰位道址增加，当电压偏压加到60v 的时候计数率变化的不大，趋于饱和，分辨率也差不多不变。从表中数据可看出金硅面垒型探测器的能量分辨率很高。

本次试验所选取的偏压为60v 。

2）对于241Am ，偏压为60v 时的测量：测量时间Δt=921s

3）对239Pu 的能谱进行测量：测量时间Δt=925s

观察可以发现239Pu 的二号峰的道址为2832与241Am 的一号峰（主峰）道址一样，但其计数与241Am 相比却很低（计数时间很接近），可以说明所谓的其二号峰是241

Am 发射出的射线，并不是其发出的射线，这可能是由于239Pu 含有少量杂质的241Am 导致的，应当将其二号峰舍去。

4）能量刻度

偏压/v

Δt/s

峰位计数

峰位计数率

峰位道址

左半高宽道址 右半高宽道址

FWHM

η

0 702.00 710.00 1.0114 2328.00 2303.80 2362.00 58.20 2.500% 6 358.00 1082.00 3.0223 2806.00 2797.75 2813.00 15.25 0.543% 12 310.00 1094.00 3.5290 2816.00 2809.50 2822.50 13.00 0.462% 30 340.00 1304.00 3.8353 2823.00 2818.00 2831.00 13.00 0.461% 60 291.00 1038.00 3.5670 2829.00 2820.50 2833.50 13.00 0.460% 90 239.00 904.00 3.7824 2832.00 2824.00 2836.50 12.50 0.441% 120 318.00 1237.00 3.8899 2832.00 2823.00 2836.50 13.50 0.477%

峰位计数

道址 峰的范围 能谱总面积 各峰的面积 各峰面积所占比例

一号峰（主峰） 3174

2832 2845至2813 59431 43421 73.06%

二号峰 407 2802 2813至2786 10286 17.31%

三号峰 124 2778 2786至2744 3073 5.17%

峰位计数

道址 一号峰（主峰） 239

2660 二号峰 46

2832

道址 对应的能量/Mev

241

Am 一号峰 2832 5.486 239

Pu 一号峰 2660 5.155

对以上表格的数据进行线性拟合得到如下数据与图：

Linear model Poly1: f(x) = p1*x + p2 Coefficients:

p1 = 0.001924 p2 = 0.03605

Goodness of fit: SSE: 3.944e-030 R-square: 1

Adjusted R-square: NaN RMSE: NaN

令道址为X ，能量为Y ，可得其关系式为：0.036050.00192X Y += 可到241

Am 的子峰

对应的能量为：

道址 对应的能量/Mev 能量理论值/Mev

相对误差

二号峰 2802 5.41589 5.443 -0.498%

三号峰 2778 5.36981

5）实验误差分析

实验偏压必须足够大，使得a 射线能量沉积完全，同时使结电容的大小降低以提高信噪比，但与此同时使得探测器的漏电流的变大。能量分辨率有所影响。误差主要来自计数统计涨落，高斯波形成形不好，很难判断峰值位置。

实验思考题

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6伏，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）？

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．为了研究影响谱仪能量分辨率的主要因素，根据，如何从实验上分别测出探测器及电子学噪声对谱线所造成的展宽？

1）偏压变大，使得a射线能量沉积的越来越多，到达一定时，趋于饱和。所以脉冲幅度是先迅速增加后平缓。对于能量分辨率，偏压增大，结电容减小，提高信噪比，但是偏压达到足够大时，漏电流也增加。因此能量分辨率曲线是先减后平缓。

2）峰值对应电压幅度6v，η=0.3%，电压幅度的FWHM=18mv，道宽要小于18mv，道址至少要有333道，取1024道。

3）要保证本底一样，既漏电流一样，结电容一样。

4）首先使脉冲发生器发出的幅度大小与已知源的峰值对应的幅度一样记下道址，然后将脉冲发生器发出的的幅度减半，然后将其对应的道址记下为源的峰值对应能量的一半然后进行能量刻度。

5）没有源，测本底展宽。