HPGe高纯锗谱仪实用培训课件

1,HPGe谱仪培训内容,HPGe物理基础 HPGe谱仪的安装 Maestro-32/GammaVision软件的安装 系统参数设置 相对测量法 全谱刻度法,2,衰变,衰变：原子核从激发态通过发射光子(射线)或其他过程跃迁到较低能态的过程。该过程核电荷数不变、核子数不变。 衰变特点： 从原子核中发射出光子 常常在 或 衰变后核子从激发态退激时发生 产生的射线能量不连续 可以通过测量光子能量来鉴定核素种类,3,放射性活度及其单位,活度：单位时间内发生衰变的原子核数(每秒钟的衰变)。 国际单位：贝克（Bq)，1Bq = 1衰变/s。 旧单位：居里（Ci)，1Ci = 3.71010Bq 比活度：单位质量(或体积)样品放射性活度。 浓度：单位体积的液体或气体的放射性活度。,4,放射性衰变基本规律,指数衰减：放射性核素的放射性按照时间的指数形式衰减。 定义： 则： 为衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。,5,Co60衰变纲图,6,高纯锗基本类别,7,e-,h,p 型锗,p+ (B implantation),n+ (Li drifted),P型锗信号收集,8,h,e-,n 型锗,n+ (Li drifted),p+ (B implantation),N型锗信号收集,9,整流接触,E - 电场强度 x - 距整流接触的距离 D - 晶体厚度,接触极的类型: p+ 接触 - 硼离子注入 n+ 接触 - 扩散Li p+ B 注入 - 厚度0.3µm n+ Li 扩散- 厚度600µm 接触的位置: 总是选择外表面为整流接触。 距整流接触越近，电场越强。 耗尽区随着外加电压的增加从外向内扩散，当达到耗尽电压时，正好扩散到内表面。,10,探测器和第一级信号处理,HV,探测器,FET,Rf,Cf,至前置放大器,11,能量分辨率,dE² = dE²(统计涨落) + dE²(电荷收集涨落) + dE²(电子学涨落) dE(统计涨落) = SQRT(2.35² * F * * E) - 1.32 keV (Co60) E = 射线能量 = 平均电离能 = 2.96eV F = 法诺因子 = 0.08 dE(电荷收集涨落) = dE (E, volume) - 1.7 keV (Co60) dE(电子学涨落) = dE (volume) - 1 keV = 2.3 keV,12,时间特性,v(e-) = vmax(e-) E = 105 V/m v(hole) = vmax(hole) E = 3*105 V/m vmax(e-) = vmax(hole) 1cm/100nsec = 获得最快的上升时间可通过施加非常高的电压来实现 脉冲的形状和上升时间与载流子在探测器的灵敏体积中形成的位置有关。当探测器受到大面积照射时，电子空穴生成的位置大体上是随机分布的。,注意: 脉冲形状问题可通过使用恒比甄别器来解决。,13,峰形,峰形参数： 高斯分布 FW.1M / FWHM = 1.823 FW.02M / FWHM = 2.376 存在托尾的高斯分布 : 真实的探测器 FW.1M / FWHM 2 FW.02M /FWHM 3 存在托尾的原因: 载流子的不完全收集 电子的轫致辐射损失,14,射线与物质的相互作用,射线与物质相互作用，可以有许多种方式。当射线能量在30MeV以下时，在所有相互作用方式中，最主要的三种是： 光电效应 (数百keV以下) 康普顿散射 (数百keV至5 MeV) 电子对效应 (5至10 MeV),15,光电效应,光子的全部能量转移给原子中的束缚电子(通常为K壳层上的电子) 自由电子的能量和动量守恒 : h = ½ me-ve-2 and h / c = me-ve- = 束缚电子的能量和动量守恒 : h = ½ me-ve-2 + Ebind and h / c = me-ve- + matom vatom = Ebind （结合能）取决于原子序数Z，一般为几个keV至数十keV 光电效应截面正比于Z5 = Ge (Z=32) 的光电截面远大于Si (Z=14) 结合能将以特征X射线形式释放出来或发出俄歇电子 = 光电子和俄歇电子在HPGe中产生电子-空穴对。,16,光电效应- 谱图,17,康普顿效应,入射光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来， 而光子的运动方向和能量都发生了变化，成为散射光子。 h = h / ( 1 + h / m0c2 * (1 - cos ) ) with m0c2 = 0.511keV = 0 光子能量没有损失 = 180° 称反散射，散射光子能量为最小值，而反冲电子的动能达到最大值。 h = h / ( 1 + 2 h / m0c2 ) 用极座标表示的微分散射截面 与散射角度、能量的关系 入射光子能量越高,散射光子越是朝前向散射,18,康谱顿效应- 谱图,19,电子对效应,只有当入射光子能量E 2 * me- * c2 (1.02 MeV)，才能发生电子对效应。入射光 子的能量除一部分转变为正-负电子对的静止能量(1.02 MeV)，其余就作为它们的 动能。 Ee- + Ee+ = h 2 m0c2 正负电子在吸收物质中逐渐损失能量。另外，当正电子动能消耗殆尽时，它就与晶 体原子中的电子产生湮灭作用，转化为二个光子。 e+ + e- 2h 湮灭光子能量可能会全部消耗在晶体中，也可能有有一个或全部逃逸出晶体。,20,存在屏蔽物时的探测器响应,X射线峰 射线与周围物质的原子发生光电效应，可以发出X射线。例如， 射线在屏蔽层铅中作用可引起铅的88keV的X射线。原子序数越高产生的X射线能量越高,所以低本底测量中采用分层屏蔽。 反散射峰 入射光子在周围材料上产生的180°方向的反散射光子所引起的。它的能量随入射光子的能量变化不大,通常在200keV左右。 湮灭峰 较高能射线在周围物质材料中通过电子对效应产生的正电子湮没时,放出两个0.511MeV的光子可能有一个进入晶体。,21,探测器响应谱图,全能峰,康普顿本底,多重康普顿效应,单逃逸峰,双逃逸峰,湮灭峰,反散射峰,X射线峰,511 keV,hv 1022 keV,hv 511 keV,hv, 200 keV,22,2、 HPGe谱仪的安装,2.1 HPGe谱仪系统组成 2.2 系统设备到货清单 2.3 铅室安装 2.4 探测器及谱仪安装,23,2.1 HPGe谱仪系统组成,低本底铅室 探测器及致冷系统 数字化谱仪 谱分析软件,24,探测器及致冷系统,液氮致冷系统,电致冷系统,高纯锗探头,25,数字化谱仪,26,谱仪特性,27,2.2 系统设备到货清单,传统液氮制冷型设备，含以下部件： 1）、主探测器冷指延长棒（长条木箱包装）； 2）、原装30L液氮罐（100cm*40cm*40cm 纸箱）； 3）、数字化谱仪及其配件（AMETEK 标识纸箱）； 4）、铅室主体腔室（大型木箱）； 5）、铅室支架及铅塞（塑料膜包装）； 6）、其它配件（仅限额外采购部分）。,28,到货包装相关图片,探头冷指延长棒,原装30L液氮罐,29,到货包装相关图片,注： 1）箱子有AMETEK 标识； 2）纸箱的尺寸根据订购数字化谱仪的型号决定。一般Dspec-jr 2.0/Dspec-LF/Dspec-Pro/Digidart 等型号谱仪箱子较小；Dspec-50 /502 箱子较大。,数字化谱仪及配件,30,到货包装相关图片,铅室主体腔室,铅室支架及铅塞,铅塞,31,2.3 铅室安装,安装工具包括： 1）木箱拆卸工具，如扳手、一字螺丝刀等； 2）地牛拖车（载重1.5吨以上）； 3）手摇起吊插车（载重1.5吨以上）； 4）吊带及其固定螺栓。,32,工具相关图片,地牛拖车,手动插车,吊带及其固定螺栓,33,铅室安装过程,1）用起吊插车将铅室主体腔室吊高80cm。,34,铅室安装过程,2）将铅室主体腔室落于支撑架上。 注： 铅室主体落在四个固定螺钉中； 铅室正面标签与支架开口方向一致；,35,铅室安装过程,3）用地牛将铅室置于恰当位置。 铅室安装完毕！,36,2.4 探测器及谱仪安装,1、将HPGe探头部分的冷指穿过液氮传输后插入液氮罐中，冷却至少6小时；若系统配备铅室，需先将数据线穿过铅室底部通道。 2、连接探头部分和高压DIM盒部分的电缆。 3、连接高压DIM盒和数字化谱仪。 4、连接数字化谱仪的电源线（检查电源是否为220V）。 5、连接数字化谱仪和计算机。,37,安装HPGe探测器,1、将上图中的金属套圈（2）放置于橡胶液氮传输部分（3）上，两部分一起放置于液氮杜瓦上，用图中的金属螺丝穿过金属套圈和橡胶圈至杜瓦的金属端口，上紧螺丝，固定此两部分。,2、调整冷指上金属项圈（1）的位置后固定该项圈的螺丝，其作用是做为支撑落在左图金属套圈上，固定探测器于一定的高度。,置于液氮中的冷指的状态,1,2,3,1 2 3,液氮杜瓦,安装HPGe探测器,冷指通道,1、将探头上的数据线或者SMART-1高压盒 穿过左图中的铅室冷指通道； 2、将冷指穿过铅室的冷指通道进而插入液 氮罐中。,39,连接探头和DIM盒的电缆,如图是普通的数据线连接DIM盒高压模块的示意图。从1)到6)分别为： 13针电源/信号线；9针前放电源线；高压自保护信号线； 探头的高压线；前放输出信号线；快前放系统配备的Inhibit线。,DIM盒高压模块,ORTEC高纯锗探头均设置两个信号输出端口（output1/output2），以满足有些用户的能量和定时两个信号的需要。,40,SMART-1集成模块的电缆,连到数字化谱仪,SMART-1高压/数据集成模块， 显示前放所需要的偏压；探头的温度； 探头的被加载的高压值；探头的高压状态；探头是否过载；探头的高压保护状态；探头的序列号；探头的授权号等； 这些信息可以显示在数字化谱仪的液晶显 示屏上（如DSPEC-jr or DSPEC-jr 2.0, DSPEC-PRO等带有液晶显示屏的数字化谱仪）,连接简单方便，只需和数字化谱仪唯一的信号线对接即可，连接处用螺丝固定 避免电缆的不正常中断造成系统的损伤。尤其适合用于野外和现场测量的系统。,41,数字化谱仪的连接,右图是实验室常用的数字化谱仪 DSPEC jr 2.0的后面板的图示。,连接12-15V DC的电源接口,两种和计算机通讯方式: RS-232以及USB。,连接探头的接口，一般是10个小接口， 3个大接口（一边一个，另一边两个）， 只有一种方式可以接入，因此不会发生 连接错误。,注意：在探头被加高压时，切忌断开 探头与数字化谱仪的连接或者断开数 字化谱仪的电源，否则容易造成探头 的工作状态发生变化，分辨率变差。,42,3、 MAESTRO软件的安装,ORTEC 公司为其高纯锗谱仪提供两种软件： 1、MAESTRO 基础采谱软件，可满足核素识别及简单定量测量需求。用户可以后续开发软件进行谱分析。该软件随机附带。 2、GammVision 谱分析软件，满足用户核素识别、定量分析、复杂谱分析等需求。该软件需另行购买，并业已推出中文版本。 以下内容降逐一详细介绍！,43,3.1 Connect-32连接驱动的安装,把驱动程序光盘放入光驱， 双击光驱图标，会显示如下信息：双击Connections setup.exe