CN110501740A - 一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法 - Google Patents
一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，本发明使用修正后的探测器参数计算点源的探测效率，拟合出点源对探测器效率函数，用大体积的HPGe作主探测器不但有利于低活度样品的测量，同时有助于改善反康普顿γ谱仪的性能，因此，γ谱仪的最小可探测活度值是与探测效率成正比，即探测效率越高，得到的最小可探测活度值越低，相对效率最大可达100％，同时可以根据用户应用需要更换不同类型的探测器，满足客户特殊使用要求，γ光子的计算值与实验值误差的平均值之间存在线性关系，只需求得γ光子与各测量点的计算与实验效率相对误差平均值之间关系。本发明解决了HPGe探测器对低活度样品探测不精准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及HPGe探测器技术领域，具体涉及一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法。
背景技术
宇宙射线对本底的贡献除直接进入或穿过探测器并在探测器期内产生信号外，他在屏蔽材料里还会产生大量的高能电子、韧致辐射。湮没光子、介子X射线及中子等。天然和人造放射性核素既能在测量装置的周围产生放射性本底，也可能存在与屏蔽材料、探测元件和探测器结构材料之中而产生放射性本底。
探测器拥有精锐的能量分辨率，由其组成的γ和X射线能谱测量技术与产品，不仅是核结构、分子物理、原子碰撞等核物理与核反应研究的重要工具，而且在核电、环境、检验检疫、生物医学、天体物理与化学、地质、法学、考古学、冶金和材料科学等诸多科学与社会领域得到了越来越广泛的应用，壁厚约10cm左右的铅屏蔽室可以将周围环境的γ本底和宇宙射线的软成分屏蔽掉。但是对于贯穿性很强的宇宙射线的硬成分，这种屏蔽室的作用就显得太无力了。采用反符合技术可以降低宇宙射线的硬成分所造成的本底。因此人们用环境探测器将普通γ谱仪的探测器包围起来，在普通γ谱仪的电子学线路中加上反符合线路，这就是反康普顿γ谱仪。但是，在HPGe探测器对宇宙射线探测时，常常因为外界多种因素导致探测低活度样品不准确，为此，我们设计一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，解决了HPGe探测器对低活度样品探测不精准的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，所测的放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量响应范围从10KeV-10MeV；
步骤(B)，根据γ和X射线的探测，通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子；
步骤(C)，在吸收物质中，主要产生三种不同类型的相互作用，光电效应、康普顿效应或电子效应；
步骤(D)，根据步骤(C)在吸收物质完成后，产生的次级电子再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量；
步骤(E)，根据步骤(C)在吸收物质中出现的光电效应，光电效应中γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，并记录该全能峰的数值；
步骤(F)，谱仪放大器将该电荷脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器中将输入信号根据其电荷脉冲幅度转变成一组数字信号；
步骤(G)，将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析，通过特定硬件和软件区分级联效应和康普顿散射效应得到HPGe探测器的得到结果。
前述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，步骤(A)，对放射性核素产生的γ光子和X射线数学推导，
μw是探测器窗的线性吸收系数，w是γ射线在探测器窗中的径迹长度，μ是锗的线性吸收系数，d是γ射线在锗晶体死层中的径迹长度，l是γ射线在锗晶体有效区域中的径迹长度，τ是γ射线在锗晶体中光电效应的作用截面，σ是γ射线在锗晶体中康普顿散射的作用截面，κ是γ射线经康普顿散射后能量全部沉积在晶体中的概率。
前述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，步骤(B)，γ光子与探测器中的半导体原子的电子相互作用时，将部分能量传递给电子，剩余能量的γ光子以一定的角度散射出去，成为康普顿散射。
前述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，步骤(C)，所述光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，所述康普顿效应为散射光中除了有原波长λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化，所述电子效应为在大多数反应中，由于取代基倾向于给电子或是吸电子，使分子某些部分的电子密度下降或上升，使反应分子在某个阶段带有正电荷或负电荷的效应。
前述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，步骤(E)，康普顿效应的结果会导致在低能部分的全能峰下方形成康普顿坪，成为相关能量峰的本底或甚至淹没此能量峰，本方法可以降低该康普顿坪，提高相关能量峰的探测效率。
前述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，步骤(F)，模数变换器中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号,在数字化的传输系统中，通常需要将模拟的脉冲幅度编码成数字信号后再进行传输，编码过程中常用的技术是脉冲编码调制技术。
前述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，步骤(G),由相关软件形成谱图并进行分析，探测器晶体初始尺寸所建立模型进行探测效率计算时σ”＝[(ε”com-εexp)/εexp]×100％，σ”是γ射线在锗晶体中康普顿散射的作用截面的二阶倒数，εexp表示修改前计算效率，ε”com表示计算机修改后模型计算效率。
本发明的有益效果是：本发明使用修正后的探测器参数计算点源的探测效率，拟合出点源对探测器效率函数。用大体积的HPGe作主探测器不但有利于低活度样品的测量，同时有助于改善反康普顿γ谱仪的性能。因此，γ谱仪的最小可探测活度值是与探测效率成正比，即探测效率越高，得到的最小可探测活度值越低，相对效率最大可达100％，同时可以根据用户应用需要更换不同类型的探测器，满足客户特殊使用要求，γ光子的计算值与实验值误差的平均值之间存在线性关系，只需求得γ光子与各测量点的计算与实验效率相对误差平均值之间关系，解决了HPGe探测器对低活度样品探测不精准的问题。
附图说明
图1是本发明的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，所测的放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量响应范围从10KeV-10MeV；
步骤(B)，根据γ和X射线的探测，通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子；
步骤(C)，在吸收物质中，主要产生三种不同类型的相互作用，光电效应、康普顿效应或电子效应；
步骤(D)，根据步骤(C)在吸收物质完成后，产生的次级电子再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量；
步骤(E)，根据步骤(C)在吸收物质中出现的光电效应，光电效应中γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，并记录该全能峰的数值；
步骤(F)，谱仪放大器将该电荷脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器中将输入信号根据其电荷脉冲幅度转变成一组数字信号；
步骤(G)，将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析，通过特定硬件和软件区分级联效应和康普顿散射效应得到HPGe探测器的得到结果。
优选的，步骤(A)，对放射性核素产生的γ光子和X射线数学推导，
μw是探测器窗的线性吸收系数，w是γ射线在探测器窗中的径迹长度，μ是锗的线性吸收系数，d是γ射线在锗晶体死层中的径迹长度，l是γ射线在锗晶体有效区域中的径迹长度，τ是γ射线在锗晶体中光电效应的作用截面，σ是γ射线在锗晶体中康普顿散射的作用截面，κ是γ射线经康普顿散射后能量全部沉积在晶体中的概率。
优选的，步骤(B)，γ光子与探测器中的半导体原子的电子相互作用时，将部分能量传递给电子，剩余能量的γ光子以一定的角度散射出去，成为康普顿散射。
优选的，步骤(C)，所述光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，所述康普顿效应为散射光中除了有原波长λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化，所述电子效应为在大多数反应中，由于取代基倾向于给电子或是吸电子，使分子某些部分的电子密度下降或上升，使反应分子在某个阶段带有正电荷或负电荷的效应。
优选的，步骤(E)，康普顿效应的结果会导致在低能部分的全能峰下方形成康普顿坪，成为相关能量峰的本底或甚至淹没此能量峰。
优选的，步骤(F)，模数变换器中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号,在数字化的传输系统中，通常需要将模拟的脉冲幅度编码成数字信号后再进行传输，编码过程中常用的技术是脉冲编码调制技术。
优选的，步骤(G),由相关软件形成谱图并进行分析，探测器晶体初始尺寸所建立模型进行探测效率计算时σ”＝[(ε”com-εexp)/εexp]×100％，σ”是γ射线在锗晶体中康普顿散射的作用截面的二阶倒数，εexp表示修改前计算效率，ε”com表示计算机修改后模型计算效率。
综上所述，本发明使用修正后的探测器参数计算点源的探测效率，拟合出点源对探测器效率函数。用大体积的HPGe作主探测器不但有利于低活度样品的测量，同时有助于改善反康普顿γ谱仪的性能。因此，γ谱仪的最小可探测活度值是与探测效率成正比，即探测效率越高，得到的最小可探测活度值越低，相对效率最大可达100％，同时可以根据用户应用需要更换不同类型的探测器，满足客户特殊使用要求，γ光子的计算值与实验值误差的平均值之间存在线性关系，只需求得γ光子与各测量点的计算与实验效率相对误差平均值之间关系，解决了HPGe探测器对低活度样品探测不精准的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，所测的放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量响应范围从10KeV-10MeV；
步骤(B)，根据γ和X射线的探测，通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子；
步骤(C)，在吸收物质中，产生三种不同类型的相互作用，分别包括光电效应、康普顿效应或电子效应；
步骤(D)，根据步骤(C)在吸收物质完成后，产生的次级电子再引起物质的电离和激发，形成电荷脉冲，电荷脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量；
步骤(E)，根据步骤(C)在吸收物质中出现的光电效应，该光电效应γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，并记录该全能峰的数值；
步骤(F)，谱仪放大器将该电荷脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器中将输入信号根据其电荷脉冲幅度转变成一组数字信号；
步骤(G)，将该组数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析，通过特定硬件和软件区分级联效应和康普顿散射效应得到HPGe探测器的探测结果。
2.根据权利要求1所述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：步骤(A)，对放射性核素产生的γ光子和X射线数学推导，
μw是探测器窗的线性吸收系数，w是γ射线在探测器窗中的径迹长度，μ是锗的线性吸收系数，d是γ射线在锗晶体死层中的径迹长度，l是γ射线在锗晶体有效区域中的径迹长度，τ是γ射线在锗晶体中光电效应的作用截面，σ是γ射线在锗晶体中康普顿散射的作用截面，κ是γ射线经康普顿散射后能量全部沉积在晶体中的概率。
3.根据权利要求1所述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：步骤(B)，γ光子与探测器中的半导体原子的电子相互作用时，将部分能量传递给电子，剩余能量的γ光子以一定的角度散射出去，成为康普顿散射。
4.根据权利要求1所述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：步骤(C)，所述光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电，所述康普顿效应为散射光中除了有原波长λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化，所述电子效应为在大多数反应中，由于取代基倾向于给电子或是吸电子，使分子某些部分的电子密度下降或上升，使反应分子在某个阶段带有正电荷或负电荷的效应。
5.根据权利要求1所述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：步骤(E)，康普顿效应的结果会导致在低能部分的全能峰下方形成康普顿坪，成为相关能量峰的本底或甚至淹没此能量峰。
6.根据权利要求1所述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：步骤(F)，模数变换器中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，在数字化的传输系统中，通常需要将模拟的脉冲幅度编码成数字信号后再进行传输，编码过程中常用的技术是脉冲编码调制技术。
7.根据权利要求1所述的一种本底数字化反康反宇宙射线谱仪HPGe探测器探测方法，其特征在于：步骤(G)，由相关软件形成谱图并进行分析，探测器晶体初始尺寸所建立模型进行探测效率计算时σ”＝[(ε”com-εexp)/εexp]×100％，σ”是γ射线在锗晶体中康普顿散射的作用截面的二阶倒数，εexp表示修改前计算效率，ε”com表示计算机修改后模型计算效率。
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