辐射探测实验四实验报告

时间：2025-02-23

半导体α谱仪测量铝箔厚度实验报告

2010011739

【摘要】本实验使用的放射源为241Am，利用其衰变放出的能量为5.486 MeV的α粒子进行厚度测量，通过使用精密脉冲发生器结合多道分析仪对金硅面垒半导体探测器α谱仪进行能量刻度，利用α谱仪能量损失测量薄箔厚度，并从谱仪能量分辨率的角度讨论了测量的主要不确定度。

关键词：半导体α谱仪精密脉冲发生器能量线性刻度铝箔厚度一、

半导体α谱仪：

号按幅度的分布，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，探测器要放在真空中。另外金硅面垒探测器一般具有光敏的特性，在使用

实验使用的半导体α谱仪系统结构如图1所示。

金硅面垒探测器是用一片N型硅，蒸上一薄薄的金层(100-200 Å)，接近金层的那一层硅具有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。过程中，应有光屏蔽措施。金硅面垒型半导探测器工作时加反向偏压。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量脉冲信

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。

图1 α谱仪系统示意图

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和半导体材料有关，与入射粒子的类型和能量无关。对于硅，在300 K时，W为3.62 eV，77 K时为3.76 eV。对于锗，在77 K时W为2.96 eV。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全部损失其中，产生的总电荷量Q等于

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收集，输出一个电流脉冲，它在持续时间内的积分等于总电荷量Q。当探测器输出回路时间常数

电子空

穴对收集时间时，输出电压脉冲幅度。 VQQQ

C C , 0Cd i C'C1 Ci

式中C1 Cd C'。其中Cd是探测器结电容，Ci是前放输入电容，C'是分布电容。当C0不变时V0 Q。但Cd与所加反向偏压有关，任何偏压的微小变化或实用中有时要根据被测粒子射程而对偏压进行适当的调节，都会使输出脉冲幅度(对同一个Q)变化，这对能谱测量不利，因此半导体探测器都采用电荷灵敏前置放大器，见图2。其中

K是放大器的开环增益，Cf是反馈电容，

放大器的等效输入电容为(1 K)Cf。只要

图2 电荷灵敏前置放大器

KCf Cd C'，就有：

VKQ0

（1）

1 (1 K)CfCf

这样，输出脉冲幅度就与结电容无关。只要探测器结区厚度大于α粒子在其中的射程，输出幅度就与入射粒子能量有线性关系。二、

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与探测器偏压V的关系如下：

dn 0.5(PnV)(μm) （2）

Cd 2.1 104(PnV) (μμF/cm2)（3）

其中Pn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相当于减

少噪声，增加信号幅度，提高了信噪比，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。因此为了得到最佳的能量分辨率，探测器的偏压应选择最佳范围。事实上，分辨率不仅与偏压有关，还与源到探测器之间是否为真空、实验中我们观察示波器在抽和不抽真空是的波形，如图3，

4.52V

3.24V

放大器电路时间参数有关。本实验中通过测

量不同情况下α谱线的能量分辨比较得出最佳的工作状态。

首先我们研究是否加偏压对下α谱线的能量分辨的影响，在α谱仪套筒内不抽真空的条件下，对比结果如表1-1所示：

表1-1 偏压—能量分辨率测量值表

工况（不抽真空）

能量分辨率（%）

偏压50V 5.10 零偏压

6.78