半导体α谱仪测量铝箔厚度实验报告

2010011739

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【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

W

e，E

W

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

0

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

C

Q

（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

显然有偏压时谱线能量分辨率更好。

我们再研究简易α谱仪套筒内抽真空与否对α谱线的能量分辨的影响，对比结果如表1-2所示：

表1-2 真空—能量分辨率测量值表

工况（偏压50V）

能量分辨率（%）

不抽真空 5.10 抽真空

0.741

可见抽真空之后谱线的能量分辨率大大提高，这是因为α粒子在空气中的射程很短，一般只有数个厘米，这对于探测器探测是很不利的，存在空气时不仅影响探测能量的峰位，也造成了探测能量的展宽。

图3 示波器波形

可以看出不抽真空是探测器输出的电压脉冲幅度明显小于抽真空，而这部分损失的能量其实就是α粒子穿过空气损失的能量。多道呈现出来的变化也是由于这个原因。所以探测α能谱时一定要抽真空。接下来我们就在抽真空的条件下再对偏压的大小和放大器时间参数对能量分辨率的影响进行具体研究。对比结果如表1-3所示：

表1-3 能量分辨率影响因素对比 偏压/V

30

50

60 90 0.5,0.5[ 1 ] 0.743 0.741 0.742 0.795 1,1

0.76

N.A.

0.866

0.764

[ 1 ]表示放大器的积分常数、微分常数均为0.5，

下同。

综上比较，我们筛选出最佳的工作状态为：简易α谱仪套筒内抽真空且放大器积分时间、微分时间常数均为0.5、偏压为50V。三、

α谱仪的能量刻度：

谱仪的能量刻度是确定α粒子能量与脉冲幅度之间的对应关系。

脉冲幅度大小以

谱线峰位在多道分析器中的道址来表示。本实验中我们用一个已知能量的单能α源（241Am，5.486 MeV），配合线性良好的精密脉冲发生器来作能量刻度。

实验得到的精密脉冲幅度和多道道址的对应关系如表2所示：

表2 幅度—道址关系表 幅度 2 3 4 峰位 571 946 1323 5.486 6 7 8 1887

2079

2457

2833

对表2中的数据进行线性拟合，如图4所示：

峰位

图4 拟合直线

拟合公式为：y 0.00256x 0.48974该式斜率和截距的标准不确定度分别为：1.8E-6、3.4E-3，相关系数r2

0.999998，线性相关性非常好。我们可以利用该式进行α谱仪能量刻度。

E 0.00256d 0.48974(MeV)（4）

在此条件下测得241Am源的5.486 MeV α谱线的半宽度为37.1keV，即谱仪的能量

分辨率 E 37.1keV（0.676%）。 四、

薄箔厚度测量：

天然放射性物质放出的α粒子，能量范围是3～8 MeV。在这个能区内，核反应截面很小，与原子核之间的卢瑟福散射概率也较小。所以与物质的相互作用主要是与核外电子的相互作用，结果是使原子电离或激发，α粒子则逐渐损失能量最终停止在物质中。由于α等重带电粒子的质量大大超过电子质量，它们通过物质的射程几乎接近直线。

带电粒子在吸收物质中单位路程上的能量损失即能量损失率

dE

dx

，也称为吸收物质对入射带电粒子的线性阻止本领。在带电粒子能量不很高时，近似可以用下式表示： dEdx 4 z2e4m2

NZ 常数

（5） 0 E

这里E，z，v分别是带电粒子的能量，原子序数及速度，m0，e是电子的静止质量

和电荷，N，Z是吸收物质单位体积的原子数和原子序数。

当α粒子穿过厚度为 X的薄吸收体后，能量由E1变成E2，可以写成

E E1 E2 (

dE

dx

) x （6） 其中(

dE

dx

)是平均能量的能量损失率。这样如果测定了α粒子的能量损失 E就可

以求得薄箔的厚度，当α能损较小时，

X

dE( dX) E

( dEdX) （7）

E1

幅度

可以由已知的( dE/dX)E E关系，用数值积分求得 X。事实上这里的 X就是两种能量的α粒子在该物质中的射程差。即：

D

X

8.8μm

D的不确定度主要来自α粒子能量的展宽以及能量—射程转化时拟合的不确定度，容易知道，α粒子能谱的半高宽为37.1keV，即

X R1 R2 （8）

这样，如果己知α粒子在Al中的能量—射程关系，就很容易由实验测得的 E求得薄箔厚度。

实验测得加入薄箔之后，多道峰位位于1317道，由式（4）计算可得对应的α粒子能量为3.980MeV。参考实验指示书[ 1 ]给出的几个参考值，得出实验得到：5.486MeV对应的射程R1=6.63mg/cm，3.980MeV对应的射程为R2=4.25mg/cm，所以由（8）可得铝箔质量厚度为： X 2.38mg/cm2，铝的密度为2.7g/cm3，所以铝箔的厚度：

22

E 0.0371MeV，所以：

( X)

( X)

0.99% X

所以在只考虑能量的展宽带来的不确定度时，厚度测量的结果D (8.8 0.009)μm。 事实上还存在其他的不确定度，例如峰位存在统计误差，实验中观测到随着时间的推移峰位向左移动，即对应测得的厚度会越来越大，这部分属于系统误差。

参考资料：

[ 1 ] 辐射探测与反应堆物理实验讲义，2009年