GBT7167-2008锗γ射线探测器测试方法.pdf 12页

'ICS27．120F88a亘中华人民共和国国家标准GB／T7167—2008代替GB／T71671996锗丫射线探测器测试方法Testproceduresforgermaniumgamma—raydetectors2008—07—02发布(IEC60973：1989，NEQ)2009—04—01实施宰瞀戳鬻瓣訾矬瞥星发布中国国家标准化管理委员会仪1” 前言GB／T7167—2008本标准对应于IEC60973：1989《锗7射线探测器测试方法》，与IEC60973：1989一致性程度为非等效。本标准代替GB／T7167--1996《锗7射线探测器测试方法》。本标准与GB／T7167—1996相比主要变化如下：——修改了术语和定义中能量分辨力和探测器窗厚度等部分(见本标准3．16、3．17、3．25)；——删除了锗探测器分类部分(见原标准第3章)；——修改了探测效率部分(见本标准第6章)。本标准由中国核工业集团公司提出。本标准由全国核仪器仪表标准化技术委员会归口。本标准起草单位：中国原子能科学研究院。本标准主要起草人：袁大庆，魏可新。本标准所代替标准的历次版本发布情况为：GB／T71671987、GB／T7167—1996。 锗丫射线探测器测试方法GB／T7167—20081范围本标准规定了锗7射线探测器的性能测试方法。本标准适用于高纯锗7射线探测器的性能测试，也适用于高纯锗x射线探测器和锗(锂)探测器的性能测试。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。JJG578—1994锗7谱仪体源活度测量装置检定规程JJG752—1991锗7谱仪活度标准装置检定规程3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3．1高纯锗high-purltygermanium(HPGe)在室温下，电活性杂质净浓度稳定的锗单晶，杂质净浓度典型值小于3×10”cm。在适当的偏压下，由常规尺寸高纯锗单晶制成的探测器可达到全耗尽。3．2平面型半导体探测器planarsemiconductordetector半导体探测器的两电接触极面是平行的。3．3同轴半导体探测器coaxialsemiconductordetector半导体探测器的两电接触极面是部分或全部同轴的。一般地，某一个电极的一端是闭合的，称为单开端同轴探测器。两个电极端都不是闭合的，称为双开端同轴探测器。3．4普通电极同轴探测器conventional-electrodecoaxialdetector外接触层(外电极)是N+型的同轴探测器，外电极上加正偏压。因探测器晶体采用P型高纯锗，又称P型同轴探测器。3．5反电极同轴探测器reverse-electrodecoaxialdetector外接触层(电极)是P型的同轴探测器，外电极上加负偏压。因探测器晶体采用N型高纯锗，又称N型同轴探测器。3．6井型同轴探测器well-typecoaxialdetector探测器灵敏体积中有一与电极同轴的井形圆柱孔。测量样品可以放人井中，被探测器灵敏区所包】 GB／T7167—2008围，源一探测器立体角接近4Ⅱ。3．7(半导体探测器的)偏压bias(ofusemiconductordetector)半导体探测器两电极间所施加的反向工作电压。3．8耗尽区depletionregion移动的载流子电荷密度不足以中和半导体内施主或者受主的净固定电荷密度的区域。对于二极管型半导体射线探测器，耗尽区就是探测器的灵敏区。3．9耗尽电压depletionvoltage使得半导体探测器的结变成全耗尽所加电压。3．10死层deadlayer半导体探测器中的一层，射线粒子在其中的能损对最终信号没有明显贡献。3．11载流子chargecarrier移动的传导电子或空穴。3．12电荷收集时间chargecollectiontime电离粒子通过半导体探测器后，收集电荷形成积分电流所需要的时间间隔。以其最终值的10％上升到90％所需要的时间来表示。3．13半高宽(FwHM)fullwidthathalfmaximum测量能峰分布的峰值一半处的宽度。对于正态分布，半高宽等于2厄1ii倍标准差。3．14十分之一高宽(FWTM)fullwidthat0．1maximum测量能峰分布峰值的十分之一处的宽度。3．15五十分之一高宽(FWFM)fullwidthat0．02maximum测量能峰分布峰值的五十分之一处的宽度。3．16(半导体探测器的)能量分辨力energyresolution(ofasemiconductordetector)探测器能够分辨的两个粒子能量之间的最小值。对于给定能量，用探测器对(包括探测器漏电流噪声)脉冲高度分布的FWHM的贡献表征，以能量单位表示。3．17(半导体探测器和前放组合的)能量分辨力energyresolution(ofasemiconductordetectorandpre—amplifiercombination)探测器和前放组合的测量系统能够分辨的两个粒子能量之间的最小值。对于给定能量，用测量能谱能峰的FWHM表征，以能量单位表示。3．18定时时间分辨力timingresolution探测系统能够分辨的两个脉冲之间的最小时间间隔。用定时时间分布谱峰的半高宽表征，以时间单位表示。2 GB／T7167—20083．19恒比定时甄别器constant-fractiondiscriminator输入信号延迟反相后与幅度按恒定比例衰减的输人信号叠加，叠加信号的过零点触发定时信号。适当选择衰减比例和延迟，定时信号与输入脉冲的上升时间和幅度无关，可以减少定时晃动。3．20弹道亏损ballisticdeficit当探测器的电荷收集时间太于放大器微分时间常数时，信号幅度的损失。3．21能峰(谱线)energypeak(spectralline)能谱中的尖锐部分，由辐射事件的全部能量沉积在探测器中并全部转化为脉冲幅度形成，即单能辐射的全能峰。3．22能谱spectrum辐射强度或者等效的探测器电模拟量(电荷或者电压)随能量的分布。3．23噪声线宽noiselinewidth噪声对谱峰宽度的贡献。3．24峰康比peaktoComptonratio单能谱线的峰道计数与康普顿连续谱平坦部分的平均道计数之比。3．25入射窗厚度指示参数indexofwindowthickness探测器测量同一放射性核素发射的两条低能光子射线的面积比，用于表征探测器入射窗厚度。3．26凹杯(Marinellibeaker)reentrantbeaker倒井形的杯子，也称为Marinelli杯。杯的夹层中可装有放射性样品。测量时，凹杯覆盖在探测器端帽上，探测器基本上被放射性样品所包围，以增加探测效率。4一般要求4．1参考条件一般情况下，探测器应该放置在环境温度下，测量时温度变化不大于土2℃，相对湿度小于75％，无明显电磁干扰和电源波动条件下进行测试。测试环境中不得存在明显干扰测量的环境本底。4．2工作条件测试高纯锗7射线探测器时，探测器的工作偏压不得超过探测器允许的规定范围。探测器应该在低温下工作，冷却时间应该满足制造商规定的时间。4．3测试仪器测试所用电子学仪器，包括低压电源、高压电源、前放、主放、ADC和多道脉冲分析器等相关仪器的稳定性、非线性及其他性能指标不得明显影响探测器的性能测试结果。4．4测试结果重复性任何一项测试结果在测量精度内能够重复。3 GB／T7167—20085能谱性能测试5．1基本要求所用电子学仪器能够调节以保证所测谱峰的半高宽至少为6道，半高宽内峰计数大于50000。能量分辨力的测量与计数率有关，测量中高能区能量分辨力时，全谱积分计数率不低于2000S～，测量低能区能量分辨力时，全谱积分计数率不低于1000s。测试用的7射线源采用点薄膜源。对于平面和同轴形探测器，源应当放置在探测器端帽中心轴线上，距离探测器端帽表面25．0cm处。对于井形探测器，源应当放置在井孔中心轴线上，距离井孔底部1．0cm处。5．2测试系统将探测器和测试电子学仪器按图1所示方法连接。锗探测器与前放可以用直流或者交流耦合。可以采用一精密脉冲产生器接人前放的测试输入端口，监测电子学仪器性能。脉冲产生器的脉冲上升时间不大于放大器微分时间常数的20％。当同时使用高纯锗探测器和脉冲产生器时，脉冲产生器产生的计数不能明显影响基线恢复和死时间校正。主放、ADC与MCA系统可以用单独的插件，也可以用一体的数字化谱仪。测试所用主放的脉冲成形类型(准高斯、准三角等)和脉冲成形时间常数应当说明。一般地，在低计数率条件下，用模拟的脉冲成形放大器测量，其能量分辨力优于数字化谱仪，在高计数率条件下，则相反。图1高纯锗7射线探测器测试系统框图5．3峰面积和本底在计数N(z)对道址X的谱中，用谱峰两侧的本底计数直线拟合得到本底直线13(z)，如图2中A—B和C—D两条直线，其中A、B、C、D四点是直线本底与谱峰交点，直线下的面积为峰下本底。以1173．2keV谱峰为例，峰的总面积Ar为：BAt一>：N(z)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)x‘—=—A峰本底面积Aa为：A。一∑B(z)峰面积A为：A—AT—AB 墼1酽GB／T7167--2008道址图2”CoY射线谱峰面积和本底5．4峰位单能峰的峰位采用重心法确定：以道址为单位，采用峰半高宽以上部分的净计数值的加权平均。峰位主为：E——z[N．(x．．)．--．．B．．．(．．．．x．．．．．—)—]∑IN(x)一B(z)]5．5峰的半高宽、十分之一高宽和五十分之一高宽峰的半高宽、十分之一高宽和五十分之一高宽用道数作为单位，用扣除本底计数后的净计数IN(x)一B(z)]与道数z的关系，内插确定谱峰的半高宽(FWHM)、十分之一高宽(FWTM)和五十分之一高宽(FWFM)。用高斯比(FWTM／FWHM／1．82)表示峰形质量，高斯比一般约大于1，越接近1，说明峰形越接近高斯分布。5．6峰的不对称性谱峰的不对称性主要由探测器晶体缺陷俘获载流子造成其减少和弹道亏损引起的能峰出现低能尾部。测量峰的不对称性时，计数率应当足够小，以排除高计数率造成的峰不对称性。确定峰不对称性如图3所示，用扣除本底计数后的净计数[N(z)一B(z)]与道数z的关系，按5．4确定的峰位引一条垂直于横坐标的直线，称为峰的中线。过峰的十分之一高处画一平行于横坐标的直线，该直线与峰的中线、峰低能侧和高能侧相交，中线交点与峰低能侧交点和高能侧交点的距离分别为L和H，用H／L值表示峰的不对称性。一般用60co的1332．5keV能峰十分之一高处的H／L值表征探测器测量能峰的不对称性。 GB／T7167—2008裁104七●●IH·FWTM●●●●●●●●●●58305840585058605870道址图3”Col332．5keY谱峰的峰位和不对称性如果有必要，也可以用峰五十分之一高处的H／L值表示峰的不对称性。5．7峰康比(P／C)对于峰位为；的能峰，内插得到峰位计数为Nx，其康普顿连续分布的相对平坦部分的平均每道计数为N。，则峰康比P／C为：e／c—Nx／Nc⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(5)对于“Co的l332．5keV能峰，其康普顿平坦部分能区为1040keV～1096keV。对于⋯cs的661．6keV能峰，其康普顿平坦部分能区为358keV～382keV。峰康比与探测器几何形状、封装、探测器晶体构造、探测效率和能量分辨力有关。一般情况下，探测器效率越高，峰康比越高。在其他因素相同的情况下，峰康比与能量分辨力成反比。峰康比越高，探测器分辨复杂能谱的能力越好。5．8能量分辨力测试5．8．1参考能峰探测器能量分辨力应当按照所测试的能区范围选择适当的单能射线，推荐参考能峰如表1表1描述不同能区能量分辨力的参考能峰能区参考能峰(核素)>1MeVl332．5keV(”Co)400keV～lMeV661．6keV(137Cs)70keV～400keV122．1keV(”Co)<70keV5．9keV(”Fe)，22keV(1。9CA)5．8．2能量分辨力测量对应能区能峰后，按5．5确定以道数单位的峰半高宽ANs。为了得到以能量为单位的峰半高宽，至少需要测量两条单能峰进行能量刻度。如无特别说明，对于1332．5keV(60Co)能峰，选择”Co的1173．2keV(E。)和1332．5keV(E：)两能峰，其峰位道址分别为；，和；：，则能量分辨力hE。为：E2一E1△11s=i—i一△NsZ2一Z1对于其他参考能峰，选择与之能量接近的能峰进行能量刻度。选择569．7keV(2”Bi)或者835keV(“Mn)作为另外一条能峰。6例如对于661．6keV(1”Cs)能峰，可 GB／T7167—20085．8．3总噪声线宽和探测器对能量分辨力的贡献在同样的测量条件下，前放和主放的参数保持一致，分别测量单能7射线谱峰和精密脉冲产生器的检验脉冲峰，得到以能量为单位的半高宽分别为AE。和△Et。AE，描述谱仪系统电子学仪器噪声，称为总噪声线宽。除了电子学噪声外，其他因素对能量分辨力的贡献△E0为：△E。一~／△E；一△E；⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(7)在低计数率下，△磊主要由射线在探测器中产生载流子数的统计涨落和电荷收集不完全造成的，是探测器本身性能好坏的重要指标。6探测效率6．1全能峰绝对探测效率对某一能量的7射线全能峰的探测效率与锗探测器的灵敏体积、形状、源形状及源与探测器的位置等因素有关。当探测器一定时，探测效率由源形状及源与探测器的位置确定。因此，描述探测效率时，应指明源的类型和源与探测器的距离。全能峰绝对探测效率e。定义为：式中：A——测量活时间内全能峰净面积；N。——测量活时问内源发射的此种能量光子数。为确定N。的值，所用放射源应是经过校准或者检定的标准源。6．2体源探测效率6．2．1概述对于体源的探测效率测量方法见JJG578—1994。本标准所指的体源探测效率为源直接放置在探测器端帽上时的全能峰绝对探测效率。6．2．2标准体源标准体源使用规格化的，有固定容量和形状的凹杯(MarinellliBeaker)或者圆柱形源盒，源盒形状与探测器直径要匹配。源活度值应经过校准或者检定，不确定度一般要求≤4％(^一3)。源活度不能过高，要保证测量时计数率不超过测量系统计数率上限。体源的放射性载体可以是液体或固体，对载体的密度需要说明，必要时需要对源自吸收进行修正。6．2．3体源效率计算因为体源放置在探测器端帽上，在计算体源效率时，除了考虑源自吸收修正外，还应考虑所测量7射线为放射性核素发射的级联射线之一时造成的符合相加效应的修正。能量为E的被测-i射线的体源全能峰探测效率￡(E)由式(9)计算￡(E)一念c。ca式中：A——测量活时间内全能峰净面积；N。——测量活时间内源发射的此种能量光子数；c。——被测7射线符合相加修正因子；c。——被测7射线相对自吸收修正因子。符合相加修正因子和相对自吸收修正因子的确定见JJG578—1994的附录。6．3点源探测效率6．3．1概述对于点源的探测效率测量方法见JJG7521991。本标准所指的点源探测效率为源放置在探测器7 GB／T7167—2008端帽中心轴线上，距离探测器端帽表面25．0cm处的全能峰绝对探测效率。6．3．2标准点源用于效率测量的标准点源，其活度值应经过校准或者检定，不确定度一般要求不大于2．5％(^一3)。源斑位于源托中心，直径不大于2．0mm，偏离中心<1．5mm。源自吸收和源衬托膜的吸收对效率测量的影响小于0．1％，可以不计。6．3．3点源效率计算能量为E的被测7射线的点源全能峰探测效率e(E)由式(10)计算：￡(E)式中：A——测量活时间内全能峰净面积；念c。N。——测量活时间内源发射的此种能量光子数；C——被测7射线符合相加修正因子。符合相加修正因子的确定见JJG7521991的附录，对于相对效率小于30％的探测器可以忽略符合相加修正。6．4探测器相对探测效率为了比较不同探测器的效率，定义探测器相对探测效率e。。为：‰，一王。×100％otNal(TD式中：￡。——60Co点薄膜源位于探测器端帽中心轴线上，距离探测器顶帽25．0cm处，1332．5keV能峰的绝对探测效率。￡M(TI)——是≠76．0cm×76．0cm的NaI(T1)闪烁探测器对60Co点薄膜源距离探测器顶帽25．0cm处，l332．5keV能峰的绝对探测效率的理论值，取为1．2×10～。7定时性能测试7．1概述定时性能测试采用符合方法，利用一个快定时探测器与高纯锗探测器，同时测量22Na源发射的正电子湮没时发射的两个511keV的光子，来测量锗探测器的定时性能。锗探测器给出起始定时信号，快定时探测器给出经延迟的停止定时信号，测量起始定时信号和停止定时信号的时间差。由时间差的分布确定锗探测器的定时时间分辨力。给出停止定时信号的快定时探测器定时性能要远好于锗探测器的定时性能，一般要好于200ps。定时线路所用电子学仪器的定时性能不得明显影响测量时间差的分布。7．2定时测试系统图4给出一个锗探测器定时性能测试系统参考框图。锗探测器的输出信号经过前放后，分为时间信号和能量信号两路。时间信号经过快成形放大器、恒比定时甄别器后送入时间一幅度变换器的起始信号输入端。选择快成形放大器的微分时间常数接近前置放大器输出最快脉冲上升时间。恒比定时甄别器工作于ARC(AmplitudeandRisetimeCompensa-ted，幅度和上升时间补偿)模式，延迟时间设为前置放大器输出最快脉冲上升时间的一半，恒比因子选择0．2，对于大体积的高纯锗探测器，最好使用恒比定时甄别器的SRT(SIowRiseTime，慢上升时间)排除功能。能量信号经主放大器、定时单道，作为ADC的选通门信号。定时单道的中心设置在511keV处，上下阈值在(1±10％)511keV处。停止道的探测器系统由快闪烁探测器(塑料闪烁体、BaF。闪烁体等)与渡越时间短的快光电倍增管8 GB／T7167—2008(上升时间不大于5ns)组成。光电倍增管的输出经过恒比定时甄别器、延迟器(延迟线)，送入时间一幅度变换器的停止信号输入端。如果测试所用时间一幅度变换器没有经过校准，则至少需要使用两根校准过的不同延时的延迟线，以进行时间分布谱的时间轴刻度。图4锗T探测器定时性能测试系统参考框图7．3定时分辨力测量得到的典型时间分布谱如图5所示。时间谱峰的半高宽内至少有6道，半高宽内计数不少于4×10。。一般用高斯分布函数拟合谱峰，求出谱峰的FWHM和FWTM。如果谱峰明显偏离高斯分布，则参考5．5内插求出谱峰的FWHM和FWTM。一般用ns作为单位的谱峰FWHM值作为高纯锗探测器的定时分辨力。测试数据应同时给出高纯锗探测器的高压、快成形放大器的微分时间常数和积分时间常数、恒比定时甄别器的延迟时间和恒比因子。8探测器入射窗厚度80828486889092949698lOO时问／ns图5确定锗Y探测器定时分辨力的时间分布谱8．1入射窗的构成由于探测器材料、制造和封装工艺的差异，入射窗组成不同。高纯锗探测器密封在真空室内，一般存在三个窗：a)探测器真空帽。用于保持室内高真空，通常是金属铝、金属铍或者高分子聚合物薄膜，典型厚9 GB／T7167--2008度在0．02mm～lmm；b)探测器热屏蔽罩。用于屏蔽热光子，通常由铝膜或铍膜构成，典型厚度在0．01mm～o．2mmc)探测器外电极所形成的死层。P型探测器典型厚度在0．3F-m～0．7mm，N型探测器典型厚度约为0．3pm。8．2入射窗厚度指示参数对于中高能7射线，入射窗厚度对测量影响很小。对于低能光子，入射窗厚度对能量分辨力、探测效率有足够的影响。对于封装好的探测器，测量入射窗各个组成的厚度是很困难的。因此，探测器入射窗厚度信息用不同能量的低能光子全能峰面积的比来表示。一般用⋯Ba的31keV，54keV，80keV，161keV四条谱线，也可以用1”Cd的22kev和88keV谱线。9温度循环能力9．1概述探测器的温度循环能力的测试按第5章至第8章所述的方法进行。9．2表面钝化探测器表面钝化探测器可储存在温度变化不大的室内空气中(通常放在干燥器内)。使用时，可把探测器装入致冷器中抽真空，然后冷却和使用。它可返回到室内空气中保存。这种循环和保存应按厂家所规定的条件进行。9．3温度可循环高纯锗探测器温度可循环高纯锗探测器要么是表面钝化探测器，要么把探测器晶体安装在一个真空室中，可以承受由液氮温度到室温，再回到液氮温度的无限次反复循环，以及无限期在室温下保存，探测器性能保持规定值。9．4可退火探测器可退火高纯锗探测器是一种温度可循环探测器。当探测器遭受辐射(特别是快中子)损伤后，探测器及其真空室和冷指能够经历一个持续(例如24h)的温度(例如120℃)退火，以减少辐射损伤的影响。经过适当的退火过程后，探测器应当恢复或接近于辐射损伤前的性能指标。在退火过程中，应用一超洁的真空泵系统对探测器真空室进行抽空。N型高纯锗探测器的退火恢复能力好于P型高纯锗探测器。10'