王二彥，蔣 政，郭思明，吳金杰，楊 強(qiáng)，周鵬躍，宋瑞強(qiáng)

(1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059； 2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

對(duì)于各種X/γ譜儀來(lái)說(shuō)，校準(zhǔn)探測(cè)器的重要性是眾所周知的。近年來(lái)，探測(cè)器的使用范圍變得更加廣泛，探測(cè)器類(lèi)型繁多，對(duì)校準(zhǔn)探測(cè)器的要求也逐步提高。像天體探測(cè)器這種類(lèi)型的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，需要標(biāo)定更多能量點(diǎn)，更大的能量范圍。因此產(chǎn)生單色性更好、能量范圍更大的單色光，對(duì)標(biāo)定X/γ譜儀具有重要作用。要做好單色硬X光探測(cè)元器件能量響應(yīng)絕對(duì)標(biāo)定工作，需要具備以下條件：(a) 一個(gè)好的標(biāo)定光源，具有單色性好、強(qiáng)度高、能區(qū)寬、能量點(diǎn)連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)更多硬X光探測(cè)元器件進(jìn)行能量響應(yīng)標(biāo)定；(b) 一套完善的標(biāo)定裝置，既具有使用簡(jiǎn)便、靈活，通用性好，更換標(biāo)定元件方便，可節(jié)省用光時(shí)間，提高標(biāo)定效率，還可以提高標(biāo)定精度[1]。

能產(chǎn)生單能X射線的方式除X光機(jī)布拉格衍射，還有放射性核素、K熒光和同步輻射X射線源。放射性核素雖然是實(shí)驗(yàn)室中探測(cè)器測(cè)試和定標(biāo)常用設(shè)備，但是放射核素安全隱患多，射線束流強(qiáng)相對(duì)較弱，可供使用放射源種類(lèi)較少，能譜易受內(nèi)部散射等影響；對(duì)于半衰期短的放射源，其使用時(shí)間有限，需要經(jīng)常補(bǔ)充[2]。K熒光X射線是通過(guò)初級(jí)X射線激發(fā)次級(jí)靶產(chǎn)生的，受材料限制，只能用于特定能量，無(wú)法對(duì)能量響應(yīng)進(jìn)行細(xì)致標(biāo)定[3]。同步輻射X射線源的能量分辨率極佳，具有極高的流強(qiáng)、極好的平行性，并且能量連續(xù)可調(diào)，是非常理想的標(biāo)定光源；但是同步輻射加速器建造昂貴且數(shù)量有限，因此尋找能夠代替同步輻射X射線光源的裝置就非常急迫。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院搭建的單色X射線光源裝置基于X射線光機(jī)產(chǎn)生連續(xù)譜X射線，通過(guò)雙晶單色器布拉格衍射得到單能X射線，調(diào)節(jié)布拉格衍射角可以獲得單色性好，能量連續(xù)可調(diào)的單能X射線[4]。

近幾年，我國(guó)在單能X射線裝置進(jìn)行了多次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，如“慧眼”衛(wèi)星搭載的X射線探測(cè)器及望遠(yuǎn)鏡[5]、GECAM衛(wèi)星搭載的GRD(溴化鑭X射線探測(cè)器)[6]、ASO-S衛(wèi)星搭載的HXI(溴化鑭X射線探測(cè)器)[7]以及中法合作衛(wèi)星SVOM搭載的GRM(碘化鈉γ射線探測(cè)器)[8]等探測(cè)器的能量響應(yīng)標(biāo)定、測(cè)量物質(zhì)X射線質(zhì)量衰減系數(shù)[9～11]和多層膜反射率測(cè)量等研究[12]。大量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)通過(guò)放射源的實(shí)驗(yàn)診斷，保證了單能X射線裝置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在硬X射線地面標(biāo)定裝置上進(jìn)行，主要由X光機(jī)、雙晶單色器、準(zhǔn)直器以及標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器組成[13]。如圖1所示，其中光機(jī)管電壓為225 kV，額定電流最大可到20 mA，且穩(wěn)定性良好；雙晶單色器是由2塊硅晶體及固定結(jié)構(gòu)和角度轉(zhuǎn)臺(tái)組成，根據(jù)布拉格衍射原理可知，轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度可以獲得不同能量的單色光，從而達(dá)到單色光能量的連續(xù)可調(diào)且穩(wěn)定的效果。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

準(zhǔn)直器是由激光定位器和2個(gè)準(zhǔn)直管組成，激光定位器用來(lái)定位X射線束流的光路，為準(zhǔn)直管的擺放與定位提供了參考。準(zhǔn)直管放置在雙晶單色器前后兩邊并配有不同孔徑的光闌；前準(zhǔn)直管連接光機(jī)與激光定位器，對(duì)來(lái)自光機(jī)的X射線進(jìn)行準(zhǔn)直與限束；后準(zhǔn)直管則用來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)雙晶單色器衍射后產(chǎn)生的單能X射線進(jìn)行準(zhǔn)直與限束。光闌孔徑大小滿足探測(cè)器標(biāo)定時(shí)對(duì)光斑大小的要求，另外也可以減少連續(xù)X射線進(jìn)入探測(cè)器造成效率刻度的失誤。

標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器使用的是低能型鍺探測(cè)器(高純鍺探測(cè)器)，型號(hào)為CANBERRA GL0110P，利用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)放射源進(jìn)行能量線性刻度，其能量測(cè)量范圍為3～300 keV。廠家給出在最佳設(shè)置情況下，高純鍺探測(cè)器的分辨率—半高全寬(FWHM)為160 eV(@5.9 keV)，500 eV(@122 keV)。對(duì)此探測(cè)器，使用放射源標(biāo)定得知其能量分辨，從而使用該探測(cè)器對(duì)單色X射線源裝置的能量分辨率進(jìn)行了研究。

2.2實(shí)驗(yàn)原理

布拉格衍射角θ與能量E之間的關(guān)系為：

(1)

式中：n為反射級(jí)數(shù)；h為普朗克常量，h=6.626 069 57(29)×10-34J·s，若以eV·s為能量單位則為h=4.135 667 43(35)×10-15eV·s；c為光速，大小為3×108m/s；d為晶面間距，d決定晶體類(lèi)型，不同的晶面間距反映晶體結(jié)構(gòu)的周期性變化。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用的兩種類(lèi)型的硅晶體為簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣晶體，其晶面間距d與點(diǎn)陣常數(shù)之間的關(guān)系是：

(2)

式中：a為晶胞常數(shù)，大小為5.430 71×10-10；h,k,l為布拉格平面的密勒指數(shù)。因此，我們可以計(jì)算出Si(220)晶體和Si(551)晶體的晶面間距為dSi(220)=1.92-10，dSi(551)=7.60-11，從而對(duì)不同晶體的單色性的研究就可以得知單能X射線裝置的單色性[14]。

3 標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器能量分辨率研究

能譜儀中用能量分辨率來(lái)表征能譜儀系統(tǒng)分辨粒子不同能量的特性。能量為E0的單能帶電粒子，如果能量全部都損失在探測(cè)器內(nèi)，能譜儀測(cè)量到的脈沖幅度微分譜并不是單一直線，而是近似對(duì)稱(chēng)的鐘罩形曲線[15]。能量分辨率可表示為：

(3)

式中： ΔEh是全能峰半高寬(FWHM);E0是全能峰峰位。由于全能峰服從正態(tài)分布，所以式(3)可變?yōu)椋?/p>

(4)

式中:σE0是全能峰計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，代表全能峰展寬。在實(shí)際應(yīng)用中我們希望能譜儀的能量分辨率越小越好，分辨率實(shí)際上表示能譜儀分辨不同能量粒子的本領(lǐng)[16]。根據(jù)式(4)得到X射線的單色性、探測(cè)器的能量分辨率和測(cè)得能譜的能量分辨率之間的關(guān)系為：

(5)

式中：η0為單能X射線的單色性，單位與能量分辨率相同；η1為標(biāo)準(zhǔn)HPGe探測(cè)器自身的能量分辨率；η2為實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的能量分辨率[17]。

放射性核素可發(fā)射單能X/γ射線，其單色性好，沒(méi)有X光機(jī)因發(fā)散角度所造成的能量展寬問(wèn)題，是理想的X/γ射線源。因此利用放射性核素發(fā)射的單能X/γ射線對(duì)HPGe探測(cè)器進(jìn)行標(biāo)定，可以得到探測(cè)器自身的能量分辨率。測(cè)量結(jié)果如表1所示，根據(jù)測(cè)量結(jié)果得到HPGe探測(cè)器自身能量分辨率與射線能量之間的擬合曲線，如圖2所示，并得到關(guān)系式(6)。

表1 HPGe刻度采用的放射源類(lèi)型及射線能量Tab.1 Types of radioactive sources and ray energy used in HPGe calibration

圖2 HPGe能量分辨率刻度曲線Fig.2 HPGe energy resolution scale curve

(6)

4 單能X射線光源單色性實(shí)驗(yàn)

使用2種類(lèi)型Si晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中Si(220)晶體用于低能(30～80 keV)，而Si551晶體用于高能(80～160 keV)的單能X射線衍射，調(diào)節(jié)衍射角度實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)能量的X射線進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果分別如表2和表3所示。圖3為2種晶體的單色性曲線，可以看出在80 keV能量點(diǎn)處不同晶體產(chǎn)生的單色光的單色性一樣，使用同一種晶體在測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)單能X射線的能譜展寬變化很小。由于高純鍺探測(cè)器的能量分辨率在122 keV只有500 eV的展寬，說(shuō)明單色性的影響因素只有光子束本身的發(fā)散角度和晶體衍射角度。

圖3 單色性測(cè)試：?jiǎn)文躕射線源單色性Fig.3 Monochromaticity test: monochromaticity of single-energy X-ray source

表2 晶體Si(220)單色性測(cè)試Tab.2 Monochromaticity test results of crystal Si(220)

表3 晶體Si(551)單色性測(cè)試結(jié)果Tab.3 Monochromaticity test results of crystal Si(551)

5 結(jié) 論

利用能量分辨率為500 eV@122 keV的高純鍺探測(cè)器進(jìn)行了30～160 keV單能X射線裝置單色性實(shí)驗(yàn)，在該能量段內(nèi)，Si(220)晶體的單色性在2.3%以下，Si(551)晶體的單色性在3.5%以下。本研究驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置的單色性，為之后更多的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)對(duì)提高裝置單色性做了鋪墊，為改善裝置結(jié)構(gòu)提供了方向。