余 濤, 郭思明, 周建斌, 蔣 政, 郄曉雨,3,郭鍇悅,4, 吳金杰

(1. 成都理工大學(xué),四川 成都 610059； 2. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029；3. 河北科技大學(xué),河北 石家莊 050018； 4. 中國(guó)計(jì)量大學(xué),浙江 杭州 310018)

1 引 言

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院昌平實(shí)驗(yàn)基地目前已建立能量覆蓋5～300 keV的單能X射線源,可以滿足空間天文衛(wèi)星的地面標(biāo)定要求。天基多波段空間變?cè)幢O(jiān)視器(SVOM)衛(wèi)星的有效載荷γ射線探測(cè)器[1,2](GRD)將在昌平實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行地面標(biāo)定。CdTe晶體中48Cd,52Te元素的原子序數(shù)大,密度高,故它對(duì)X,γ射線的阻止能力高,吸收能力強(qiáng),本征探測(cè)效率較高,而且CdTe探測(cè)器對(duì)溫濕度不敏感,可直接在室溫下使用[3～6]；因此可以用CdTe探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)效率刻度實(shí)驗(yàn)。

采用蒙特卡羅模擬程序?qū)dTe探測(cè)器的在10～260 keV能量段的探測(cè)效率進(jìn)行模擬計(jì)算[7～10],得到模擬效率曲線圖,然后用單能X射線輻射裝置對(duì)10～100 keV能量范圍內(nèi)的探測(cè)效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)刻度。結(jié)果表明,模擬效率與實(shí)驗(yàn)效率趨勢(shì)一致,最大誤差小于5.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)單能X射線源探測(cè)器的選擇提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

2 探測(cè)效率的模擬計(jì)算

本文采用的實(shí)驗(yàn)儀器為AMETEK生產(chǎn)的X-123 CdTe探測(cè)器,其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸圖,用MCNP5為蒙特卡羅模擬建立幾何模型,定義放射源為單能平行束面源,平行束面源的面積小于探測(cè)器探頭的面積,每個(gè)能量點(diǎn)模擬的粒子數(shù)目為108，計(jì)算出探測(cè)器在10～260 keV能量范圍內(nèi)的探測(cè)效率η：

(1)

式中：η為本征探測(cè)效率；n1為探測(cè)到的光子數(shù)；n2為入射到探測(cè)器的光子數(shù)。

表1 CdTe探測(cè)器幾何參數(shù)Tab.1 CdTe detector geometry parameters

MC模擬得到的探測(cè)效率曲線如圖1所示。

圖1 CdTe探測(cè)器模擬效率曲線Fig.1 CdTe detector simulation efficiency curve

由模擬結(jié)果可知,CdTe探測(cè)器在10～60 keV具有很高的探測(cè)效率,探測(cè)效率值都在75%以上；但是在27 keV和32 keV能量點(diǎn)時(shí),探測(cè)效率突然下降,這是因?yàn)?2Te元素被激發(fā)產(chǎn)生的Kα與Kβ特征X射線發(fā)生逃逸未被記錄下來(lái),之后探測(cè)效率曲線呈先上升后下降的趨勢(shì)。每個(gè)模擬能量點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)誤差均小于1%。

3 單能X射線輻射裝置

3.1 5～40 keV單能X射線裝置

5～40 keV單晶單能X射線輻射裝置主要由4部分組成：X光管、單晶單色器、準(zhǔn)直器以及標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器。整體設(shè)計(jì)是將X光管與晶體放在兩個(gè)同軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上,中心軸與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)件連接,中心齒輪套于中心軸上,當(dāng)晶體旋轉(zhuǎn)θ角,外圈齒輪帶動(dòng)光管旋轉(zhuǎn)2θ角,從而保持X射線的出射方向不變。通過(guò)單色器轉(zhuǎn)臺(tái)器控制X射線衍射角,由布拉格衍射原理得到相應(yīng)的單能X射線。圖2是單晶單能X射線裝置實(shí)物圖。

圖2 單晶X射線裝置Fig.2 Single crystal X-ray device

3.2 40～160 keV單能X射線裝置

40～160 keV單能X射線輻射裝置主要包括4個(gè)部分：X射線源、準(zhǔn)直管、雙晶單色器、移動(dòng)和定位系統(tǒng)。X射線管發(fā)出的X射線經(jīng)前準(zhǔn)直管準(zhǔn)直后打在雙晶單色器上,經(jīng)過(guò)雙晶單色器后得到單能X射線,經(jīng)過(guò)后準(zhǔn)直管,形成準(zhǔn)平行束,移動(dòng)和定位系統(tǒng)主要放置標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和被校準(zhǔn)的X射線探測(cè)器。其裝置示意圖如圖3所示。

圖3 雙晶X射線裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of double crystal X-ray device

4 探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)刻度

本文使用型號(hào)為CANBERRA GL0110P的HPGe探測(cè)器作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器對(duì)CdTe探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)效率的刻度實(shí)驗(yàn)[11,12]。實(shí)驗(yàn)流程如下：先用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器測(cè)量X光機(jī)經(jīng)晶體衍射后單能峰通量,獲得標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的光子計(jì)數(shù)N1,其中標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的探測(cè)效率為η3；然后將標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器更換為CdTe探測(cè)器,測(cè)量相同束流情況下的光子計(jì)數(shù)N2；則CdTe的探測(cè)效率η2為：

(2)

通過(guò)調(diào)節(jié)單晶標(biāo)定裝置中晶體的角度來(lái)改變單能X射線源的能量,則可以得到不同能量點(diǎn)CdTe探測(cè)器探測(cè)到的能譜。單能X射線輻射裝置束流的穩(wěn)定性小于1%@1h[13]。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖Fig.4 Field experiment diagram

在實(shí)際測(cè)量時(shí),對(duì)10～80 keV能量段,取步長(zhǎng)為1 keV進(jìn)行測(cè)試；對(duì)80～100 keV能量段,取步長(zhǎng)為5 keV進(jìn)行測(cè)試。對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,得到效率與能量關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖5 CdTe探測(cè)器實(shí)驗(yàn)效率曲線Fig.5 CdTe detector experiment efficiency curve

由圖5可知實(shí)測(cè)效率與模擬效率的趨勢(shì)是一致的,計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)效率與模擬效率的誤差如表2所示,其最大誤差為5.6%。在60～100 keV區(qū)間內(nèi),由于光子能量增大,部分光子直接穿透CdTe晶體而不能被晶體吸收,所以導(dǎo)致探測(cè)效率逐漸下降。

表2 實(shí)驗(yàn)效率與模擬效率的誤差Tab.2 The error between experimental efficiency and simulation efficiency

5 標(biāo)準(zhǔn)放射源對(duì)CdTe探測(cè)器的效率刻度驗(yàn)證

放射源具有4 π 發(fā)射的特性,為得到準(zhǔn)平行條件,要將源與探測(cè)器設(shè)置的距離足夠遠(yuǎn),放射源探測(cè)效率刻度原理如圖6所示[14]。

圖6 探測(cè)效率刻度原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of detection efficiency calibration

設(shè)放射源與探測(cè)器的距離為d,探測(cè)器半徑為r,用εabs表示源峰探測(cè)效率,εins表示本征峰探測(cè)效率,傳遞因子F作為源峰探測(cè)效率與本征峰探測(cè)效率的轉(zhuǎn)換系數(shù),可表示為：

(3)

實(shí)驗(yàn)中采用的是2種標(biāo)準(zhǔn)γ放射源：(1)241Am：活度為938 8 Bq,59.54 keV的射線強(qiáng)度為35.78%；(2)133Ba：活度為1.45×105Bq,81 keV的射線強(qiáng)度為32.9%。標(biāo)準(zhǔn)源的尺寸均為小圓柱型,規(guī)格均為 32 mm×4 mm。其詳細(xì)信息如表3所示。

表3 核素信息表Tab.3 Nuclide Information Table

將放射源放置于半圓形支架上,放射源與CdTe探測(cè)器探頭的距離為(15±0.1)cm,探測(cè)器與放射源都放于光學(xué)平臺(tái)上,實(shí)際測(cè)量時(shí),放射源與探測(cè)器的擺放如圖7所示。

圖7 放射源測(cè)試實(shí)驗(yàn)圖Fig.7 Radioactive source test experiment diagram

實(shí)驗(yàn)得到241Am和133Ba兩種放射源的脈沖圖如圖8所示。

圖8 241Am與133Ba脈沖圖Fig.8 Pulse diagram of 241Am and 133Ba

探測(cè)器的源峰探測(cè)效率計(jì)算公式如下：

(4)

式中：εabs表示全能峰的探測(cè)效率；n表示全能峰凈面積的計(jì)數(shù)；A表示放射源活度；t表示測(cè)量時(shí)間；f表示分支比。

使用ROOT軟件對(duì)所測(cè)能譜圖進(jìn)行高斯擬合,可以得到全能峰凈面積計(jì)數(shù)。根據(jù)公式(4)計(jì)算得到CdTe探測(cè)器在不同能量下的源峰探測(cè)效率,再由公式(3)可以計(jì)算出能量為59.54 keV和81 keV的本征探測(cè)效率。實(shí)驗(yàn)效率與模擬效率結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)效率與模擬效率Tab.4 Experimental efficiency and simulation efficiency

將標(biāo)準(zhǔn)放射源測(cè)試得到實(shí)驗(yàn)效率與模擬效率進(jìn)行比較,其最大誤差為1.7%,放射源測(cè)試得到的本征峰探測(cè)效率與X射線輻射裝置測(cè)試得到的本征探測(cè)效率數(shù)據(jù)基本符合。

6 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)CdTe探測(cè)器進(jìn)行了蒙卡模擬,得到模擬探測(cè)效率曲線。用X射線輻射裝置對(duì)CdTe探測(cè)器進(jìn)行了探測(cè)效率的實(shí)驗(yàn)刻度,得到了本征探測(cè)效率曲線。CdTe探測(cè)器探測(cè)效率的實(shí)測(cè)值與模擬值基本符合,最大誤差不超過(guò)5.6%；用241Am和133Ba放射源對(duì)59.54 keV與81 keV能量點(diǎn)的本征探測(cè)效率進(jìn)行了二次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是相符的。在10～100 keV能量區(qū)間,CdTe探測(cè)器探測(cè)效率都是高于50%,可以作為標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。對(duì)CdTe探測(cè)器的探測(cè)效率模擬及刻度實(shí)驗(yàn),為其它探測(cè)器的無(wú)源探測(cè)效率測(cè)試提供了參考,并可為接下來(lái)要在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院昌平實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行的SVOM衛(wèi)星地面標(biāo)定提供有效的數(shù)據(jù)支持。