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,四川 成都 610059； 2. 中國計量科學研究院, 北京 100029；3. 河北科技大學,河北 石家莊 050018； 4. 中國計量大學,浙江 杭州 310018)

1 引 言

中國計量科學研究院昌平實驗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)星的地面標定要求。天基多波段空間變源監(jiān)視器(SVOM)衛(wèi)星的有效載荷γ射線探測器[1,2](GRD)將在昌平實驗基地進行地面標定。CdTe晶體中48Cd,52Te元素的原子序數(shù)大,密度高,故它對X,γ射線的阻止能力高,吸收能力強,本征探測效率較高,而且CdTe探測器對溫濕度不敏感,可直接在室溫下使用[3～6]；因此可以用CdTe探測器進行探測效率刻度實驗。

采用蒙特卡羅模擬程序?qū)dTe探測器的在10～260 keV能量段的探測效率進行模擬計算[7～10],得到模擬效率曲線圖,然后用單能X射線輻射裝置對10～100 keV能量范圍內(nèi)的探測效率進行了實驗刻度。結果表明,模擬效率與實驗效率趨勢一致,最大誤差小于5.6%。實驗結論對單能X射線源探測器的選擇提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

2 探測效率的模擬計算

本文采用的實驗儀器為AMETEK生產(chǎn)的X-123 CdTe探測器,其結構尺寸如表1所示。根據(jù)結構尺寸圖,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器探頭的面積,每個能量點模擬的粒子數(shù)目為108，計算出探測器在10～260 keV能量范圍內(nèi)的探測效率η：

(1)

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

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

MC模擬得到的探測效率曲線如圖1所示。

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

由模擬結果可知,CdTe探測器在10～60 keV具有很高的探測效率,探測效率值都在75%以上；但是在27 keV和32 keV能量點時,探測效率突然下降,這是因為52Te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,之后探測效率曲線呈先上升后下降的趨勢。每個模擬能量點的統(tǒng)計誤差均小于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、準直器以及標準探測器。整體設計是將X光管與晶體放在兩個同軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上,中心軸與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動件連接,中心齒輪套于中心軸上,當晶體旋轉(zhuǎn)θ角,外圈齒輪帶動光管旋轉(zhuǎn)2θ角,從而保持X射線的出射方向不變。通過單色器轉(zhuǎn)臺器控制X射線衍射角,由布拉格衍射原理得到相應的單能X射線。圖2是單晶單能X射線裝置實物圖。

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個部分：X射線源、準直管、雙晶單色器、移動和定位系統(tǒng)。X射線管發(fā)出的X射線經(jīng)前準直管準直后打在雙晶單色器上,經(jīng)過雙晶單色器后得到單能X射線,經(jīng)過后準直管,形成準平行束,移動和定位系統(tǒng)主要放置標準探測器和被校準的X射線探測器。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 探測效率的實驗刻度

本文使用型號為CANBERRA GL0110P的HPGe探測器作為標準探測器對CdTe探測器進行探測效率的刻度實驗[11,12]。實驗流程如下：先用標準探測器測量X光機經(jīng)晶體衍射后單能峰通量,獲得標準探測器在設定時間內(nèi)的光子計數(shù)N1,其中標準探測器的探測效率為η3；然后將標準探測器更換為CdTe探測器,測量相同束流情況下的光子計數(shù)N2；則CdTe的探測效率η2為：

(2)

通過調(diào)節(jié)單晶標定裝置中晶體的角度來改變單能X射線源的能量,則可以得到不同能量點CdTe探測器探測到的能譜。單能X射線輻射裝置束流的穩(wěn)定性小于1%@1h[13]?，F(xiàn)場實驗如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場實驗圖Fig.4 Field experiment diagram

在實際測量時,對10～80 keV能量段,取步長為1 keV進行測試；對80～100 keV能量段,取步長為5 keV進行測試。對測試得到的數(shù)據(jù)進行計算分析,得到效率與能量關系曲線,如圖5所示。

圖5 CdTe探測器實驗效率曲線Fig.5 CdTe detector experiment efficiency curve

由圖5可知實測效率與模擬效率的趨勢是一致的,計算得到實驗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,所以導致探測效率逐漸下降。

表2 實驗效率與模擬效率的誤差Tab.2 The error between experimental efficiency and simulation efficiency

5 標準放射源對CdTe探測器的效率刻度驗證

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

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

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

(3)

實驗中采用的是2種標準γ放射源：(1)241Am：活度為938 8 Bq,59.54 keV的射線強度為35.78%；(2)133Ba：活度為1.45×105Bq,81 keV的射線強度為32.9%。標準源的尺寸均為小圓柱型,規(guī)格均為 32 mm×4 mm。其詳細信息如表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探測器探頭的距離為(15±0.1)cm,探測器與放射源都放于光學平臺上,實際測量時,放射源與探測器的擺放如圖7所示。

圖7 放射源測試實驗圖Fig.7 Radioactive source test experiment diagram

實驗得到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

探測器的源峰探測效率計算公式如下：

(4)

式中：εabs表示全能峰的探測效率；n表示全能峰凈面積的計數(shù)；A表示放射源活度；t表示測量時間；f表示分支比。

使用ROOT軟件對所測能譜圖進行高斯擬合,可以得到全能峰凈面積計數(shù)。根據(jù)公式(4)計算得到CdTe探測器在不同能量下的源峰探測效率,再由公式(3)可以計算出能量為59.54 keV和81 keV的本征探測效率。實驗效率與模擬效率結果如表4所示。

表4 實驗效率與模擬效率Tab.4 Experimental efficiency and simulation efficiency

將標準放射源測試得到實驗效率與模擬效率進行比較,其最大誤差為1.7%,放射源測試得到的本征峰探測效率與X射線輻射裝置測試得到的本征探測效率數(shù)據(jù)基本符合。

6 結 論

本實驗對CdTe探測器進行了蒙卡模擬,得到模擬探測效率曲線。用X射線輻射裝置對CdTe探測器進行了探測效率的實驗刻度,得到了本征探測效率曲線。CdTe探測器探測效率的實測值與模擬值基本符合,最大誤差不超過5.6%；用241Am和133Ba放射源對59.54 keV與81 keV能量點的本征探測效率進行了二次驗證實驗,結果與實驗數(shù)據(jù)是相符的。在10～100 keV能量區(qū)間,CdTe探測器探測效率都是高于50%,可以作為標準探測器進行地面標定實驗。對CdTe探測器的探測效率模擬及刻度實驗,為其它探測器的無源探測效率測試提供了參考,并可為接下來要在中國計量科學研究院昌平實驗基地進行的SVOM衛(wèi)星地面標定提供有效的數(shù)據(jù)支持。