30～160 keV單能X射線裝置的單色性實驗研究

王二彥，蔣 政，郭思明，吳金杰，楊 強，周鵬躍，宋瑞強

(1.成都理工大學 核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059； 2.中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

對于各種X/γ譜儀來說，校準探測器的重要性是眾所周知的。近年來，探測器的使用范圍變得更加廣泛，探測器類型繁多，對校準探測器的要求也逐步提高。像天體探測器這種類型的探測器來說，需要標定更多能量點，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，對標定X/γ譜儀具有重要作用。要做好單色硬X光探測元器件能量響應絕對標定工作，需要具備以下條件：(a) 一個好的標定光源，具有單色性好、強度高、能區(qū)寬、能量點連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，可對更多硬X光探測元器件進行能量響應標定；(b) 一套完善的標定裝置，既具有使用簡便、靈活，通用性好，更換標定元件方便，可節(jié)省用光時間，提高標定效率，還可以提高標定精度[1]。

能產(chǎn)生單能X射線的方式除X光機布拉格衍射，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驗室中探測器測試和定標常用設備，但是放射核素安全隱患多，射線束流強相對較弱，可供使用放射源種類較少，能譜易受內(nèi)部散射等影響；對于半衰期短的放射源，其使用時間有限，需要經(jīng)常補充[2]。K熒光X射線是通過初級X射線激發(fā)次級靶產(chǎn)生的，受材料限制，只能用于特定能量，無法對能量響應進行細致標定[3]。同步輻射X射線源的能量分辨率極佳，具有極高的流強、極好的平行性，并且能量連續(xù)可調(diào)，是非常理想的標定光源；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。中國計量科學研究院搭建的單色X射線光源裝置基于X射線光機產(chǎn)生連續(xù)譜X射線，通過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，我國在單能X射線裝置進行了多次標定實驗，如“慧眼”衛(wèi)星搭載的X射線探測器及望遠鏡[5]、GECAM衛(wèi)星搭載的GRD(溴化鑭X射線探測器)[6]、ASO-S衛(wèi)星搭載的HXI(溴化鑭X射線探測器)[7]以及中法合作衛(wèi)星SVOM搭載的GRM(碘化鈉γ射線探測器)[8]等探測器的能量響應標定、測量物質(zhì)X射線質(zhì)量衰減系數(shù)[9～11]和多層膜反射率測量等研究[12]。大量的實驗標定數(shù)據(jù)通過放射源的實驗診斷，保證了單能X射線裝置的實驗數(shù)據(jù)具有一定的可靠性。

2 實驗裝置及原理

2.1實驗裝置

實驗在硬X射線地面標定裝置上進行，主要由X光機、雙晶單色器、準直器以及標準探測器組成[13]。如圖1所示，其中光機管電壓為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)構和角度轉(zhuǎn)臺組成，根據(jù)布拉格衍射原理可知，轉(zhuǎn)動不同角度可以獲得不同能量的單色光，從而達到單色光能量的連續(xù)可調(diào)且穩(wěn)定的效果。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

準直器是由激光定位器和2個準直管組成，激光定位器用來定位X射線束流的光路，為準直管的擺放與定位提供了參考。準直管放置在雙晶單色器前后兩邊并配有不同孔徑的光闌；前準直管連接光機與激光定位器，對來自光機的X射線進行準直與限束；后準直管則用來對經(jīng)過雙晶單色器衍射后產(chǎn)生的單能X射線進行準直與限束。光闌孔徑大小滿足探測器標定時對光斑大小的要求，另外也可以減少連續(xù)X射線進入探測器造成效率刻度的失誤。

標準探測器使用的是低能型鍺探測器(高純鍺探測器)，型號為CANBERRA GL0110P，利用中國計量科學研究院生產(chǎn)的標準放射源進行能量線性刻度，其能量測量范圍為3～300 keV。廠家給出在最佳設置情況下，高純鍺探測器的分辨率—半高全寬(FWHM)為160 eV(@5.9 keV)，500 eV(@122 keV)。對此探測器，使用放射源標定得知其能量分辨，從而使用該探測器對單色X射線源裝置的能量分辨率進行了研究。

2.2實驗原理

布拉格衍射角θ與能量E之間的關系為：

(1)

式中：n為反射級數(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決定晶體類型，不同的晶面間距反映晶體結(jié)構的周期性變化。對于本實驗所用的兩種類型的硅晶體為簡單立方點陣晶體，其晶面間距d與點陣常數(shù)之間的關系是：

(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 標準探測器能量分辨率研究

能譜儀中用能量分辨率來表征能譜儀系統(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器內(nèi)，能譜儀測量到的脈沖幅度微分譜并不是單一直線，而是近似對稱的鐘罩形曲線[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是全能峰計數(shù)的標準偏差，代表全能峰展寬。在實際應用中我們希望能譜儀的能量分辨率越小越好，分辨率實際上表示能譜儀分辨不同能量粒子的本領[16]。根據(jù)式(4)得到X射線的單色性、探測器的能量分辨率和測得能譜的能量分辨率之間的關系為：

(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為標準HPGe探測器自身的能量分辨率；η2為實際測量實驗中的能量分辨率[17]。

放射性核素可發(fā)射單能X/γ射線，其單色性好，沒有X光機因發(fā)散角度所造成的能量展寬問題，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HPGe探測器進行標定，可以得到探測器自身的能量分辨率。測量結(jié)果如表1所示，根據(jù)測量結(jié)果得到HPGe探測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，并得到關系式(6)。

表1 HPGe刻度采用的放射源類型及射線能量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射線光源單色性實驗

使用2種類型Si晶體進行實驗，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)衍射角度實現(xiàn)對多個能量的X射線進行測量。測量結(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量時發(fā)現(xiàn)單能X射線的能譜展寬變化很小。由于高純鍺探測器的能量分辨率在122 keV只有500 eV的展寬，說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 單色性測試：單能X射線源單色性Fig.3 Monochromaticity test: monochromaticity of single-energy X-ray source

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

表3 晶體Si(551)單色性測試結(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的高純鍺探測器進行了30～160 keV單能X射線裝置單色性實驗，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。本研究驗證了實驗裝置的單色性，為之后更多的標定實驗提供了數(shù)據(jù)支持。通過本實驗對提高裝置單色性做了鋪墊，為改善裝置結(jié)構提供了方向。