N型同轴Ortec伽玛谱仪的安装及使用

摘 要

本文从高纯锗探测器结构、性能、探测原理入手，详细论述了数字化高纯锗谱仪各部分硬件的性能、作用以及谱仪各部件间的通信、电源的连接方法；介绍了数字化高纯锗谱仪与计算机的网络通信设置，并简要了数字化高纯锗谱仪软件安装过程，详细讨论了数字化高纯锗谱仪的各待设参数的作用及设置方法，通过对谱仪系统的优化，提高谱仪的性能；从核素库设置入手，介绍谱仪的能量及半高宽刻度、效率刻度过程；分析了谱仪软件的基本算法；最后通过谱仪软件对样品自动分析方法参数设置入手，简要讨论样品自动分析过程。通过本文论述，全面分析介绍本实验室的数字化高纯锗谱仪的安装、参数设置及使用方法，从而为实验室今后的测试工作带来极大的帮助。

关键词：高纯锗；系统优化；核素库；效率刻度；自动分析

目 录

绪论 ............................................................... 1 1 Ortec伽玛多道谱仪的硬件介绍及安装 ............................... 2

1.1 谱仪硬件介绍 ............................................... 2

1.1.1 高纯锗探测器 ......................................... 2 1.1.2 炮筒 ................................................. 3 1.1.3 数字化谱仪 ........................................... 4 1.1.4 计算机 ............................................... 4 1.1.5 铅室 ................................................. 4 1.1.6 液氮传输橡胶圈、杜瓦瓶 ............................... 5 1.1.7 金属项圈、金属套圈 ................................... 5 1.1.8 网卡、同轴电缆线 ..................................... 5 1.2 谱仪硬件安装 ............................................... 5 2 Ortec伽玛多道谱仪软件安装及参数设置 ............................. 7

2.1 计算机网络协议设置 ......................................... 7 2.2 谱仪软件安装 ............................................... 7 2.3 谱仪软件参数设置 ........................................... 7 3 Ortec伽玛多道谱仪系统刻度及算法简介 ............................ 11

3.1 能量及半高宽刻度 .......................................... 11 3.2 探测效率刻度 .............................................. 14 3.3 算法简介 .................................................. 16

3.3.1 本低值的计算 ........................................ 16 3.3.2 谱峰净面积的计算 .................................... 16 3.3.3 峰位的计算 .......................................... 16 3.3.4 半高宽的计算 ........................................ 17 3.3.5 放射性核素活度的计算 ................................ 17 3.3.6 探测器的探测下限计算 ................................ 18

4 样品自动样品分析 ............................................... 19

4.1 自动分析参数设置 .......................................... 19 4.2 样品分析结果的获取 ........................................ 21 结论 .............................................................. 22 致谢 .............................................. 错误！未定义书签。 参考文献 .......................................................... 24

东华理工大学毕业设计（论文） 绪论

绪 论

半导体探测器是20世纪60年代以后迅速发展起来的一种核辐射探测器，它的工作原理类似于气体电离室，而探测介质是半导体材料。

随着半导体材料和低噪声电子学的发展以及各种应用的要求，先后研制出了P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗探测器、化合物半导体探测器以及其它类型半导体探测器。

半导体探测器的主要优点：

(1)电离辐射在半导体介质中产生一对空穴-电子对平均所需能量大约为在气体中产生一对离子对所需能量的十分之一，即同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在气体中产生的约高一个数量级，因而电荷数的相对统计涨落也就小得多，所以半导体探测器的能量分辨率很高。

(2)带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高。所以当测高能β或?射线时，半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器。

(3)测量电离辐射的能量时，线性范围宽。

由于常用的锗探测器，需要在低温下保存，使用不便。在此基础上，经过科研人员的不断努力，在上世纪70年代诞生一种能经过多次升温和冷却仍然能正常工作、室温下保存的HPGe探测器。而其信号处理则经历了NIM组合式、模拟化集成式谱仪直到当今先进的数字化谱仪。

本文致力于研究核工程技术学院核技术应用实验室中数字化HPGe探测器的安装及使用，为HPGe探测器的稳定、规范运行打下基础。

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1. Ortec伽玛多道谱仪的硬件介绍及安装

1.1 谱仪硬件介绍

Ortec伽玛谱仪硬件由探头、炮筒、金属项圈、数字化谱仪、铅室、杜瓦瓶、计算机、同轴电缆线、网卡、橡胶套组成。 1.1.1 高纯锗探测器

Ortec伽玛谱仪探测γ射线的介质为HPGe半导体材料，高纯锗探测器(HPGe)是在上世纪70年代研制出的一种半导体探测器。由于HPGe探测器经过多次升温和冷却仍然能正常工作，所以它能在室温下保存，从而取代了Ge(Li)探测器，被广泛用于γ射线谱仪中。

同轴高纯锗探测器分为双端同轴(中心孔贯穿整个圆柱体)和单端同轴(中心孔只占整个圆柱体的一部分)两种[1]，当今市场上的HPGe探测器大部分都是单端同轴(本实验室采用此种探测器)，因为这样可以避免为解决前表面漏电流所做的复杂处理。而且可以避免由于前表面入射窗很薄，使得电场在径向分布不均所带来的对低能入射射线所产生的数量较少的载流子收集影响，这时我们还要尽量减少前表面的棱角，将探测器前表面做的圆滑一点。通常的同轴高纯锗探测器是用P型锗制成，又称为常规电极型同轴锗探测器(即P型同轴高纯锗探测器)。但它也可以用N型锗制成，又称为倒置电极型同轴锗探测器(即N型同轴高纯锗探测器)。同轴高纯锗探测器一般为闭端结构，对于P型高纯锗探测器的外接触是较厚的(～600μm)、锂扩散形成的n+接触，而薄的非注入P+接触在孔内。因此，P型同轴高纯锗探测器[2,3,5]仅适用于对40Kev以上的γ射线的探测。对N型同轴高纯锗探测器[4,7]的外接触是较薄的、金硅面垒(～40μg/cm2)或硼离子注入(<0.3μm)形成的P+接触，而厚的非注入n+接触在孔内。两者均在n+接触端外加正电压，P+接触端外加负电压[1]。同轴高纯锗探测器结构图如图1所示。

在用高纯锗探测器测量γ射线时，探测器还必须要在真空、低温环境下工作，因为高纯锗在此时禁带宽度较大，这样可以减少热激发，提高探测器的能量分辨力。另外，为了提高仪器的峰康比除了增大探测器的灵敏体积，还要有好的形状，即要求同轴高纯锗探测器的长度大约等于其直径，中心孔径尽量小一些[1]。而且，我们知道，在测量γ射线时，探测器的外表面应用铝封装，以去除空气中α射线、低能X射线的影响。

实验室所用的探测器与高压盒实物图如图2所示。1：线表示高压线；2：表示电源保护线；3：表示输出信号线；4：表示检测线。

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图1 同轴高纯锗探测器结构图 图2 高纯锗

探测器与高压盒实物图

1.1.2 炮筒

从探测器中出来的信号，如果直接用其传输到数字化处理设备中，由于传输(电缆)线电阻不可能达到绝对0，这必然会减弱探测器输出的信号，而且传输线的电阻值与其长度成正比、与其截面积成反比，所以在长距离传输过程中，必然会造成信号的损失，增大噪声，从而对后续电路处理带来非常大的困难，导致测量精度下降，甚至错误的实验结果。由此，我们在探测器中出来的信号与数字化谱仪之间加上一路前置放大器，以提高输出脉冲的幅度，减少由于传输过程带来的信号损失。

在炮筒中，不仅有前置放大器，还有高压盒(高压滤波器)[3]。因为当γ射线进入探测器的灵敏体积后，形成空穴—电子，如果不能在两极间形成电场，那么空穴-电子对就无法向两极漂移，那么也无法形成感应电荷，从而得不到信号输出(图3为探测器接收信号图)。而且，由于要形成良好的线性，除了高纯锗探测器对入射γ射线的能量响应成良好线性(即产生空穴—电子对数目与入射射线能量成正比)，并且需要形成一个恒定不变的电场，以满足空穴--电子对漂移速度恒定，所以我们必须要将输入的电压进行滤波，已达到高压稳定的效果。炮筒实物图如图4所示。

图3 探头收集信号示意图 图4 炮筒实物图

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1.1.3 数字化谱仪

图5 数字化谱仪后面板图

数字化谱仪是高纯锗谱仪采集、处理的重要部件。他完成的温度、高压状况的实时数据的采集、发出控制信号、报警，以实现高纯锗探测器正常工作；完成死时间的计算与传输；完成脉冲信号的放大、成形；完成脉冲信号的采集(采用DSP芯片对信号进行实时采集)；完成电源的交直流转换、升压、稳压成比较稳定的高压电源以便输出到炮筒中的高压滤波模块中供探头使用；完成高压直流源向低压电源的转换，以便供系统中其他芯片使用；完成与计算机之间的数据传输与交流；个性化设置、保存及出厂设置的恢复。

数字化谱仪后面板图如图5所示。其中红线所指的是主机风扇，应经常检查，5年左右应更换一次[6]；绿色线所指的是主机的电源接口；白线所指的是前置放大器的电源输入接口；鲜绿线所指的是负高压输出线；紫色线所指的是高压保护线；黄色线所指的是前置放大器输出数据输入线。 1.1.4 计算机

在高纯锗多道谱仪中，计算机的作用很大，它实现状态数据的接收及处理、控制信号的输出、核数据的采集与处理、实时间的计算等一系列操作。 1.1.5 铅室

为了实现低活度核素的测量，减少本低计数，以相对提高谱峰净计数的统计涨落，提高低活度核素分析的精度，必须使高纯锗多道谱仪在低本底环境下运行。铅室的作用就是为屏蔽外界射线的干扰、保持测量环境的稳定、减少样品或刻度放射源对测试人员的辐射，实现谱仪的低活度、高精度测量目的，减少测试人员所受剂量。

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1.1.6 液氮传输橡胶圈、杜瓦瓶

液氮在常温、常压下易挥发，随着温度的升高挥发速度激急上升，所以如果将液氮密闭在一个不能稳压的空间里，将可能导致爆炸，所以我们采用液氮传输橡胶圈，来防止液氮挥发、膨胀对人员、仪器造成的损害。杜瓦瓶用于盛装液氮，应具备一定的耐压性。 1.1.7 金属项圈、金属套圈

金属项圈穿过冷指，连同冷指探头一块穿过图6中的金属套圈和液氮传输橡胶圈，并在探头处于合适高度时，固定该项圈的螺丝，维持探头的高度。

金属套圈放置于橡胶液氮传输部分上，两部分一起放置于液氮杜瓦上，用途中的金属螺丝穿过金属套圈和橡胶圈至杜瓦的金属端口，上紧螺丝，固定此两部分。

图6 1：金属套圈、2：液氮传输橡胶圈、3：金属项圈

1.1.8 网卡、同轴电缆线

采用TP-LINK普瑞尔KE-2029 PCI网卡，进行电脑与数字化谱仪间的通信。同轴电缆线实现数据、电压传输。

1.2 谱仪硬件安装

为了实现计算机与数字化谱仪之间、数字化谱仪与高纯这探测器之间的数据传输，必须将这三者通过特定的连接方法连接起来，以实现谱仪硬件间数据、控制信号、电源的顺利传输，达到谱仪工作要求。

在上面的分析中，我们介绍了谱仪中各零部件间的连接过程，这里主要介绍上述两种连接。谱仪硬件连接图如图7所示。图中HPGe探测器与ORTEC数字化谱仪接口线有4根，分别为：

1、保护线：数字化谱仪接REMODE SHUTDOWN IN(电压保护线)端口，高纯锗探测器处接保护线；

2、高压线：数字化谱仪接NEGTIVE 0~5KeV OUTPUT(负高压输出)端口，高纯锗探测器处接高压电源线与炮筒中高压滤波模块相连；

3、信号线：数字化谱仪接INPUT(信号输入线)端口，高纯锗探测器处接

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信号输出线；

4、前置放大器电源信号输入线：将其接入数字化谱仪PREAMP POWER OUTPUT(前置放大器电源输出线)端口。

而数字化谱仪与电源接口，只需将数字化谱仪中ETHERNET端口用同轴电缆线与电脑上TP-LINK普瑞尔KE-2029 PCI网卡相连即可。计算机之间也可以用T型头和同轴电缆线连接起来，构成一个采集网络，但必须注意这时每台计算机工作相互影响，并不是相互独立的采集系统。

图7 谱仪硬件连接图

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2. Ortec伽玛多道谱仪软件安装及参数设置

前面我们介绍了计算机与数字化谱仪之间进行数据及控制指令的传输是通过TP-LINK普瑞尔KE-2029 PCI网卡，所以在进行多道谱仪软件安装之前，必须先进行网络协议设置，达到计算机与网卡及数字化谱仪之间的协议匹配，从而使计算机与数字化谱仪之间能够畅通无阻的进行数据及控制指令的传输。

2.1 计算机网络协议设置

计算机网络协议设置的步骤如下： 1、打开“网络邻居”，点击“网络和拨号连接”，右键选择本地连接属性； 2、点击“配置”→“高级”，将Line Speed值设定为Bnc/10Base 2，点击“确定”；

3、点击“安装”→“协议”，添加NWLink Bios Ipx/spx??协议，将自动增加Net Bios协议；

4、在NWLink Bios Ipx/spx??协议的属性中，选中帧类型，选择Ethernet 802.3；

5、IP设为自动获取。

2.2 谱仪软件安装

Ortec伽玛多道谱仪软件分为两部分：基本设置软件及数据采集、处理软件。在软件安装之前，必须注意此：软件仅在安装了Microsoft Windows 98 SE, 2000, XP以及NT的计算机上才能正常运行；在安装软件之前，谱仪硬件必须连接完好；安装软件时，数字化谱仪应开启，以便软件检测探测器。

1、将基本设置软件光盘放入光驱中，打开根目录下的Disk1，运行里面的 Setup.exe文件；

2.选择合适的通讯端口和通讯协议； 3.重启电脑；

4．将alphavision 5.32光盘放入光驱中，运行根目录下的Setup.exe文件，安装过程中选择计算机与数字化谱仪的连接方式为Attach Daetectors to my PC interface card，其余保持默认即可；

5.重启电脑；

6.运行MCB configuration.exe，进行多道分析器的初始化；

2.3 谱仪软件参数设置

ORTEC数据采集、处理软件的参数设置，主要有高压及其保护模式、放大器、数模转换器4个方面：

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a．高压的具体数值依赖于探测器的出厂推荐值，本实验室采用的N型高纯锗探测器的高压值出厂推荐值为-3000V；

b．放大器的倍数依赖于用户所感兴趣的放射性核素及其能量分布； c．数模转换器的参数也依赖于用户所感兴趣的放射性核素及其能量分布；

d．测量活时间设置。 具体操作过程步骤如下：

1、运行GammaVision 获谱/解谱软件(采集、处理软件)，主界面如图8所示，各部分菜单的含义在图上也已经做出标识，包括：主菜单(九个菜单可供选择：File文件、 Acquire获取Calibrate刻度、Calculate计算、Analyze分析、Library核素库、Services服务、ROI感兴趣区、Display显示)、快捷键、测量主界面、选择主界面显示区、道数与能量显示区、MCB与Buffer选择、测量参数显示区、ROI(感性区)选择、自动寻峰；

图8 GammaVision 获谱/解谱软件运行界面

2、点击“Acquire”→“MCB Properties”出现如图9所示的MCB参数设置菜单。

3、先点击High Voltage菜单，进行探测器高压设置。菜单如下图9所示。对本实验室采用的N型高纯锗探测器，设置高压的目标值(target)为-3000；高压保护模式的选择依赖于高压模块的种类，若为SMART-1类型的高压模块，则选择SMART，若非SMART-1类型的ORTEC的NIM/DIM高压模块，选择ORTEC(实验室采用)；若非ORTEC的高压模块，选择TTL。注意：负载前应检查高压极性和数值避免误操。当输入正确的高压目标值和极性后，选择对应的高压保护模式，即可点击On按钮，对探头加载高压，如要卸载探测器上的高压，则点击控件Off即可。在此菜单中，如果我们没有高纯锗探测器，也可采用为NaI探测器，只要选择Sodium Iodide Detector即可；此处还有高压互缩显示区，若冷却不充分或高压滤波模块被损坏，该处显示为SHUTDOWN。

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图9 高压参数设置菜单

4、先点击ADC菜单，进行数模转化器参数的设置。菜单如下图10所示，其中Gate：是用于一些符合和反符合测量的实验。普通的Gamma能谱的测量置于OFF即可。Conversion Gain为多道分析器的道数选择：若采用NaI探测器，则选择512或者1024即可；一般仅做低能测量的可选择1024或者2048；普通的涵盖高能和低能区的能谱测量可选择8196或16384。Lower Level Disc及UpperLevel Disc分别为上下阈的选择：下阈是为了去除低频/低能的噪音，具体情况具体对待。一般可设为50~100道；上阈一般设置为最大道数-1道。Real Time及Live Time分别为系统测量的实时间和活时间。Count Rate为系统接收的记数率。

图10 数模转化器参数的设置菜单

5、设置测量活时间：先点击Presets菜单，在Live Time中输入所需的

测量活时间。

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图11 MCB参数设置菜单图

6、点击Amplifier菜单，进行放大参数设置。菜单如下图11所示，其中：

Gain为放大器的参数，放大倍数Gain=Fine x Coarse，放大倍数的设置的原则：将所感兴趣的放射性核素的特征峰放大到全道数的70%到80%处，如，用户感兴趣的是60Co，则可将1.332MeV处的全能峰放大到6000道左右； Basefine Restore为基线自动恢复，一般选择Auto即可，若样品活度很高(毫居量级或更高)，可以选择Fast,若样品活度非常低(几十到几百Bq)，可选择Slow；Preamplifier Type为前放类型，依赖于探头的配置，其中257N/257P前放为电阻反馈型(RFP，实验室采用)、232N/232P前放为晶体管恢复型(TRP)、259则可能为RFP也可能为光脉冲反馈POF，前放类型在出厂测试单(QAD)上标明；Input Polarity为输入信号的极性，根据探测器的类型而定，一般负高压对应信号极性为负，正高压对应为正实验室采用-3000V高压，所以选择负极性；Optimize为自动最优化主要是系统根据外界的计数率寻找不同的成型时间下平衡能量分辨率和数据通过率的最佳参数。

如此，就完成了测量活时间、高压及其极性、高压互锁模式、放大器倍数、数模转换器道数以及前放类型和输入信号类型等一系列设置之后，可以进行系统的自动最优化；在探测器上放置活度为微居级的源，点击Start Auto，此时，软件发出操作声，五分钟左右即完成此过程，然后即可进行系统工作性能的测试了。

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3. Ortec伽玛多道谱仪系统刻度及算法简介

上面介绍了谱仪系统的硬件的连接和软件的参数设置，操作完成之后，下面进行谱仪系统测试。下面介绍使用高纯锗探测器进行能量及半高宽刻度、探测效率刻度。

3.1 能量及半高宽刻度

能量刻度第一步是获取含有已知放射性核素及其特征峰能量值的刻度源的能谱。将刻度源放置于探头的端窗上，关闭铅室。依次点击Acquire→Start对标准刻度源开始测量。在主窗口中出现一个比较明显的可定义峰时，当测量活时间到再停止计数，依次点击Acquire→Stop，这样就完成了刻度源的能谱的采集(本次采用152Eu片状源，测量谱线如图12所示)，依次点击File→Save，将文件保存在用户适当的文件夹中。

注意：测量的时间依赖于感兴趣放射性核素特征能量射线的辐射强度及用户所要求的统计量。对于刻度而言，全峰面积的计数一般要超过100,000，对应的统计误差为0.3%。

图12 152Eu刻度源能谱图

1、依次点击Calibrate→Energy，会弹出三个新窗口，为别为：Energy、Energy Table和Calibra?(如图13所示)。这些窗口可以被选择，也可以通过鼠标拖拽窗口上面的颜色条来移动。

2、从Calibra?窗口，鼠标单击该窗口的最左上角部分并在弹出菜单中选择Destroy (如图14所示)。此操作将删除之前存在的全部刻度信息。

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因为GammaVision是通过核素库来管理能谱的分析信息的，而GammaVision本身自带了一定数量的含有不同放射性核素的核素库。对于刻度而言，Calib.lib核素库文件包含了常用的能谱刻度所需的放射性核素的峰信息。

3、依次点击Library→Select File。Calib.lib核素库文件默认保存在User文件夹内。若用户已经将核素库Calib.lib文件保存在其他目录中，转到该目录后单击Calib.lib文件并点击Open即可完成该核素库文件的上传。

图13 能量刻度窗口图 图14 删除之前存在的全部刻度信息图

4、依次点击Library t→Edit→GammaVision Editor，在弹出的窗口中将显示该核素库文件包含的所有放射性核素的信息(包括核素的各个峰的信息)。

比较Calib.lib核素库文件与用户的刻度源标定证书上所含有的放射性核素。用户可以将标定证书中未含有的放射性核素从该Calib.lib核素库中删除，选择某个要删除的放射性核素后，点击左边Cut按钮即可；如果核素存在，而刻度时，不采用该放射源的某一能量的射线，在右边窗口中选种不需要的射线能量，点击右边Cut按钮即可。

若增加一个核素，点击左边Insert按钮，输入Nuclide Name(核素名)，Half Life(半衰期)及Uncertainty(不确定度，一般为5%，采用刻度源刻度报告中确定度值)，点击Ok按钮；点击右边Insert按钮，填加所需要的核素射线能量值、分支比以及射线的种类，点击Ok按钮，从而完成核素的填加。

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图15 能量刻度拟合数据列表图

图16 能量刻度拟合的结果图示

5、在Calibra?窗口中点击Auto Calibrate，完成能量和半高宽的刻度，随后软件会给出能量刻度拟合数据列表图 (如图15所示)和拟合的图示结果(如图16所示)。能量和道数的拟合结果应该具有较好的线性关系。如果不是，请返回到步骤4，仔细检查核素库中的放射性核素与用户所用刻度源的标定证书上所列的放射性核素是否一致，即所有能量点必须保持一致。核查能量刻度拟合结果也可以通过能量拟合数据列表中的Delta的值，此值给出了拟合的结果和实际值之间的相对误差。对于一个很好屏蔽的系统，好的能量刻度，此处的Delta值应该是很小，一般应小于1.5％。

检查一下FWHM半高宽的刻度情况，在Calibr窗口中选择FWHM，数据列表和图示将立刻显示出来(如图17、18所示)，半高宽将随着能量的增加而增加(虽然不是严格的线性关系)。

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图17 FWHM刻度拟合的结果图示 图18 FWHM刻度拟合数据列表图

6、保存能量宽度文件，在Calibra?窗口中点击Save。命名并保存该文件在用户自己设定的文件夹内，点击保存按钮即可。单击Calibra?窗口的最右上角的”X”，关掉此窗口。当前系统所使用的能量刻度信息即为刚刚保存的文件，包含能量、半高宽(FWHM)与道数的关系。

3.2 探测效率刻度

1、依次点击Calculate→Strip…，减去测量本底。注意：本底的测量时间应与样品测量时间相同。

2、依次点击Calibrate→Efficiency，然后点击Calibra?框图最左上角，并在弹出的菜单中选择Destroy。这步操作和能量刻度类似，将清除系统保存的以前的效率刻度的信息，系统的能量及半高宽刻度将保持不变。

图19 探测效率计算菜单

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图20 选择多项式拟合效率刻度数据 图21 探测效率刻度拟合曲线

在下列步骤3和4中，可以选择所感兴趣的峰信息。在这个过程中，请确保每个放射性核素的峰输入的顺序必须遵从低能到高能。

3、下面介绍如何选定系统效率刻度所需核素，在核素的所有峰的清单中，按照峰的能量的高低排列。在本次测量中，152Eu片状刻度源中拥有最低能量峰为39.9KeV。在软件操作界面右边的峰选择部分(Peak)的方向箭头，将光标移至39.9KeV峰处。鼠标右键点击该峰，在弹出的菜单中选择Peak Info可以查看光标所在处峰的对应能量，也可以从软件操作界面的底部信息框中得到峰信息。

4、对任意一个峰的处理，请遵循下述过程：在Calibra?窗口中选择Enter按钮，在效率数据列表上会出现一个输入栏。选择输入框之后，点击Calibra?窗口上的Calc…按钮，效率的计算窗口将弹出(如图19所示)。参考用户刻度源的标定证书，填写效率计算所需的参数(如标定时间、该能量峰的光子辐射强度等)，完成后点击Calculate Efficiency按钮即可计算出探测器对此能量射线的探测效率，点击OK返回到软件的主菜单。

5、对152Eu片状刻度源中所含有的每个特征γ射线的效率刻度，重复上述过程。请记住要确保某个核素的所有峰按照能量从低到高的顺序输入。

6、在选定了某个核素做效率刻度时，从Calibr窗口上的Mode列单上选择Polynomial (多项式)选项(如图20所示)，以拟合结果(如图21所示)应该非常接近样品测量的实验点[8,9]。

7、若保存探测效率刻度结果文件，请点击Calibra?窗口上的Save按钮，打开自己的工作文件夹，命名该刻度文件，点击Save。

8、保存好效率刻度文件之后，点击Calibra?窗口最右上角的”X”关掉此窗口。

9、接下来，保存整个刻度文件，文件后缀为CLB。此文件可以用于后期实验中几何尺寸和样品内容均与此刻度源一致的样品能谱分析。

10、依次点击Calibrate→Save Calibration。进入用户自己的工作文件夹，

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命名该文件并点击Save之后保存。弹出的一个对话框允许用户加入对该刻度的详细描述。描述输入之后，点击OK完成操作。

3.3 算法简介

在高纯锗多道谱仪软件中，我们知道，当在测量谱中，用鼠标左键点击某一峰时，会出现一系列值。下面简要介绍这些值的计算方法。 3.3.1 本低值的计算

高纯锗多道谱仪采用梯形法计算谱峰的本低。首先对原始谱线每道计数Ci采用x点平均的方法将谱数据平滑成Bi(x的确定原则：最初采用5点平均的方法平滑谱数据，如果平滑的数据值不在原始数据的一个均方差的范围内，则采用3点平均的方法平滑谱数据，同样如果平滑的数据值不在原始数据的一个均方差的范围内，则不对原数据进行平滑处理)，在选定计算本低的起末道[l,h]之后，就可以通过下式计算出谱峰的本低值BEN：

Bl?Bh???h?l?1??BEN?

2 (3-1)

1本低误差：

?BEN?BEN??b?l?1??2???

i?j??其中：i表示低能段采用了i点平滑方法；j表示高能段采用了j点平滑方

法。

3.3.2 谱峰净面积的计算

谱峰净面积JING等于谱峰总面积减去谱峰本低值。计算公式如下：

JING??Ct?BEN (3-3)

t?lh净面积本低误差：

2??22?JING??总面积误差???BEN???Ct???BEN (3-4)

?t?l? h2其中：l、h的含义同上。 3.3.3 峰位的计算

计算峰位，首先必须计算出谱峰的各道净计数Ji(其大小等于此道谱线计

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数减去相应道的本低值)，那么峰位F的计算公式为：

F???t?J?tt?lh?Jt?lht (3-5)

3.3.4 半高宽的计算

本软件当中采用插值的方法计算谱峰的半高宽，首先通过计算峰位得出谱峰的计数最大值，从而得到谱峰最大计数一半处的高度，分别在谱峰最大计数两侧取最大计数一半值左右临近的两点。此时插值点如图22所示，分别为:a(Ea,Ia)、b(Eb,Ib)、c(Ec,Ic)、d(Ed,Id)。采用插值得到谱峰半高宽为：

图22 多道γ谱仪谱峰FWHM计算示意图

FWHM?Ed???I?IdI?IaE?E?E?E?E?cd??a?ba?? (3-6)

Ic?IdIb?Ia??3.3.5 放射性核素活度的计算

假如我们采用能量为E的γ射线，此γ射线的发射几率(分支比)为γE，

经效率刻度可知探测器对能量为E的的探测效率为ηE，测量活时间为t。经谱峰净面积计算可知能量为E的γ射线峰净面积为JINGE，则此核素的活度AE为：

JINGEAE??E??E?t (3-7)

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东华理工大学毕业设计（论文） 3.Ortec伽玛多道谱仪系统刻度及算法简介

3.3.6 探测器的探测下限计算

前面介绍过，谱峰的净面积(JING)等于谱峰的总面积(Z)减去谱峰本低计数(BEN)。由于存在统计涨落，在67%置信度时：

??JING??Z?BEN????(3-8) ??Z?BEN??

由此得到峰净面积的百分误差(%err)为：

Z。所以，谱峰面积越大时，统计误差越小。单位时间内计数BEN率越高时误差越小。在给定的测量时间Δt内，对于峰净面积测量的百分误差要求为%err时，在67％置信度的情况下，解方程9可得，可探测到的最小峰净计数率为：

Z?BEN(S?1)%err??100??100(3-9) 2Z?BENBEN(S?1)

其中：S?MinMDA?CPMJING2??1?%err????1?1?8??t?CPM?BEN???2?100????%err??2??t? (3-10) ?100??其中：CPM为每分钟峰的计数。

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东华理工大学毕业设计（论文） 4.样品自动样品分析

4. 样品自动样品分析

GammaVision 集成了伽玛能谱分析所需的重要参数，用户可以在Sample Type设置项的对话框中轻松实现参数设置。大多数情况下，实验操作员可参考模版，以实现绝大多数的样品能谱的分析。在大多数情况下用户所需要设置的参数包括Calibration 刻度、Peak Library Data 核素峰信息库、Report Output Requirements 分析报告输出设置、Decay Corrections 衰变校正、Method of Peak Analysis 峰分析方法。

4.1 自动分析参数设置

1、创建一个仅包含本次测量感兴趣的放射性核素的库文件。从

GammaVision的主视窗界面选择Library→Select File，Calib.lib核素库文件默认保存在User文件夹内。若用户已经将核素库Calib.lib文件保存在其他目录中，转到该目录后单击Calib.lib文件并点击Open即可完成该核素库文件的上传。删除一些不会用到的其它放射性核素，保存此库文件为用户自定义的一个文件名：单击编辑页面的左上角的Windows图标，选择Save Library As，保存为一个新文件。

2、从核素库中删除核素，首先在核素列表中选择该核素(单击该核素)，然后选择Cut；向核素库中添加核素，点击编辑界面的左上角的Window图标，选择Show MasterLibrary，从User文件夹中选择Suspect.lib核素库文件，点击Open(界面如图23所示)。

图23 添加自定义核素库界面图

3、从Suspect.lib核素库文件中向之前的库文件中添加我们所感兴趣的核素：在Suspect.lib核素库列单中选择我们所感兴趣的核素，接着，在自定义的核素库编辑窗口点击Insert刚才所添加的核素。重复此步骤，添加全部我们所

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东华理工大学毕业设计（论文） 4.样品自动样品分析

感兴趣的核素。单击Suspect.lib核素库窗口的右上角的”X”关闭此核素库，相同的步骤关闭自定义的核素库。提示的信息会告诉我们，核素库文件已经被更改，是否需要保存此更改，点击YES按钮，然后软件会返回分析主界面。

上一章介绍了对系统最基本刻度之前所需要的必须步骤：能量Vs道数、峰形刻度、效率刻度。

4、现在，创建一个能够应用于很多样品的分析模版。选择Analyze→Settings→Sample Type后，将弹出分析对话框，。

下面将要进行的是创建一个可应用于多个样品分析的分析模块，该文件将被保存成SDF文件并用于我们的分析。

5、选择Sample栏，单击Sample面板上的Save As，转到工作文件夹，命名后点击Save保存该模块。参照下述步骤完成Sample栏的参数设置：点击Presets，将光标置于Live Time输入栏，并输入用户所想要完成的实验获取时间，单位为秒，在测量过程中，输入28,800秒，点击OK；在描述栏中输入用户对该实验的描述。在Analysis Range From和To中输入200及16000，并将Random Summing设置为0；选择Auto Background Trype；单击Browse，在Nuclide Library中选择自定义核素库文件(步骤1到3所创建的文件)；单击Browse，在Calibration中选择效率刻度中保存的文件。

6、单击System栏，参考下述步骤：完成Laboratory和Operator Name信息栏的输入。选择ORTEC传统的MDA Type设置Peak Search Sensitivity寻峰敏感度为3并完成其它剩余部分。

7、单击Decay栏，完成下述设置：核对Decay Correction Collection信息栏(用于校正样品获取过程衰变产生的误差)。填入Date和Time(包括测量开始及结束的时间和日期)。

提示： During Acquisition衰变校正主要校正样品计数过程中，放射性核素衰变所产生的误差。GammaVision同时还允许用户校正样品取样过程中核素衰变产生的误差(Collection Check，在Sample Collection下面)。

8、点击Report栏：选择位于Uncertainty Reporting下面的Persent和Total，以及Confidence Level下面的2-Sigma，这样最后报告中每2-Sigma水平的不确定度将对应活度不确定度的一个百分点(也可以选择以活度显示不确定度)。在Output下面，找到Display Analysis Results并选择Program。用户必须选择文本编辑或者直接显示结果。假如我们选择了NOTEPAD.EXE，即记事本编辑结果，该选择在分析完成后，分析结果将以记事本文件的形式存在。

9、点击Analysis栏，选择分析引擎以及其他不确定因素。在Analysis Method中选择WAN32作为分析引擎；在额外不确定因素选项中，添加测量所包含的不确定项。用户也可以在Additional Error界面中增加随机误差项。

10、因为每个样品的体积必然会有少许不同(并不需要每次都和刻度源完全一致)，样品体积信息需要输入。实现此功能可以通过Ask On Start或者Ask On Save Options。

11、若要实现完成测量后保存能谱时，让GammaVision提示用户输入样品的体积等信息，可以通过File→Settings，在Ask On Save Options栏选择Sample Size。此操作将保证每个样品的参数都会被输入，同时也允许用户为其它样品创建一个模块。

12、在Save File Format栏中的Integer.Spc处打勾，表示选择将能谱保存为Integer.SPC格式。

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东华理工大学毕业设计（论文） 4.样品自动样品分析

4.2 样品分析结果的获取

GammaVision做一次分析时，将会依据用户定义产生一系列的分析报告，改变这些报告的默认保存位置，可以从软件的主页面中的File→Settings，选择Directories浏览默认的设置。修改这些设置可以点击Directories面板上的Modify并指向用户所选定的文件夹。

参考刻度源放置的位置，测量时将样品放置在探头上。样品的分析和报告的参数均取自上面所设定并保存的参数文件Sample Definition File(.sdf格式)。

下面我们可以设定一个自动的对话框，依据此对话框中的参数输入完成待测样品组中不同样品的测量参数。这些参数包括：样品描述、样品尺寸。选择Acquire→Start，将会弹出一个对话框，在此对话框中包含了用户需要预先设定的一些测量参数，根据具体情况输入相应的参数，并点击OK按钮。这些参数和能谱保存在一起，以供分析所用。当这些参数设置完成后，能谱获取就可以开始了。能谱获取完成之后，选择Analyze，Entire Spectrum in Memor，样品参数定义文件保存了前面所设定的所有参数，然后将有一个分析结果报告弹出(此步也可以通过记事本创建一个分析结果文件)。

分析报告包括了所有相关的数据和刻度信息，获取日期和时间以及前面定义的感兴趣的核素库所包括的所有放射性核素的活度值。

由于实验室中只有片状刻度源，没有片状样品，所以在此不能完成我们所期待的自动分析。

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东华理工大学毕业设计（论文） 结论

结 论

结论：由于高纯锗探测器对入射γ射线具有良好的能量线性，并且产生载流子的数目大，使得谱仪的能量分辨力很好。本文从高纯锗探测器结构、性能、探测原理入手，详细论述了数字化高纯锗谱仪各部分硬件的性能、作用以及谱仪各部件间的通信、电源的连接方法；介绍了数字化高纯锗谱仪与计算机的网络通信设置，并简要了数字化高纯锗谱仪软件安装过程，详细讨论了数字化高纯锗谱仪的各待设参数的作用及设置方法，通过对谱仪系统的优化，提高谱仪的性能；从核素库设置入手，介绍谱仪的能量及半高宽刻度、效率刻度过程；分析了谱仪软件的基本算法；最后通过谱仪软件对样品自动分析方法参数设置入手，简要讨论样品自动分析过程。通过本文论述，全面分析介绍本实验室的数字化高纯锗谱仪的安装、参数设置及使用方法，从而为实验室今后的测试工作带来极大的帮助。本文也有许多不足之处，如没有实际进行样品的自动分析等。

建议：

1、由于南方天气比较潮湿，为使得谱仪正常、长久运行，应注意对仪器工作环境除湿；

2、将杜瓦瓶中挥发出的氮气引入到铅室中，以排除铅室中空气，减少空气中放射性核素对测量的影响；

3、将分离的元件的对地电压(0V)，连接起来接地，保持各部件对地电压相同，防止电压参考值变化对测量结果的影响；

4、由于高纯锗探测器必须在低温下(液氮冷却)使用[10]，基于实验室液氮购买费用开销较大，应采取一些液氮循环使用措施[11]，提高液氮使用率，降低仪器运行成本；

5、为充分利用此高精度分析仪器，将其更好地投入到教学、科研中去，应投入更多的人力、物力到此工作中去。

6、为测试样品的顺利进行，应购置一些刻度源，用于对不同样品的测量工作。或者采用无源效率刻度。

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东华理工大学毕业设计（论文） 致谢

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东华理工大学毕业设计（论文） 参考文献

参考文献

[1] 清华、北大、复旦三校合编，原子核物理实验方法，原子能出版社，北京

[2] Donald L.Horrocks，The H Number Goneep 1997，Beckman Technical Report 1095-NUO-77-17 [3] 吴绍云等，P型同轴HPGe探测器，核电子学与探测技术，1984.3 [4] Raudorf T.W.et.al.，IEEE Trans. Nucl. Sci.，26(1)，297（1997） [5] 邢静袾等，P型同轴HPGe探测器的进展，原子能科学技术，1986.7

[6] 袁肇云等，ORTEC高纯锗伽玛谱仪系统的功能与特点，核电子学与探测技术，2007.5 [7] 吴绍云、王征华，N型高纯锗探测器，核电子学与探测技术，1987.3 [8] 用Eu-152点状γ标准源校准锗γ谱仪，JJG 417-86

[9] 朱传新等，高纯锗探测器探测效率研究，核电子学与探测技术，2006.3

[10] 吴绍云等，同轴型高纯锗探测器的温度循环性能，核电子学与探测技术，1987.7 [11] 马瑞刚等，高纯锗探测器液氮自动补给系统研制，原子能科学技术，2006.1

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东华理工大学毕业设计（论文） 参考文献

参考文献

[1] 清华、北大、复旦三校合编，原子核物理实验方法，原子能出版社，北京

[2] Donald L.Horrocks，The H Number Goneep 1997，Beckman Technical Report 1095-NUO-77-17 [3] 吴绍云等，P型同轴HPGe探测器，核电子学与探测技术，1984.3 [4] Raudorf T.W.et.al.，IEEE Trans. Nucl. Sci.，26(1)，297（1997） [5] 邢静袾等，P型同轴HPGe探测器的进展，原子能科学技术，1986.7

[6] 袁肇云等，ORTEC高纯锗伽玛谱仪系统的功能与特点，核电子学与探测技术，2007.5 [7] 吴绍云、王征华，N型高纯锗探测器，核电子学与探测技术，1987.3 [8] 用Eu-152点状γ标准源校准锗γ谱仪，JJG 417-86

[9] 朱传新等，高纯锗探测器探测效率研究，核电子学与探测技术，2006.3

[10] 吴绍云等，同轴型高纯锗探测器的温度循环性能，核电子学与探测技术，1987.7 [11] 马瑞刚等，高纯锗探测器液氮自动补给系统研制，原子能科学技术，2006.1

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lrg7.html