30～160 keV单能X射线装置的单色性实验研究

王二彦，蒋 政，郭思明，吴金杰，杨 强，周鹏跃，宋瑞强

(1.成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都 610059； 2.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

对于各种X/γ谱仪来说，校准探测器的重要性是众所周知的。近年来，探测器的使用范围变得更加广泛，探测器类型繁多，对校准探测器的要求也逐步提高。像天体探测器这种类型的探测器来说，需要标定更多能量点，更大的能量范围。因此产生单色性更好、能量范围更大的单色光，对标定X/γ谱仪具有重要作用。要做好单色硬X光探测元器件能量响应绝对标定工作，需要具备以下条件：(a) 一个好的标定光源，具有单色性好、强度高、能区宽、能量点连续可调等优点，可对更多硬X光探测元器件进行能量响应标定；(b) 一套完善的标定装置，既具有使用简便、灵活，通用性好，更换标定元件方便，可节省用光时间，提高标定效率，还可以提高标定精度[1]。

能产生单能X射线的方式除X光机布拉格衍射，还有放射性核素、K荧光和同步辐射X射线源。放射性核素虽然是实验室中探测器测试和定标常用设备，但是放射核素安全隐患多，射线束流强相对较弱，可供使用放射源种类较少，能谱易受内部散射等影响；对于半衰期短的放射源，其使用时间有限，需要经常补充[2]。K荧光X射线是通过初级X射线激发次级靶产生的，受材料限制，只能用于特定能量，无法对能量响应进行细致标定[3]。同步辐射X射线源的能量分辨率极佳，具有极高的流强、极好的平行性，并且能量连续可调，是非常理想的标定光源；但是同步辐射加速器建造昂贵且数量有限，因此寻找能够代替同步辐射X射线光源的装置就非常急迫。中国计量科学研究院搭建的单色X射线光源装置基于X射线光机产生连续谱X射线，通过双晶单色器布拉格衍射得到单能X射线，调节布拉格衍射角可以获得单色性好，能量连续可调的单能X射线[4]。

近几年，我国在单能X射线装置进行了多次标定实验，如“慧眼”卫星搭载的X射线探测器及望远镜[5]、GECAM卫星搭载的GRD(溴化镧X射线探测器)[6]、ASO-S卫星搭载的HXI(溴化镧X射线探测器)[7]以及中法合作卫星SVOM搭载的GRM(碘化钠γ射线探测器)[8]等探测器的能量响应标定、测量物质X射线质量衰减系数[9～11]和多层膜反射率测量等研究[12]。大量的实验标定数据通过放射源的实验诊断，保证了单能X射线装置的实验数据具有一定的可靠性。

2 实验装置及原理

2.1实验装置

实验在硬X射线地面标定装置上进行，主要由X光机、双晶单色器、准直器以及标准探测器组成[13]。如图1所示，其中光机管电压为225 kV，额定电流最大可到20 mA，且稳定性良好；双晶单色器是由2块硅晶体及固定结构和角度转台组成，根据布拉格衍射原理可知，转动不同角度可以获得不同能量的单色光，从而达到单色光能量的连续可调且稳定的效果。

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

准直器是由激光定位器和2个准直管组成，激光定位器用来定位X射线束流的光路，为准直管的摆放与定位提供了参考。准直管放置在双晶单色器前后两边并配有不同孔径的光阑；前准直管连接光机与激光定位器，对来自光机的X射线进行准直与限束；后准直管则用来对经过双晶单色器衍射后产生的单能X射线进行准直与限束。光阑孔径大小满足探测器标定时对光斑大小的要求，另外也可以减少连续X射线进入探测器造成效率刻度的失误。

标准探测器使用的是低能型锗探测器(高纯锗探测器)，型号为CANBERRA GL0110P，利用中国计量科学研究院生产的标准放射源进行能量线性刻度，其能量测量范围为3～300 keV。厂家给出在最佳设置情况下，高纯锗探测器的分辨率—半高全宽(FWHM)为160 eV(@5.9 keV)，500 eV(@122 keV)。对此探测器，使用放射源标定得知其能量分辨，从而使用该探测器对单色X射线源装置的能量分辨率进行了研究。

2.2实验原理

布拉格衍射角θ与能量E之间的关系为：

(1)

式中：n为反射级数；h为普朗克常量，h=6.626 069 57(29)×10-34J·s，若以eV·s为能量单位则为h=4.135 667 43(35)×10-15eV·s；c为光速，大小为3×108m/s；d为晶面间距，d决定晶体类型，不同的晶面间距反映晶体结构的周期性变化。对于本实验所用的两种类型的硅晶体为简单立方点阵晶体，其晶面间距d与点阵常数之间的关系是：

(2)

式中：a为晶胞常数，大小为5.430 71×10-10；h,k,l为布拉格平面的密勒指数。因此，我们可以计算出Si(220)晶体和Si(551)晶体的晶面间距为dSi(220)=1.92-10，dSi(551)=7.60-11，从而对不同晶体的单色性的研究就可以得知单能X射线装置的单色性[14]。

3 标准探测器能量分辨率研究

能谱仪中用能量分辨率来表征能谱仪系统分辨粒子不同能量的特性。能量为E0的单能带电粒子，如果能量全部都损失在探测器内，能谱仪测量到的脉冲幅度微分谱并不是单一直线，而是近似对称的钟罩形曲线[15]。能量分辨率可表示为：

(3)

式中： ΔEh是全能峰半高宽(FWHM);E0是全能峰峰位。由于全能峰服从正态分布，所以式(3)可变为：

(4)

式中:σE0是全能峰计数的标准偏差，代表全能峰展宽。在实际应用中我们希望能谱仪的能量分辨率越小越好，分辨率实际上表示能谱仪分辨不同能量粒子的本领[16]。根据式(4)得到X射线的单色性、探测器的能量分辨率和测得能谱的能量分辨率之间的关系为：

(5)

式中：η0为单能X射线的单色性，单位与能量分辨率相同；η1为标准HPGe探测器自身的能量分辨率；η2为实际测量实验中的能量分辨率[17]。

放射性核素可发射单能X/γ射线，其单色性好，没有X光机因发散角度所造成的能量展宽问题，是理想的X/γ射线源。因此利用放射性核素发射的单能X/γ射线对HPGe探测器进行标定，可以得到探测器自身的能量分辨率。测量结果如表1所示，根据测量结果得到HPGe探测器自身能量分辨率与射线能量之间的拟合曲线，如图2所示，并得到关系式(6)。

表1 HPGe刻度采用的放射源类型及射线能量Tab.1 Types of radioactive sources and ray energy used in HPGe calibration

图2 HPGe能量分辨率刻度曲线Fig.2 HPGe energy resolution scale curve

(6)

4 单能X射线光源单色性实验

使用2种类型Si晶体进行实验，其中Si(220)晶体用于低能(30～80 keV)，而Si551晶体用于高能(80～160 keV)的单能X射线衍射，调节衍射角度实现对多个能量的X射线进行测量。测量结果分别如表2和表3所示。图3为2种晶体的单色性曲线，可以看出在80 keV能量点处不同晶体产生的单色光的单色性一样，使用同一种晶体在测量时发现单能X射线的能谱展宽变化很小。由于高纯锗探测器的能量分辨率在122 keV只有500 eV的展宽，说明单色性的影响因素只有光子束本身的发散角度和晶体衍射角度。

图3 单色性测试：单能X射线源单色性Fig.3 Monochromaticity test: monochromaticity of single-energy X-ray source

表2 晶体Si(220)单色性测试Tab.2 Monochromaticity test results of crystal Si(220)

表3 晶体Si(551)单色性测试结果Tab.3 Monochromaticity test results of crystal Si(551)

5 结 论

利用能量分辨率为500 eV@122 keV的高纯锗探测器进行了30～160 keV单能X射线装置单色性实验，在该能量段内，Si(220)晶体的单色性在2.3%以下，Si(551)晶体的单色性在3.5%以下。本研究验证了实验装置的单色性，为之后更多的标定实验提供了数据支持。通过本实验对提高装置单色性做了铺垫，为改善装置结构提供了方向。