余 涛, 郭思明, 周建斌, 蒋 政, 郄晓雨,3,郭锴悦,4, 吴金杰

(1. 成都理工大学,四川 成都 610059； 2. 中国计量科学研究院, 北京 100029；3. 河北科技大学,河北 石家庄 050018； 4. 中国计量大学,浙江 杭州 310018)

1 引 言

中国计量科学研究院昌平实验基地目前已建立能量覆盖5～300 keV的单能X射线源,可以满足空间天文卫星的地面标定要求。天基多波段空间变源监视器(SVOM)卫星的有效载荷γ射线探测器[1,2](GRD)将在昌平实验基地进行地面标定。CdTe晶体中48Cd,52Te元素的原子序数大,密度高,故它对X,γ射线的阻止能力高,吸收能力强,本征探测效率较高,而且CdTe探测器对温湿度不敏感,可直接在室温下使用[3～6]；因此可以用CdTe探测器进行探测效率刻度实验。

采用蒙特卡罗模拟程序对CdTe探测器的在10～260 keV能量段的探测效率进行模拟计算[7～10],得到模拟效率曲线图,然后用单能X射线辐射装置对10～100 keV能量范围内的探测效率进行了实验刻度。结果表明,模拟效率与实验效率趋势一致,最大误差小于5.6%。实验结论对单能X射线源探测器的选择提供了有效的数据支持。

2 探测效率的模拟计算

本文采用的实验仪器为AMETEK生产的X-123 CdTe探测器,其结构尺寸如表1所示。根据结构尺寸图,用MCNP5为蒙特卡罗模拟建立几何模型,定义放射源为单能平行束面源,平行束面源的面积小于探测器探头的面积,每个能量点模拟的粒子数目为108，计算出探测器在10～260 keV能量范围内的探测效率η：

(1)

式中：η为本征探测效率；n1为探测到的光子数；n2为入射到探测器的光子数。

表1 CdTe探测器几何参数Tab.1 CdTe detector geometry parameters

MC模拟得到的探测效率曲线如图1所示。

图1 CdTe探测器模拟效率曲线Fig.1 CdTe detector simulation efficiency curve

由模拟结果可知,CdTe探测器在10～60 keV具有很高的探测效率,探测效率值都在75%以上；但是在27 keV和32 keV能量点时,探测效率突然下降,这是因为52Te元素被激发产生的Kα与Kβ特征X射线发生逃逸未被记录下来,之后探测效率曲线呈先上升后下降的趋势。每个模拟能量点的统计误差均小于1%。

3 单能X射线辐射装置

3.1 5～40 keV单能X射线装置

5～40 keV单晶单能X射线辐射装置主要由4部分组成：X光管、单晶单色器、准直器以及标准探测器。整体设计是将X光管与晶体放在两个同轴旋转转台上,中心轴与旋转驱动件连接,中心齿轮套于中心轴上,当晶体旋转θ角,外圈齿轮带动光管旋转2θ角,从而保持X射线的出射方向不变。通过单色器转台器控制X射线衍射角,由布拉格衍射原理得到相应的单能X射线。图2是单晶单能X射线装置实物图。

图2 单晶X射线装置Fig.2 Single crystal X-ray device

3.2 40～160 keV单能X射线装置

40～160 keV单能X射线辐射装置主要包括4个部分：X射线源、准直管、双晶单色器、移动和定位系统。X射线管发出的X射线经前准直管准直后打在双晶单色器上,经过双晶单色器后得到单能X射线,经过后准直管,形成准平行束,移动和定位系统主要放置标准探测器和被校准的X射线探测器。其装置示意图如图3所示。

图3 双晶X射线装置示意图Fig.3 Schematic diagram of double crystal X-ray device

4 探测效率的实验刻度

本文使用型号为CANBERRA GL0110P的HPGe探测器作为标准探测器对CdTe探测器进行探测效率的刻度实验[11,12]。实验流程如下：先用标准探测器测量X光机经晶体衍射后单能峰通量,获得标准探测器在设定时间内的光子计数N1,其中标准探测器的探测效率为η3；然后将标准探测器更换为CdTe探测器,测量相同束流情况下的光子计数N2；则CdTe的探测效率η2为：

(2)

通过调节单晶标定装置中晶体的角度来改变单能X射线源的能量,则可以得到不同能量点CdTe探测器探测到的能谱。单能X射线辐射装置束流的稳定性小于1%@1h[13]。现场实验如图4所示。

图4 现场实验图Fig.4 Field experiment diagram

在实际测量时,对10～80 keV能量段,取步长为1 keV进行测试；对80～100 keV能量段,取步长为5 keV进行测试。对测试得到的数据进行计算分析,得到效率与能量关系曲线,如图5所示。

图5 CdTe探测器实验效率曲线Fig.5 CdTe detector experiment efficiency curve

由图5可知实测效率与模拟效率的趋势是一致的,计算得到实验效率与模拟效率的误差如表2所示,其最大误差为5.6%。在60～100 keV区间内,由于光子能量增大,部分光子直接穿透CdTe晶体而不能被晶体吸收,所以导致探测效率逐渐下降。

表2 实验效率与模拟效率的误差Tab.2 The error between experimental efficiency and simulation efficiency

5 标准放射源对CdTe探测器的效率刻度验证

放射源具有4 π 发射的特性,为得到准平行条件,要将源与探测器设置的距离足够远,放射源探测效率刻度原理如图6所示[14]。

图6 探测效率刻度原理示意图Fig.6 Schematic diagram of detection efficiency calibration

设放射源与探测器的距离为d,探测器半径为r,用εabs表示源峰探测效率,εins表示本征峰探测效率,传递因子F作为源峰探测效率与本征峰探测效率的转换系数,可表示为：

(3)

实验中采用的是2种标准γ放射源：(1)241Am：活度为938 8 Bq,59.54 keV的射线强度为35.78%；(2)133Ba：活度为1.45×105Bq,81 keV的射线强度为32.9%。标准源的尺寸均为小圆柱型,规格均为 32 mm×4 mm。其详细信息如表3所示。

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

将放射源放置于半圆形支架上,放射源与CdTe探测器探头的距离为(15±0.1)cm,探测器与放射源都放于光学平台上,实际测量时,放射源与探测器的摆放如图7所示。

图7 放射源测试实验图Fig.7 Radioactive source test experiment diagram

实验得到241Am和133Ba两种放射源的脉冲图如图8所示。

图8 241Am与133Ba脉冲图Fig.8 Pulse diagram of 241Am and 133Ba

探测器的源峰探测效率计算公式如下：

(4)

式中：εabs表示全能峰的探测效率；n表示全能峰净面积的计数；A表示放射源活度；t表示测量时间；f表示分支比。

使用ROOT软件对所测能谱图进行高斯拟合,可以得到全能峰净面积计数。根据公式(4)计算得到CdTe探测器在不同能量下的源峰探测效率,再由公式(3)可以计算出能量为59.54 keV和81 keV的本征探测效率。实验效率与模拟效率结果如表4所示。

表4 实验效率与模拟效率Tab.4 Experimental efficiency and simulation efficiency

将标准放射源测试得到实验效率与模拟效率进行比较,其最大误差为1.7%,放射源测试得到的本征峰探测效率与X射线辐射装置测试得到的本征探测效率数据基本符合。

6 结 论

本实验对CdTe探测器进行了蒙卡模拟,得到模拟探测效率曲线。用X射线辐射装置对CdTe探测器进行了探测效率的实验刻度,得到了本征探测效率曲线。CdTe探测器探测效率的实测值与模拟值基本符合,最大误差不超过5.6%；用241Am和133Ba放射源对59.54 keV与81 keV能量点的本征探测效率进行了二次验证实验,结果与实验数据是相符的。在10～100 keV能量区间,CdTe探测器探测效率都是高于50%,可以作为标准探测器进行地面标定实验。对CdTe探测器的探测效率模拟及刻度实验,为其它探测器的无源探测效率测试提供了参考,并可为接下来要在中国计量科学研究院昌平实验基地进行的SVOM卫星地面标定提供有效的数据支持。