GB/T 11685-2003 半导体X射线探测器系统和半导体X射线能谱仪的测量方法

GB/T11685-2003

月U舀

本标准是对GB/T8992-1988((硅(锉)X射线探测器系统测量方法》和GB/T11685-1989《半导

体X射线能谱仪的测量方法》的合并和修订。GB/T8992-1988和GB/T11685-1989均是非等效采

用IEC60759:1983(见参考文献仁1])编制的。

本标准代替GB/T8992-1988和GB/T11685-1989e

本标准包括半导体X射线探测器系统和半导体X射线能谱仪的测量方法。由于探测器系统的输

出必须通过主放大器输人多道分析器，然后在多道分析器上获取X射线能谱方能观察和确定其性能特

性，所以探测器系统和能谱仪基本上采用相同的测量方法。本标准既保留了GB/T11685-1989的完

整性和GB/T8992-1988的可操作性，又通过有机地捏合，将两项标准合并为统一的新版本。

本标准对GB/T8992-1988和GB/T11685-1989的主要修改如下:

a)对半导体X射线探测器系统的测量不限于硅(锉)X射线探测器系统;

b)对半导体X射线能谱仪，测量的是多道分析器上能谱(全能峰及峰位或谱线)的性能特性;

c)第3章的“术语和定义”按物理意义和逻辑关系排列，增加了“半导体探测器”、“半导体X射线

探测器系统”和“主放大器”等术语，修改了“窗”、“基线”、“工作距离”等术语，删去了“门”、“模

拟一数字变换器”等简单明了的术语;

d)参考IEC60759增加了第11章“过载效应”;

e)修改了少量符号，例如，多道分析器的道数(道址)用m，而不用N或X;

f)扩展和充实了第5章“一般原则”的内容，而测量要求(原基本要求)仅是其中的一条:

—规范了“被测对象”、“测量设备”和“测量系统”的概念;

—列出了主要被测的性能特性;

—规定了测量的条件(包括环境条件和放射源等);

—指出了探测器系统和能谱仪采用相同的测量方法以及细节上的差异

B)将“从X能量分辨率计算电噪声的近似值”的内容由正文调整为附录A;

b)规范了章条的标题和内容，例如，将第7章的标题由“脉冲幅度线性”直接改为“积分非线性”，

第9章的标题由“脉冲幅度稳定性”改为“电压变化影响”、“温度效应”和“长时间不稳定性”;

i)为提高本标准的可操作性，适应新技术的发展，测量中一般给出通用方法，特别具体的方法则

用示例的形式给出;

J)格式按GB/T1.1-200。等标准的要求编写，在一些条中增加了子条标题，将图和表集中到正

文的后面。

本标准的附录A是资料性附录。

本标准由全国核仪器仪表标准化技术委员会提出

本标准由核工业标准化研究所归口。

本标准起草单位:核工业标准化研究所

本标准主要起草人:熊正隆。

GB/T11685-2003

半导体X射线探测器系统

和半导体X射线能谱仪的测量方法

范围

本标准规定了半导体x射线探测器系统和半导体x射线能谱仪主要特性的测量方法。

本标准适用于半导体x射线探测器系统和半导体x射线能谱仪主要性能的测量。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有

的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而、鼓励根据本标准达成协议的各方研究

是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。

GB/T4079-1994用于电离辐射探测器的放大器和电荷灵敏前置放大器的测试方法

(GB/T4079-1994,neqIEC61151;1992,Nuclearinstrumentation-Amplifiersandpreamplifiersused

withdetectorofionizingradiation-Testprocedures)

GB/T4960.6-1996核科学技术术语核仪器仪表(GB/T4960.6-1996,neqIEC60050(IEV

50)，InternationalElectrotechnicalVocabulary,Chapter391^394)

3术语和定义

GB/T4960.6确立的以及下列术语和定义适用于本标准

3.1

半导体探测器semiconductordetector

通常利用核辐射在半导体中产生的过剩自由电荷载流子的运动来探测人射辐射的探测器。

[GB/T4960.6-1996的2.4.1]

注:本标准中的术语“探测器”若无特别说明均指半导体探测器。

3.2

死层(半导体探测器的)deadlayer(ofsemiconductordetector)

半导体探测器中的一个层，粒子在该层内损失的能量的大部分对形成的信号无贡献

仁GB/T4960.6-1996的2.4.26]

3.3

窗(探测器的)window(ofdetector)

探测器中便于让被测辐射穿透过去的部分

[GB/T4960.6-1996的2.1.26]

3.4

半导体探测器的n何形状geometryofsemiconductordetector

在正常工作条件下，半导体探测器的灵敏体积的形状。

3.5

效率(半导体探N(器对单能辐射源的)efficiency(ofsemiconductordetectorformono-energetic

radiationsource)

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半导体探测器测到谱分布中的粒子数与在同一时间间隔内射人探测器有效体积中的该种粒子数的

比值。

3.6

能里分辨率(半导体探测器的)energyresolution(ofsemiconductordetector)

半导体探测器对能谱的半高宽(FWHM)的贡献(包括探测器的漏电流噪声)，通常用能量单位

表示。

3.7

半高宽(FWHM)fullwidthathalfmaximum(FWHM)

在单峰构成的分布曲线上，峰值一半处，曲线上两点的横坐标间的距离。

注:如果该曲线由几个峰组成，则每个峰都有一个半高宽。

[GB/T4960.6-1996的3.2.20]

3.8

+分之一高宽(FWTM)fullwidthattenthmaximum(FWTM)

在单峰构成的分布曲线上，峰值十分之一处，曲线上两点横坐标间的距离。

3.9

半导体X射线探测器系统semiconductorX-raydetectorsystem

利用对X射线灵敏的半导体探测器产生与X射线能量成正比的电信号(电子一空穴对的数目)的

原理测量X射线的系统。它通常由半导体X射线探测器、低噪声前置放大器和低温真空装置三部分组

成，以下简称探测器系统。

3.10

半导体X射线能谱仪semiconductorX-rayenergyspectrometer

由探测器系统、探测器偏压电源、主放大器和多道分析器(包括计算机化的多道分析器)组成以测量

X射线能量分布的仪器(以下简称能谱仪)

3.11

主放大器mainamplifier

成形放大器shapingamplifier

在放大器系统中，跟在前置放大器之后且包含有脉冲成形网络的放大器。

[GB/T4079-1994的3.31

3.12

成形网络shapingnetwork

由(一个或几个微分器组成的)高通网络和(几个积分器组成的)低通网络组成的网络。它可以减少

(改变)前置放大器输出的脉冲宽度，从而提高其时间分辨率和信号噪声比。

[GB/T4079-1994的3.1.10]

3.13

偏置脉冲放大器biasedpulseamplifier

仅对输人脉冲信号超过预定149值的部分提供放大输出的脉冲放大器。

3.14

多道分析器(MCA)multi-channelanalyzer(MCA)

多于一道的分析器，通常包含有足够多的道数。按照输人信号的一个或多个特性(幅度、时间等)对

信号进行分类计数，从而测定其分布函数

[GB/T4960.6-1996的3.1.23]

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3.15

谱线spectrumline

表示一个入射辐射特性的谱的尖峰部分，通常是指单能辐射的全能峰。

3.16

本底(与半导体探测器谱峰有关的)background(associatedwithspectralpeakfromsemiconduc-

fordetector)

由待测单能辐射谱线以外的辐射所引起的非理想谱响应。

3.17

尾(单能峰的)tail(ofmono-energeticspectralpeak)

由待测的单能辐射引起的而又不遵守全能峰谱形(准高斯形)限制的任何峰形畸变。

3.18

峰位peakposition

在脉冲幅度谱中一个峰(谱线)的矩心处的能量或等效量。

3.19

基线(脉冲峰位处的)baseline(atpulsepeak)

无脉冲时，相应脉冲峰位处所具有的电压瞬间值。

3.20

基线恢复baselinerestoration

用于加速电压返回基线的(线性或非线性)技术

3.21

积分非线性(INL)integralnon-linearity(INL)

(%)

以最大额定输出脉冲幅度(或多道分析器道数)的百分数表示的、实际响应曲线与理想响应直线间

的最大偏差

3.22

噪声线宽noiseline-width

噪声对谱峰宽度的贡献。

3.23

堆积(计数装置中的)pile-up(incountingassembly)

一个脉冲叠加在前一脉冲的后沿或前沿上，引起脉冲幅度读数不正确。堆积也会使某些脉冲无法

分辨。

3.24

反堆积pile-uprejection

用于识别和剔除堆积脉冲(信号)的技术。

3.25

极一零相消pole-zerocancellation

用来消除长持续时间的下冲的一种脉冲成形方法。

3.26

标准工作轴线(半导体X射线能谱仪的)standardworkingazis(ofsemiconductorX-rayenergy

spectrometer)

通过探测器人射窗中心，且垂直于人射窗的一条直线。

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3.27

Z作距离workingdistance

X射线放射源与探测器(人射)最外层窗之间沿标准工作轴线的距离。

4符号

本章列出与探测器系统和能谱仪有关的符号，但不包括第3章中已定义的符号和第6-10章的公

式中将说明的符号:

C,测量时脉冲产生器与电路藕合用的校准电容;

C,一一探测器电容;

Cr“一一前置放大器的有效输人电容;

C,—前置放大器积分环中的反馈电容;

Ep—对应能谱仪最大线性输出的能量;

‘。—均方根噪声电压;

Yn—多道分析器所测能谱的道(道址);

m—多道分析器所测能谱的峰位道(或最高计数道);

N—多道分析器所测能谱中m道的计数;

NP—多道分析器所测能谱中峰位道mp的计数;

R,一一前置放大器中用于释放C，上的电荷以免前置放大器工作点超出动态范围的电阻;

R—探测器的负载电阻;

Vp-一脉冲产生器加在C。上的电压;

2。—一特性阻抗;

几一一与X射线光子相对应的特征波长;

一时间常数。

5一般原则

5.1被测对象及其性能特性

被测对象是探测器系统或能谱仪，其性能特性由设计决定，应满足产品标准等技术文件的要求。

本标准中被测的性能特性是指X射线在多道分析器上所形成能谱的主要特性:

a)能量分辨率和能谱畸变;

卜)积分非线性;

c)计数率效应;

d)电压变化影响、温度效应和长时间不稳定性;

e)效率;

f)过载效应

注:探侧器系统或能谱仪中部件的测量见GB/T4079和参考文献2「],[3]a

5.2测量设备

测量设备是用于测量被测对象的设备，例如，放射源、精密脉冲产生器和示波器等。测量设备应符

合标准的有关规定(建议采用标准化的设备)，其对应的性能特性应显著优于被测对象，例如，它们对被

测对象特性的影响不应大于测量结果的1000，以保证测量结果的准确度和有效性。

当测量设备不能满足上述要求时，应采取措施避免它们对测量结果的影响，例如，应采取扣除测量

设备所引人误差的方式对最后结果进行修正(见8.2.3.3)。又如，在测量探测器系统的温度效应、长时

间不稳定性时，适当调节精密脉冲产生器的输出幅度和主放大器的增益，使其不受温度和时间的影响

(详见9.3和9.4)

5.3测最系统

完成一项特性测量时，被测对象和测量设备(包括放射源)总是连接(布置)在一起，构成完整的系

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统，称为测量系统，例如，图1所示的系统

注:用探测器电容代替检验电容，可降低输人端的分布电容。

m1被测特性的基本测f*统

由于探测器系统的输出必须通过主放大器输人多道分析器、然后在多道分析器上获取X射线能谱

方能观察和确定其性能特性，所以探测器系统和能谱仪基本上采用相同的测量方法。测量探测器系统

时，探测器偏压电源、主放大器和多道分析器等是测量设备的一部分。测量能谱仪时，组成能谱仪的所

有部件(包括多道分析器)均属于被测对象。

根据实际情况，探测器系统的测量与能谱仪的测量在细节上略有差别

5.4测f条件

5.4.1环境条件

测量应在参考条件或标准试验条件下进行;在对环境条件不产生异议时，也可在正常大气条件下进

行。测量电源变化影响或温度效应时，仅该影响量在给定范围变化，其他条件仍保持在参考条件或标准

试验条件下。参考条件、标准试验条件和正常大气条件见表1

表1参考条件和标准试验条件

影响量参考条件标准试验条件正常大气条件

环境温度2o0C180C--22℃15℃一35'C

相对湿度6550肠一75%45%-75%

大气压强101.3kPa86kPa-106kPa86kPa--106kPa

交流供电电压UN'(1士1%)U"

交流供电频率50Hz"(1士1%)50Hz

交流供电波形正弦波波形总畸变<5%

环境Y辐射

0.1pGy/h<0.251}Gy/h

(空气吸收剂量率)

外磁场干扰可忽略小于引起干扰的最低值

外界磁感应可忽略小于地磁场引起干扰的2倍

放射性污染可忽略可忽略

'U、为单相电源220V或三相电源380V。当用电池供电时，其电压的变化为额定值的士1%，不考虑纹波。

”交流供电频率，特殊情况按产品标准处理。

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5.4.2放射源

应选用容易得到、具有简单能谱和尽量包括整个感兴趣能量范围的放射源。推荐表2中的X射线

放射源，必要时可补充其他X射线能量的放射源。放射源中的杂质不应对测量结果产生明显影响

5.4.3其他条件

应说明脉冲成形类型和时间常数、探测器偏压、计数率等有关的测量条件。

5.5测is要求

5.5.1测量被测对象的性能特性时，半导体探测器和前置放大器的第一级场效应管(FET)等元件应保

持在各自规定的低温下。

示例:半导体探测器和前置放大器的第一级场效应管(FET)等元件应封装在冷指中，测量各项性能特性时，冷指应

保持在液氮的低温下。第一次注人液氮后与开始测量之间应有24h以上的时间(由室温到低温的平衡)。以

后每次加注液氮，一般需Zh后方可测量

5.5.2测量时应按规定极性在探测器上加偏压，且不应超过最大偏压和偏压的变化率。另外，不应超

过照射量和照射量率的额定值、探测器的最高温度及规定的其他技术条件的极限。

5.5.3在任何一项特性测量前应按产品标准等技术文件进行预热。在任何一项或全部特性测量后，测

量结果应能在测量精密度范围内重复。

5.5.4应确保电源噪声、接地回路噪声和机械震动等对测量结果无明显影响。

5.5.5不同操作条件或形式下测得的特性不允许出现在同一条曲线或同一张表格中，表达时应以操作

条件或形式为参数，用一族曲线来表示。当同一系统在不同操作条件或形式下测量时，其结果可用于进

行对比。

6能t分辨率和能谱畸变

6.1概述

测量系统如图1所示。精密脉冲产生器主要用于噪声的测量，应避免使用50Hz的市电作产生器

的电源。若精密脉冲产生器模拟探测器信号脉冲，使用时应将脉冲产生器的输出脉冲送到前置放大器

的输人端。当测量X射线分辨率时，特别是在高计数率和(或)长脉冲成形时间下进行测量时，应关闭

脉冲产生器。

测量用主放大器应具有“准高斯”成形器，且微分、积分时间常数可调;放大器的极一零补偿应调整

到最佳状态。电路系统若带有基线恢复器应予以说明。

6.2电噪声的测f

6.2.1脉冲幅度分布法测电噪声

6.2.1.1测里系统

脉冲幅度分布法测量噪声的测量系统见图1。图中的藕合电容器Cc可用探测器自身电容C,代

替，以降低前置放大器输人端的分布电容。测量时，系统的所有部件都应工作在线性范围内。

6.2.1.2测最程序

将探测器加上规定的偏压并置于合适的X射线放射源(如1sFe的5.9keV锰K。线)的辐照下，调

节测量系统增益和脉冲幅度，使X射线峰的半高宽(FWHM)至少为8道，在多道分析器上累计一个谱。

移去放射源，用脉冲产生器的输出脉冲代替X射线放射源，调节脉冲产生器的输出幅度，使多道分

析器得到的峰位和原先测得的X射线峰位相重合，并使半高宽至少为5道。标定脉冲产生器输出幅度

的能量，然后固定脉冲产生器的输出。

当脉冲产生器输出脉冲的谱峰的半高宽少于5道时，应增加多道分析器的道数，直到满足要求为

止，然后重新进行上面的测量，再次标定脉冲产生器输出幅度的能量

在上述测量条件下，当脉冲产生器等效输出能量为E,和E。时，在多道分析器内积累对应的两个

峰，其峰位道为m,.，和mp，如图2所示

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峰位道的计数应大于4000.

计数/道

4000

一一11。!少FWHM

一

FWTM

1

寸

屯

饰

、

一道数

图2典型的噪声测f脉冲幅度谱

6.2.1.3数据处理

电噪声线宽是电子学线路和探测器等对能量分辨率的贡献，即以能量为单位的半高宽或十分之一

高宽。

首先按公式(1)计算多道分析器的每道等效能量S(能量单位/道):

E:一E

···········。。···········……(1)

刀ZP2一刀zP,

电噪声线宽△欲以能量单位表示的半高宽)按公式(2)定义:

4e一X““一(mEP22--ME,Vi/\I4mT·…““‘·········……(2)

式中:

酥—以道数表示的能谱峰的半高宽FWHM，由制造商给定的内插法求得(见图2