XRF还是γ谱仪?SiPIN与γ射线的碰撞
巨大橘子2025/01/01原创 核技术与核仪器极客DIY IP:上海
中文摘要
把XRF所需的分辨率带进γ能谱分析领域。

前些日子忽然灵机一动的新点子,新的一年分享给大家,权当脑洞大开看个新鲜。

XRF(x射线荧光分析)是一类如今很常用的分析方法,它在原理上和γ能谱几无区别,可以粗略理解为一种工作在x射线波段的能谱,和theremino打过交道的朋友们可能印象比较深,这个团队在以声卡为多道的基础上开发了对于γ射线和x射线的简易探测办法,二者在分界线上的模糊顺理成章地带来了探测和应用上的模糊——薄片NaI和CsI闪烁体应用于元素分析已有半个多世纪的历史,KC761B亦可承担简单的x射线峰值分析;CZT探测器可同时应用于XRF和γ能谱,对α粒子也给出了不凡的精度;普通的pin二极管同样可以实现对γ射线计数和对x射线/β射线/α射线的简单分辨(正如KC761系列的配置和设计,此外在theremino中也有使用pin管测XRF的方案)。

因此,在这个半导体探测器的分辨率已经可以逼近fano limit的好时代里,想到用XRF探头反过来试试γ能谱也就顺理成章了。

还是喜闻乐见的Si-pin探头,厚500μm,在180V@230K下工作。实验过程细节不多,唯一令人刻骨铭心的是500μm厚度带来的超级长的积分时间,想拿出峰形合理的谱图需要极其充足的耐心和稳定的测试环境。

能量响应,迈不过去的大坎:

xreff1.png

可以看到,对于500μm厚度的Si-pin,推荐的全能峰效率一般不高于30keV,效率在60keV以上已经很差了,因此只能寄希望于足够高的分辨率带来勉强可见的结果,此外在更高的能区,光子与探测器的作用将不止光电效应,因此干扰和信噪比都进一步下降。


结果

Ba-133:

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好在分辨率给面子,表现几近HPGe,在如此之差的效率下仍然可以看到全能峰。

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384keV处的峰亦十分明显,这个峰一般在溴化镧的分辨率下才开始与356keV分家,在碘化钠或碘化铯的6-7%分辨率下无法识别。

值得一提的是,半导体探测器特有的线性度优秀体现得淋漓尽致,本文中所有能谱均以Am-241单核素刻度。

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线性y轴下的高能区部分,左侧巨大的compton edge不妨改叫compton cliff。

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全谱,还能看到高能的一点小尖,已经很惊喜了。


Cs-137:

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这个更是过于高能,全能峰几不可见,但给出的分辨率确实很好,不逊色于HPGe,颇给人一种极致的感觉。

侧面入射似乎并没有很明显地提升康峰比,但全能峰分辨率好了近一倍,结果没有保存下来,因为最后几个小时的时候电脑睡眠后在梦中去世了,强制重启之后什么都没剩下。

本文本身只是图一乐,很难想象会有什么实际应用,或许在某种极端的场景下可以作为可选的一种便宜手段吧,最后祝大家2025新年快乐。


来自:物理高能技术 / 核技术与核仪器综合交流区 / 极客DIY动手实践:实验报导
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~~空空如也
虎哥
3天7时前 修改于 3天6时前 IP:四川
940883

PIN的信号太弱了,电子学部分需要控制噪音,采取防干扰措施,方可使能量下限降低至5keV乃至更低。


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RodTech
2天16时前 IP:美国
940893

有意思。。这么说手机摄像头也有希望


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邵康桔
2天14时前 IP:四川
940894

半导体探测器共有的缺点是敏感厚度小,对高能伽玛光子探测效率低。获得较大厚度的成本远大于无机盐和塑料闪烁体。

使用普通PIN扬长避短的2种方案:高剂量率下单个或者低剂量率下多个pin并联直接测量;低剂量率下pin耦合小块碘化铯匹配电荷敏感放大器替代光电倍增管使用。

https://yznkxjs.xml-journal.net/cn/article/doi/10.7538/yzk.2019.youxian.0234

attachment icon基于光电二极管的核辐射探测仪器的研制_陈祥鹏.pdf4.02MBPDF3次下载预览

不过不太懂楼主的辐射探测专用Si-pin与非常廉价的普通pin有何主要区别?这篇文章使用普通pin测量Am-241能谱,分辨率相当糟糕,并未表现出半导体的分辨率优势

https://physicsopenlab.org/2017/06/22/x-ray-spectroscopy-with-pin-photodiode/


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