GB/T 13179-2008 硅（锂）X射线探测器系统

　　ICS：27 . 120 F 88

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 13179—2008代替 GB/T 13179—1991

　　硅(锂)X射线探测器系统

　　Si(Li)X-ray detectorsystem

　　2008-07-02 发布 2009-04-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 13179—2008

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义以及符号 1

　　4 产品分类 3

　　5 技术要求 5

　　6 试验方法 6

　　7 检验规则 15

　　8 标识 、包装 、运输 、贮存 16

　　附录 A(资料性附录) 从 X 能量分辨率计算电噪声近似值的方法 18

　　参考文献 19

　　图 1 端帽尺寸图 4

　　图 2 总体外型结构图 5

　　图 3 被测特性的基本测量系统 7

　　图 4 典型的噪声测量脉冲幅度谱 8

　　图 5 用示波器和均方根电压表测噪声的测量系统 9

　　图 6 线性的测量和表示 13

　　图 7 温度效应的测量系统(以能谱仪为例) 14

　　表 1 硅(锂)X射线探测器系统产品规格表 4

　　表 2 (真空)冷室及端帽分类 5

　　表 3 不同灵敏面积探测器的峰谷比要求 6

　　表 4 参考条件和标准试验条件 6

　　表 5 测量常用放射源 10

　　表 6 检验项目分类及要求 16

　　表 7 抽样方案表 16

　　GB/T 13179—2008

　　前 言

　　本标准参照了 IEC 60759:1983《半导体 X射线能谱仪标准测试程序》。

　　本标准代替 GB/T 13179—1991《硅(锂)X射线探测器系统》。

　　本标准与 GB/T 13179—1991 相比主要差异如下：

　　— 增加了 “硅(锂)X射线探测器系统 ”和 “峰谷比 ”等 19 个术语以及 “cc ”等 12 个符号(见本标准第 3 章);

　　— 产品的特征代号增加了两位表示灵敏体直径(见本标准的 4 . 1) ;

　　— 在表 1 “硅(锂)X射线探测器系统产品规格表 ”中，增 加 了 一 栏 灵 敏 直 径 的 条 目(见 本 标 准 的4 . 2) ;

　　— 表 1 中的能量分辨率每档均降低 5 eV(见本标准的 4 . 2) ;

　　— 充实了试验方法的内容(见本标准第 6 章)。

　　本标准附录 A 为资料性附录 。

　　本标准由中国核工业集团公司提出 。

　　本标准由全国核仪器仪表标准化技术委员会归 口 。

　　本标准起草单位：中核(北京)核仪器厂 。

　　本标准主要起草人：殷国利 。

　　本标准所替代标准的历次版本发布情况为：GB/T 13179—1991 。

　　Ⅰ

　　GB/T 13179—2008

　　硅(锂)X射线探测器系统

　　1 范围

　　本标准规定了硅(锂)X射线探测器系统的产品分类 、技术要求 、试验方法和检测规则等 。

　　本标准适用于带有液氮贮存容器的室内用硅(锂)X射线探测器系统，但不适用于扫描电镜的 、便携式或非液氮冷却硅(锂)X射线探测器系统 。

　　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/T 4960 . 6 核科学技术术语 核仪器仪表

　　GB/T 10257—2001 核仪器和核辐射探测器质量检验规则

　　3 术语和定义以及符号

　　3 . 1 术语和定义

　　GB/T 4960 . 6 确立的以及下列术语和定义适用于本标准 。

　　3 . 1 . 1

　　硅(锂)探测器 si(Li)detector

　　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入射辐射的探测器 。

　　注：本标准中的术语 “探测器 ”若无特别说明均指硅锂 Si(Li) X射线探测器 。

　　3 . 1 . 2

　　(探测器的)铍窗 Bewindow(ofdetector)

　　探测器中便于让被测辐射穿透过去的部分 。

　　3 . 1 . 3

　　真空保温液氮容器(杜瓦瓶) Dewar

　　用来冷却半导体探测器的液氮(LN2 )真空容器 。

　　3 . 1 . 4

　　能量分辨率 energy resolution(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 . 1 . 5

　　半高宽(FWHM) fullwidth athalfmaximum(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 。

　　3 . 1 . 6

　　十分之一高宽(FWTM) fullwidth attenth maximum(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 . 1 . 7

　　峰谷比 peak to valley ratio

　　给定的两个谱峰间的峰谷比是较大峰的高度与两峰间谷的最小高度之比 。

　　1

　　GB/T 13179—2008

　　3 . 1 . 8

　　峰尾比 peak to tailratio

　　对于55 Fe标准源在 5 . 9 keV 峰位处计数与 5 . 4 keV 、4 . 5 keV 和 1 keV 能量处的平均计数之比值 。

　　3 . 1 . 9

　　硅(锂)X射线探测器系统 si(Li)X-Ray detectorsystem

　　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-空穴对的数目)的原理以测量 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 . 1 . 10

　　硅(锂)X射线能谱仪 si(Li)X-ray energyspectrometer

　　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 . 1 . 1 1

　　主放大器(成形放大器) main amplifier(shaping amplifier)

　　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 。

　　3 . 1 . 12

　　成形网络 shaping network

　　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 。

　　3 . 1 . 13

　　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 。按照输入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 。

　　3 . 1 . 14

　　谱线 spectrum line

　　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 . 1 . 15

　　(单能峰的)尾 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 . 1 . 16

　　峰位 peak position

　　在脉冲幅度谱中一个峰(谱线)的矩心处的能量或等效量 。

　　3 . 1 . 17

　　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 . 1 . 18

　　噪声线宽 noiseline-width

　　噪声对谱峰宽度的贡献 。

　　3 . 1 . 19

　　(半导体 X射线能 谱 仪 的)标 准 工 作 轴 线 standard working axis(ofsemiconductor X-ray energy spectrometer)

　　通过探测器入射窗中心，且垂直于入射窗的一条直线 。

　　2

　　GB/T 13179—2008

　　3 . 1 . 20

　　工作距离 working distance

　　X射线放射源与探测器(入射)最外层窗之间沿标准工作轴线的距离 。

　　3 . 2 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 章的公式中将说明的符号：

　　cc — 测量时脉冲产生器与电路耦合用的校准电容;

　　cf — 前置放大器积分环中的反馈电容;

　　eno — 均方根噪声电压;

　　EF — 对应能谱仪最大能量;

　　m— 多道分析器所测能谱的道(道址);

　　mP — 多道分析器所测能谱的峰位道(或最高计数道);

　　Nm — 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— 能量分辨率;

　　Rf — 前置放大器中用于释放 cf 上的电荷以免前置放大器工作点超出动态范围的电阻;

　　VP — 脉冲产生器加在 cc 上的电压;

　　Z0 — 特性阻抗;

　　λ— 与 X射线光子相对应的特征波长;

　　τ— 时间常数 。

　　4 产品分类

　　4 . 1 产品型号与标记

　　产品标记由产品型号及特征代号组成 。

　　4 . 1 . 1 产品型号为

　　4 . 1 . 2 型号后的特征代号由三组数字组成，其顺序及含义为：

　　3

　　GB/T 13179—2008

　　4 . 2 产品规格

　　4 . 2 . 1 产品规格按灵敏面积及能量分辨率划分见表 1 。

　　表 1 硅(锂)x射线探测器系统产品规格表

　　标 记

　　灵敏面积/mm2

　　灵敏直径/mm

　　能量分辨率a /eV

　　GL2 × ×-155-012/4-× ×

　　12

　　4

　　R≤155

　　GL2 × ×-160-012/4-× ×

　　12

　　4

　　155

　　GL2 × ×-165-012/4-× ×

　　12

　　4

　　160

　　GL2 × ×-160-030/6 -× ×

　　30

　　6

　　R≤160

　　GL2 × ×-165-030/6 -× ×

　　30

　　6

　　160

　　GL2 × ×-170-030/6 -× ×

　　30

　　6

　　165

　　GL2 × ×-165-050/8-× ×

　　50

　　8

　　R≤165

　　GL2 × ×-170-050/8-× ×

　　50

　　8

　　165

　　GL2 × ×-175-050/8-× ×

　　50

　　8

　　170

　　GL2 × ×-175-080/10-× ×

　　80

　　10

　　R≤175

　　GL2 × ×-180-080/10-× ×

　　80

　　10

　　175

　　GL2 × ×-185-080/10-× ×

　　80

　　10

　　180

　　GL2 × ×-215-200/16 -× ×

　　200

　　16

　　R≤215

　　GL2 × ×-225-200/16 -× ×

　　200

　　16

　　215

　　GL2 × ×-245-200/16 -× ×

　　200

　　16

　　225

　　a 所列的能量分辨率系指对放射源55 Fe(5 . 89 keV— Mnkα) 而言 。

　　4 . 2 . 2 产品的外型结构

　　产品配有 30 L或 35 L容积的真空保温液氮容器，端帽形式分两种(图 1) ,通用型及细幅型 。单位为毫米

　　a) 通用型 b) 细帽型

　　图 1 端帽尺寸图

　　真空冷室除特殊规定外一般分为垂直和水平两种 。

　　4 . 2 . 3 产品外形结构

　　产品总体外型结构如图 2 所示 。真空保温液氮容器(杜瓦瓶)与真空冷室尺寸暂不作规定，真空冷室及端帽分类见表 2 。

　　4

　　GB/T 13179—2008

　　a) 垂直冷室结构 b) 水平冷室结构

　　图 2 总体外型结构图

　　表 2 (真空)冷室及端帽分类

　　型号中最后一组数

　　类 型

　　01

　　垂直冷室，通用端帽

　　02

　　垂直冷室，细帽

　　11

　　水平冷室，通用端帽

　　12

　　水平冷室，细帽

　　5 技术要求

　　5 . 1 额定工作条件

　　额定工作条件为：

　　a) 温度 5 ℃ ~ 35 ℃ ;

　　b) 相对湿度不大于 75% ;

　　周围空气中无酸 、碱及有机溶剂等气体 。

　　5 . 2 主要性能

　　5 . 2 . 1 能量分辨率

　　不同灵敏面积探测器系统的能量分辨率应符合表 1 规定 。

　　5 . 2 . 2 系统噪声

　　系统噪声的大小由制造厂家规定 。

　　5 . 2 . 3 峰尾比

　　5 . 9 keV 的峰与 1 keV处的峰尾比不小于 1 000 ∶ 1 。

　　5 . 2 . 4 峰谷比

　　系统的峰谷比应符合表 3 中的规定 。

　　5 . 2 . 5 长时间漂移

　　系统的 8 h 峰位漂移应小于 0 . 5% 。

　　5 . 2 . 6 液氮消耗量

　　液氮消耗量不应大于 1 . 2 L/d 。

　　5

　　GB/T 13179—2008

　　5 . 2 . 7 能量刻度积分非线性

　　系统的能量刻度积分非线性不应大于 0 . 1% 。

　　5 . 2 . 8 温度效应

　　系统的温度效应引起的脉冲高度变化不应大于 0 . 05%/℃ 。

　　表 3 不同灵敏面积探测器的峰谷比要求

　　灵敏面积/mm2

　　峰谷比

　　12 与 30

　　>140 ∶ 1

　　50 与 80

　　>120 ∶ 1

　　200

　　>70 ∶ 1

　　5 . 2 . 9 其他要求

　　其他要求如下：

　　a) 铍窗直径应大于探测器灵敏面直径;

　　b) 铍窗表面不得涂有其他材料或留有胶丝;

　　c) 各连接处螺钉必须齐全 、固紧;

　　d) 前置放大器上各插座必须安装牢固并标有用途;

　　e) 应配有温度传感器，以便与液氮水平监测器连接使用 。 当探测器升温时，能 自动切断偏压，保护探测器不致损坏 。

　　6 试验方法

　　6 . 1 测量条件

　　6 . 1 . 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 4 。

　　表 4 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/℃

　　20

　　18 ~ 22

　　15 ~ 35

　　相对湿度/%

　　65

　　50 ~ 75

　　45 ~ 75

　　大气压强/kPa

　　101 . 3

　　86 ~ 106

　　86 ~ 106

　　交流供电电压/V

　　UN a

　　UN (1±1%)

　　交流供电频率/Hz

　　50b

　　50(1±1%)

　　交流供电波形

　　正弦波

　　波形总畸变<5%

　　环境 γ辐射/(μGy/h) (空气吸收剂量率)

　　0 . 1

　　<0 . 25

　　外磁场干扰

　　可忽略

　　小于引起干扰的最低值

　　外界电磁感应

　　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

　　a UN 为单相电源 220 V或三相电源 380 V 。 当用电池供电时，其电压的变化为额定值的 ±1%,不考虑纹波 。 b 交流供电频率，特殊情况按产品标准处理 。

　　6

　　GB/T 13179—2008

　　6 . 1 . 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 5 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 。

　　6 . 1 . 3 测量系统

　　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，构成完整的系统，称为测量系统，例如，图 3 所示的系统 。

　　注 1 ：用探测器电容代替检验电容，可降低输入端的分布电容 。

　　注 2 ：图中的半导体探测器即硅(锂)探测器 。

　　图 3 被测特性的基本测量系统

　　由于探测器系统的输出应通过主放大器输入多道分析器 、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 。

　　6 . 1 . 4 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 。

　　6 . 2 测量要求

　　6 . 2 . 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 。第一次注入液氮后与开始测量之间 应 有 24 h 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 2 h后方可测量 。

　　6 . 2 . 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 。

　　6 . 2 . 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 。

　　6 . 2 . 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 。

　　6 . 2 . 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 。

　　7

　　GB/T 13179—2008

　　6 . 3 电噪声的测量

　　6 . 3 . 1 脉冲幅度分布法测电噪声线宽

　　6 . 3 . 1 . 1 测量系统

　　脉冲幅度分布法测量噪声的测量系统见图 3 。 图中 的 耦 合 电 容 器 cc 可 用 探 测 器 自 身 电 容 cd 代替，以降低前置放大器输入端的分布电容 。测量时，系统的所有部件都应工作在线性范围内 。

　　6 . 3 . 1 . 2 测量程序

　　将探测器加上规定的偏压并置于合适的 X射线放射源(如55 Fe 的 5 . 9 keV 锰 Kα 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 八 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，并使半高宽至少为五道 。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五道时，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 E1 和 E2 时，在多道分析器内积累对应的两个峰，其峰位道为 mP1 和 mP2 ,如图 4 所示 。

　　峰位道的计数应大于 4 000 。

　　图 4 典型的噪声测量脉冲幅度谱

　　6 . 3 . 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 。

　　首先按式(1)计算多道分析器的每道等效能量 S(能量单位/道)：

　　S …………………………( 1 )

　　电噪声线宽 ΔE(T)(以能量单位表示的半高宽)按式(2)定义：

　　ΔE(T) = S × Δm(T) =(mEP2(2) --m(E)P(1)1 ) Δm(T) ( 2 )

　　式中：

　　Δm(T) — 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 4) 。

　　电噪声线宽 δm(T)(以能量单位表示的十分之一高宽)按式(3)定义：

　　δm(T) = S × δm(T) =(mEP2(2) --m(E)P(1)1 ) δm(T) …………………………( 3 )

　　8

　　GB/T 13179—2008

　　式中：

　　δm(T) — 以道数表示的能谱峰的十分之一高宽 FWTM ,由制造商给定的内插法求得(见图 4) 。

　　当本底较大时，在求能谱峰的半高宽和十分之一高宽前应先扣除本底 。

　　在说明总噪声线宽时，应给出脉冲成形(包括全脉冲宽度)的全部数据(例如 2 μsCR-RC成形电路，或具有四个 2 μsCR 积分和一个 2 μsRC微分的准高斯型电路)。若使用基线恢复和(或)门技术，则应说明它们的性能 。

　　6 . 3 . 2 用示波器和均方根电压表测电噪声

　　6 . 3 . 2 . 1 测量系统

　　用示波器和均方根电压表测量电噪声的测量系统如图 5 所示，在均方根电压表上显示均方根电噪声电压 。

　　该均方根电压表的频率响应要求平坦，带宽应扩展到至少为放大器脉冲成形网络频带中心频率的10 倍;另外，无论其噪声水平降低到何等程度，放大器的增益均应保持恒定 。

　　本测量方法仅适用于一般的能谱仪，不适用于对带有偏置放大器 、基线恢复或门控等放大电路的能谱仪;也不适用于测量探测器系统的电噪声 。

　　图 5 用示波器和均方根电压表测噪声的测量系统

　　6 . 3 . 2 . 2 测量程序

　　测量应按 6 . 3 . 1 规定的操作条件和技术要求进行 。 除了用示波器比较放射源与脉冲产生器的脉冲幅度外，脉冲产生器的归一控制与 6 . 3 . 1 相同 。加入来自脉冲产生器的等效于能量为 EP 的脉冲，用示波器测量放大器的输出脉冲幅度为 va 。然后关闭脉冲产生器，从电压表中读出均方根噪声电压 eno(单位同 va ) 。

　　6 . 3 . 2 . 3 数据处理

　　电噪声线宽 ΔE(T)(能量单位表示的半高宽)由式(4)计算：

　　ΔE(T) =2 . 35×a×e …………………………( 4 )

　　式中：

　　a— 对于正弦波刻度的平均读数电压表为 1 . 11;而对真正均方根电压表为 1 。

　　6 . 3 . 3 从 x 能量分辨率计算电噪声的近似值

　　从 X 能量分辨率计算电噪声近似值的方法参见附录 A 。

　　9

　　GB/T 13179—2008

　　6 . 3 . 4 作为放大器时间常数函数的噪声线宽

　　由噪声线宽对放大器时间常数所作的曲线，可得到有关噪声贡献的数据 。这条曲线将给出兼顾计数率和能量分辨率的重要信息 。

　　用成形时间常数可调的放大器，按 6 . 3 . 1 所述的方法可进行本测量 。测得的结果用噪声线宽对脉冲成形时间常数(以基线恢复之类的其他可能变数为参变量)曲线表示 。

　　6 . 4 能量分辨率测量6 . 4 . 1 x射线放射源