一种电子探测器的能谱定标方法与流程

本发明涉及电子探测领域，具体涉及一种电子探测器的能谱定标方法。

背景技术：

电子探测器研制完成后一项重要的工作就是使用束流对样机进行测试定标。验证样机的各项指标是否达到研制要求。主要的定标内容包括测量范围、能量分辨率和测量精度。

(1)测量范围

能量范围定标的目的是确认电子探测器的实际测量范围，能道划分精度和能量分辨率。

(2)能量分辨率

能量分辨率是电子探测器对单一能量的粒子束测量结果重复性好坏进行评价的物理量，能量分辨率越高，测量的粒子能量也就越准确。

(3)测量精度

能谱表示的是各个能量段的微分方向强度。探测器的直接探测量是计数n(个/s)，为了方便数据的比对需要将数据进行归一化处理，将计数除以仪器的几何因子g，得到探测器的微分方向通量强度m：

通过上面的公式可以看出,影响通量定标精度的因素有两个：仪器测量计数的误差和几何因子的误差。通过这两个误差可以推出总的通量误差。

目前，缺乏行之有效的电子探测器的定标和测试方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种电子探测器的能谱定标方法，采用如下技术方案：

一种电子探测器的地面定标方法，基于定标设备实现，所述定标设备包括：经过标校的电子加速器、真空靶室、地检设备和显示终端，所述电子探测器放置在真空靶室的转台上，电子加速器用于向真空靶室发射电子束流；所述方法包括：

对电子探测器的能量响应曲线、能量分辨率和线性度进行定标；

对电子探测器的能档范围和精度进行定标。

作为上述方法的一种改进，所述对电子探测器的能量响应曲线、能量分辨率和线性度进行定标；具体包括：

步骤1-1)根据电子探测器的量程，均匀选取电子加速器的电子束流的能量点ei，i为能量点的序号，能量点的总数n不少于8个，且包括电子探测器量程的起始能量点和截止能量点；控制电子加速器根据选取的能量点输出电子束流，对电子探测器进行照射，记录电子在电子探测器的传感器中的能量沉积谱；

步骤1-2)利用多道测量结果，利用高斯拟合得到能量点ei的电子束流在电子探测器多道采样的能损高斯分布中心值λi和全能峰半高宽fwhmi；

步骤1-3)通过仿真的方法得到当能量点ei时，对应的电子在传感器中的能量损失值δei；

步骤1-4)通过选定能量损值δei和采样结果中心值λi进行线性拟合，得到电子探测器的能量响应公式：

y＝kx+b

其中，y为谱仪测量能量值，x为多道测量读出道址，k和b为拟合出的参数；

步骤1-5)通过步骤1-2)得到每个能点束流能损多道采样中心值λi和全能峰半高宽fwhmi，代入步骤1-4)能量响应公式y＝kx+b，得到束流能量测量值yi＝kλi+b，全能峰半高宽efwhmi＝k×fwhmi；

根据能量分辨率公式计算能量点ei的能量分辨率μ：

步骤1-6)计算线性度χ：

其中，yi为根据电子探测器多道采样谱中心值λi通过能量响应公式计算得到的谱仪测量能量值。

作为上述方法的一种改进，所述对电子探测器的能档范围和能档精度进行定标，具体包括：

步骤2-1)使用电子加速器发射固定能量的电子束流；

步骤2-2)对第一能档e1的下阈值分界点进行定标；

步骤2-3)对最高能档eh的上阈值分界点进行定标；

步骤2-4)对其它能档的分界点进行定标。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-2)具体包括：

步骤2-2-1)从第一能档e1的低端分界点e1(low)开始，将第一能档e1的阈值设置为0，记录入射到电子探测器的所有粒子数n；

步骤2-2-2)提高第一能档e1的第j个阈值nj，得到对应第一能档e1的粒子数nj，由此得到多组阈值和对应的第一能档e1的粒子数；

步骤2-2-3)以阈值nj为自变量，为因变量，拟合第一曲线；

步骤2-2-4)以阈值nj为自变量，为因变量，拟合第二曲线；

步骤2-2-5)将第一曲线和第二曲线的交点的横坐标作为实际的阈值分界点多道的道址；

步骤2-2-6)根据能量响应公式，计算步骤2-2-5)的实际的阈值分界点多道的道址对应的能量损失δel；

步骤2-2-7)由仿真的方法得到δel对应的入射能量，作为第一能档e1的低端分界点e1(low)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-3)具体包括：

步骤2-3-1)从最高能档eh的高端分界点eh(high)开始，将最高能档eh的阈值设置为仪器最大采样值，记录入射到电子探测器的所有粒子数m；

步骤2-3-2)降低最高能档eh的第k个阈值mk，得到对应的最高能档eh的粒子数mk，由此得到多组阈值和对应的最高能档eh的粒子数；

步骤2-3-3)以阈值mk为自变量，为因变量，拟合第三曲线；

步骤2-3-4)以阈值mk为自变量，为因变量，拟合第四曲线；

步骤2-3-5)将第三曲线和第四曲线的交点的横坐标作为实际的阈值分界点多道的道址；

步骤2-3-6)根据能量响应公式，计算步骤2-3-5)的实际的阈值分界点多道的道址对应的能量损失δeh；

步骤2-3-7)由仿真的方法得到δeh对应的入射能量，作为最高能档eh的高端分界点eh(high)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-4)具体包括：

步骤2-4-1)相邻的两个能档分别为ei和ei+1，它们的能档分界点为ei(high)或者ei+1(low)，电子束流能量从第i个能档ei的中间点能量开始对电子探测器进行照射，记录下能档ei的粒子数和能档ei+1的粒子数；

步骤2-4-2)每隔一定的间隔增加电子束流能量，得到一组能档ei的粒子数和能档ei+1的粒子数；拟合得到真实的电子束流的能档的分界点。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法通过加速器束流定标结果拟合得到仪器能量线性响应公式，根据能量线性响应公式可以外推仪器任意测量采样值对应的沉积能量值，以及全能峰道址展宽对应的能量展宽值；

2.本发明的方法通过能档定标可以得到高精度能档划分阈值。

附图说明

图1为本发明的定标设备的连接图；

图2为能档定标的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

电子探测器研制完成后一项重要的工作就是使用束流对样机进行测试定标。加速器试验是检验样机性能和指标的最佳手段，主要的定标内容包括测量范围、能量分辨率和测量精度。

如图1所示，搭建的定标设备包括：电子加速器、真空靶室和地检设备，电子探测器放置在真空靶室的旋转转台上，电子加速器用于向真空靶室发射电子束流。

本发明提出了一种电子探测器的地面定标方法，采用以下技术方案：

一、定标方法

能量范围定标的方法为使用已知确认能量的加速器束流照射样机，由粒子探测器的输出数据得到信号幅度与粒子在传感器中的能量损失之间的线性关系曲线，由该定标曲线得到样机实际的测量范围。

电子探测器对于一个单能粒子束的响应为类高斯分布的峰，能量分辨率＝半高宽fwhm/中心值m，对于能量分辨率更高的探测器，仪器测量到的能量分布范围也就越窄，测量到的能量也就越准确。

计数的误差与仪器的能量分辨率，电子学的计数精度相关,可以通过束流发射的通量作为标准源对计数的误差进行标定。

1、线性度和能量分辨率定标

1.1线性度和能量分辨率定标的目的

通过能量线性度和能量分辨率是评价仪器电子学精度，可作为表征仪器研制水平的指标之一。

能量线性度定标的结果可作为后面的能档划分阈值点确定的依据。

能量线性度定标的结果可作为将来在轨能档阈值调整的重要依据。

1.2能量线性度定标原理

能量限定度定标的基本原理是粒子在硅探测器中的能量损失与输出的脉冲信号幅度之间在理论上为严格的正比关系。假设粒子在传感器中的能量沉积为δe(mev)，则δe的能损在硅探测器中产生的电子空穴对数量n＝δe/2.62，产生的电荷量q＝n*1.62×10-19(c)，则能损与脉冲信号关系为：

上式中，u(v)为仪器输出的电压值，c(f)为仪器的反馈电容，因此可以看到u与δe为正比关系，通过对能量线性度的定标可以得到仪器的基本研制水平。

1.3能量分辨率定标原理

仪器的能量分辨率是考察仪器对单一能量的粒子的测量重复性的好坏评价，仪器的能量分辨率越高，仪器的测量精度也就越大。一般可认为粒子在传感器中的能量沉积谱近似为高斯分布。则在粒子物理中能量分辨率的定义为：

其中，λ为高斯拟合的中心值，fhwm为半高宽。

1.4定标方法

能量线性度需要使用仪器的多道系统进行测试，固定的束流能量依靠电子加速器提供。具体步骤如下：

1)使用现有的电子加速器发射固定能量的电子束流。束流能量考虑仪器的实际测量范围和束流可实现的能量范围。

2)选择确定能量的电子束流ei入射，通过多道系统记录电子在硅传感器中的能量沉积谱。

3)通过仿真的方法得到电子能量ei时，在各路传感器中的能量损失δei。

4)重复步骤2)，得到不同能量的电子在硅中能量损失的多道测量结果。

5)使用多道的测量结果，利用高斯拟合得到多道能损高斯分布中心值λi。

6)使用一系列的δei和λi的结果进行线性拟合，拟合公式为y＝kx+b。

7)使用公式求出线性度。

2、能档定标

2.1能档定标的目的

为了通过定标确认仪器在各个能档的实际测量范围。仪器的设计和调试是按照用户指标要求进行，但仪器实际研制出来后需要对其指标进行确认，得到仪器真实的能量测量范围。主要目的有：

1)通过定标获得仪器的实际能量测量范围。

2)通过定标得到设计能量测量范围与设计指标的偏差。

2.2定标原理

对能档范围定标实际上就是确定探测器能档的实际分界点。定标的基本原理是普遍的物理常识，即当一个以仪器能档实际分界点能量入射的粒子，其落入在上下两个能档的概率相等。可用如下公式表示

p(i,ei)＝p(i+1,ei)

如，i为仪器的某个能档，ei为仪器的实际能量分界点，p为落入该能档的概率。

加速器可输出连续可调的单能电子束，用高能电子探测器整机对单能电子进行测量，可以获得探测器的传感器和电子学部分整体对不同能量电子的响应情况。根据实际响应情况，可获得探测器每个能档实际上能记录到的电子能量范围，通过调节电子束流能量配合数据拟合找到相邻两个通道计数相等时的束流能量，即能档的实际测量边界。

如图2所示，在寻找e5和e6两个能档的实际分界点时，束流能量选择了3个能量点，两条线分别代表不同能量的电子分别落在e5和e6两个能档的概率，两条线相交时意味着粒子落入两道的概率相等，两条线的交点对应的入射能量即为e5和e6的实际能档分界点。

对于加速器能量不能覆盖的高能范围，则使用可覆盖范围的测试结果进行线性外推进行推算。

能档精度的定标是指通过定标得到的能档边界的实际值与设计值的偏差，当实际能档范围定标完成后,利用能档边界的实测值和设计值计算出能档划分精度。

2.3定标方法

1)将仪器放置在真空靶室内，连接好仪器响应的电缆，准备好仪器的显示多道系统和地检设备，用于实验数据的输出的存储。

2)使用现有的电子加速器发射固定能量的电子束流。束流能量考虑仪器的实际测量范围和束流可实现的能量范围。

3)第一道的下阈值分界点定标。

步骤3-1)从第一能档e1的低端分界点e1(low)开始，将第一能档e1的阈值设置为0，记录入射到电子探测器的所有粒子数n；

步骤3-2)提高第一能档e1的第j个阈值nj，得到对应第一能档e1的粒子数nj，由此得到多组阈值和对应的第一能档e1的粒子数；

步骤3-3)以阈值nj为自变量，为因变量，拟合第一曲线；

步骤3-4)以阈值nj为自变量，为因变量，拟合第二曲线；

步骤3-5)将第一曲线和第二曲线的交点的横坐标作为实际的阈值分界点多道的道址；

步骤3-6)根据能量响应公式，计算步骤3-5)的实际的阈值分界点多道的道址对应的能量损失δel；

步骤3-7)由仿真的方法得到δel对应的入射能量，作为第一能档e1的低端分界点e1(low)。

4)对最高能档eh的上阈值分界点进行定标；

步骤4-1)从最高能档eh的高端分界点eh(high)开始，将最高能档eh的阈值设置为仪器最大采样值，记录入射到电子探测器的所有粒子数m；

步骤4-2)降低最高能档eh的第k个阈值mk，得到对应的最高能档eh的粒子数mk，由此得到多组阈值和对应的最高能档eh的粒子数；

步骤4-3)以阈值mk为自变量，为因变量，拟合第三曲线；

步骤4-4)以阈值mk为自变量，为因变量，拟合第四曲线；

步骤4-5)将第三曲线和第四曲线的交点的横坐标作为实际的阈值分界点多道的道址；

步骤4-6)根据能量响应公式，计算步骤4-5)的实际的阈值分界点多道的道址对应的能量损失δeh；

步骤4-7)由仿真的方法得到δeh对应的入射能量，作为最高能档eh的高端分界点eh(high)。

5)束流能量可覆盖的其它能档的分界点。

5-1)假设相邻的两个能档分别为ei和ei+1，它们的能档分界点为ei(high)或者ei+1(low)，束流能量从ei能档的中间点能量开始对探测器进行照射，记录下ei能档的计数n(ei)和ei+1能档的计数n(ei+1)。

5-2)每隔一定的间隔增加束流能量，得到一系列的n(ei)和n(ei+1)。

5-3)根据拟合方法得到真实的束流能量分界点。

6)束流能量不能覆盖的其它能档的分界点。

6-1)使用能量线性度刻度方法得到的粒子能量沉积与脉冲信号幅度之间的关系δe＝f(u)，首先计算能档分界点能量δe对应的脉冲幅度值u，u值一般为含小数的道址。

6-2)探测器所加的脉冲幅度受到多道的限制只能为整数，因此阈值只能加在int(u)，通过公式计δe＝f(int(u))计算出此时对应的δe。

6-3)最后通过仿真的方法计算出此时的δe对应的入射能量e，此时e即为能档的测量分界点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。