HPGe探測器對圓形面源探測效率的研究

張小林 余功碩 李元景 許啟初 解 峰 白 濤

HPGe探測器對圓形面源探測效率的研究

張小林1,2余功碩2李元景1許啟初2解 峰2白 濤2

1（清華大學(xué)工程物理系 北京 100084）
2（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

實(shí)驗(yàn)刻度了GEM60P4型高純鍺(High Purity Germanium, HPGe)探測器在H=250mm處對三種圓形面源(?24mm、?80mm和?90mm)的峰探測效率，結(jié)果表明，這三種源的效率基本一致。采用MCNP模擬了?40- 160mm內(nèi)的圓形面源效率，研究了探測效率隨樣品直徑的變化關(guān)系，并采用Geant4 計(jì)算了圓形面源對同軸探測器的有效立體角。對?90 mm以上的樣品源，探測效率隨源直徑的增大在逐漸減小，且高能γ射線效率減小程度較快，需采用標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行效率刻度。

高純鍺(High Purity Germanium, HPGe)探測器，圓形面源，探測效率

高純鍺(High Purity Germanium, HPGe)探測器由于具有良好的能量分辨率、較高的探測效率和較寬的能譜響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在核物理研究及核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。如在放射性核素核查和環(huán)境大氣輻射監(jiān)測等工作中，一般采用抽氣過濾法將環(huán)境大氣中的氣溶膠粒子過濾到濾材上，然后采用HPGe γ譜儀無損分析氣溶膠粒子中的放射性核素及其活度[1-2]，其中HPGe探測器的效率曲線是準(zhǔn)確定量分析的一個(gè)重要質(zhì)量保障，須事先通過標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行效率刻度。γ射線點(diǎn)源通常作為實(shí)驗(yàn)室的主要標(biāo)準(zhǔn)源，而實(shí)際測試的樣品通常是具有一定直徑的圓形樣品。根據(jù)工作需要，本文刻度了GEM60P4型HPGe探測器對?24mm、?80mm和?90mm三種圓形面源的探測效率。為了進(jìn)一步研究圓形面源的探測效率隨樣品直徑的變化關(guān)系，采用MCNP程序和Geant4工具包模擬計(jì)算了?40-160mm圓形面源的效率和立體角。

1 刻度源制備

圓形面源的源盒由有機(jī)玻璃加工成圓柱形結(jié)構(gòu)，由盒體與盒蓋通過螺紋連接組成，其中盒體的底部厚度為1mm。在內(nèi)徑為?24mm盒體的底部鋪有1層濾紙，直徑為?90mm和?80mm為氣溶膠濾材效率刻度源，濾材的材質(zhì)為聚丙烯。

將一定量的152Eu標(biāo)準(zhǔn)溶液滴入?24mm盒體的濾紙上，使溶液均勻鋪開，室溫下自然涼干后，擰緊盒蓋壓實(shí)密封。

圓形效率刻度面源制備時(shí)，事先在濾材的一個(gè)平面內(nèi)均勻劃分1cm×1cm的小方格，便于在每個(gè)方格的中心滴加刻度溶液，以保證刻度源溶液在濾材中均勻分布。由方格數(shù)和1滴溶液的質(zhì)量估算所需的152Eu溶液總量，并根據(jù)已知比活度的152Eu標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量來確定稀釋倍數(shù)。將稀釋過的152Eu溶液滴入方格中心，由十萬分之一分析天平減量法稱量滴入的溶液總質(zhì)量，待濾材自然陰干后，擰緊盒蓋密封。

濾材刻度源的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 濾材刻度源結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of filter calibration source.

2 效率刻度

2.1 γ譜儀系統(tǒng)

HPGe γ譜議系統(tǒng)由GEM60P4型HPGe探測器、DSPEC Plus數(shù)字化譜儀、鉛屏蔽體和計(jì)算機(jī)組成，其中HPGe探測器的晶體大小為?69.2mm× 69.2mm，鍺晶體外表面死層的厚度為0.7mm，封裝于一圓柱形鋁殼內(nèi)，鋁殼的頂部厚度為1mm，與鍺晶體的距離為4mm。探測器的相對效率為60%，對60Co 1332.5keVγ射線峰的能量分辨率(半高寬，full width at half maximum，F(xiàn)WHM)為1.90 keV。

2.2 效率刻度

152Eu為多γ射線放射源[3]，在源與探測器表面距離較近測試時(shí)，符合相加效應(yīng)嚴(yán)重，需采用系列單能γ射線標(biāo)準(zhǔn)源刻度HPGe探測器的峰效率和總效率進(jìn)行校正。由于放射源半衰期和制備反應(yīng)方式等限制，一般實(shí)驗(yàn)室不具備足夠的單能源進(jìn)行效率刻度，為了減少符合相加效應(yīng)的影響，通過改變與探測器同軸源架中心源托的位置，將放射源放置于探測器表面較遠(yuǎn)處進(jìn)行測試。

源托與探測器表面的距離通常設(shè)置為10mm、30mm、70mm、150mm、250mm和410mm，將效率刻度源置于距探測器表面250mm的源托中進(jìn)行測試，此時(shí)符合相加效應(yīng)可忽略。無損分析樣品中152Eu的γ能譜，GEM60P4型HPGe探測器對?90mm、?80mm和?24mm刻度源效率的刻度結(jié)果及其比值列于表1。

表1 三種面源的峰效率及其比值Table 1 The efficiency and ratio of GEM60P4 HPGe detector.

由表1中的效率比值可看出：在忽略樣品源中濾材和濾紙這兩種基質(zhì)材料對152Eu的121.78-1408.01 keV γ射線相對自吸收效應(yīng)差異的情況下，GEM60P4型HPGe探測器對?90mm、?80mm和?24mm刻度源在250mm處的探測效率在2%的不確定度范圍內(nèi)一致。?24mm圓形面源相對GEM60P4型HPGe探測器可視為一“點(diǎn)源”，當(dāng)樣品直徑在24-90mm變化，圓形面源與點(diǎn)源的探測效率基本一致。因此，對直徑為90mm以下的圓形濾材面源，可直接選用點(diǎn)源來刻度圓形面源的探測效率，不需再制備圓形面刻度源，這將大大簡化圓形面刻度源的制備工作。但隨著圓形面源直徑的進(jìn)一步增大，相對點(diǎn)源，其效率與樣品直徑的變化關(guān)系如何？為了節(jié)省制備不同直徑大小實(shí)驗(yàn)刻度源的成本和工作量，采用 MCNP程序模擬了不同直徑圓形面源的探測效率。

2.3 MCNP模擬效率

采用MCNP模擬了GEM60P4型HPGe探測器對?40-160mm共11種規(guī)格大小的圓形面源的探測效率[4-6]，?80mm和?90mm圓形面源探測效率的模擬值與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定值的偏差小于1.5%。圓形面源探測效率的MCNP模擬結(jié)果見表2，并以點(diǎn)源的效率為基準(zhǔn)，對其余幾何尺寸樣品的效率進(jìn)行歸一，得到121.78 keV和1408.01keV γ射線探測效率的相對值也列于表2。

由表2得到，對直徑小于90mm的樣品源，探測效率在2%的不確定度范圍以內(nèi)一致，表2中? 40mm、? 80mm和? 90mm圓形面源的1408.01keV γ射線峰相對效率大于1.000，最大差別為1.1%，這是由于效率刻度中不確定度因素的影響。

對直徑大于90mm的樣品源，探測效率隨樣品源直徑的增大在逐漸減小。當(dāng)樣品直徑在不斷增大時(shí)，放射源相對HPGe探測器所張的有效立體角在減小，放射源發(fā)射的γ射線斜射進(jìn)入探測器靈敏體積進(jìn)而穿出鍺晶體的幾率在增大[2]，高能γ射線與鍺晶體發(fā)生相互作用沉積能量的幾率在減小，因而探測效率總體呈下降趨勢，且高能γ射線探測效率下降較快。因此GEM60P4型HPGe探測器對250mm處直徑大于90mm圓形面源的探測效率，隨著源直徑的增大，效率隨之減少。因此，須考慮源形狀的差別對于探測效率的影響，此時(shí)需通過效率標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行效率刻度。

表2 MCNP模擬的GEM60P4型HPGe探測器的探測效率Table 2 MCNP simulation of GEM60P4 HPGe detector efficiency.

2.4 立體角的計(jì)算

采用Geant4工具包計(jì)算了同軸鍺探測器對圓形面源的有效立體角。Geant4是由歐洲核子研究中心(CERN)主導(dǎo)開發(fā)的一種Monte Carlo模擬計(jì)算工具，主要應(yīng)用于高能粒子在介質(zhì)材料輸運(yùn)過程中的模擬。

在能譜測試中，源架與探測器兩者的中心軸線重合，樣品源置于源架中心處的源托中，因此圓形面源與探測器的兩個(gè)平面平行，且中心軸線重合。設(shè)圓形面源的半徑為R1，HPGe探測器的半徑為R2，晶體長度為h，兩個(gè)平面的距離為a。探測器和圓形面源的幾何位置示意圖見圖2[7-8]。

圖2 同軸探測器與圓形面源的幾何位置圖Fig.2 Coaxial detector and disc source geometry.

由圖2的模型結(jié)構(gòu)，按照蒙特卡羅原理，將源粒子均勻分布在圓形面源上(?24-160mm)，發(fā)射方向?yàn)?π各向同性。源粒子類型為Geant4程序自帶的虛擬粒子，該粒子不與任何物質(zhì)發(fā)生散射或者產(chǎn)生次級粒子。探測器外殼表面距離圓形面源距離a為250mm，外殼直徑為415mm，放射源發(fā)射的γ射線經(jīng)鋁密封外殼后進(jìn)入到鍺晶體，與晶體發(fā)生相互作用。假設(shè)源粒子抽樣總數(shù)為N0，最終到達(dá)探測器外表面的粒子統(tǒng)計(jì)數(shù)為N1，則可得到該幾何條件下圓形面源對于探測器圓柱形鍺晶體有效體積的平均立體角為[9-10]：

Ω的計(jì)算結(jié)果見表3，以?24mm圓形面源的立體角為基準(zhǔn)，對其余尺寸樣品的立體角進(jìn)行歸一，歸一后的立體角和表2中相對效率也列于表3中，以便與效率進(jìn)行對比分析。

從表3中可看出，對直徑小于90mm的圓形面源，源對探測器的立體角在2%的范圍內(nèi)一致。立體角隨著源直徑增大而減小，如?130mm和?160mm圓形面源相對?24mm圓面點(diǎn)源，立體角分別減小了3.7%和4.3%。

表3 Geant4計(jì)算的圓形面源對同軸HPGe探測器的立體角Table 3 Geant4-calculated solid angle of disc source to coaxial HPGe detector.

立體角實(shí)質(zhì)是反映了放射源輻射出的總粒子數(shù)進(jìn)入到探測器中的幾率大小。GEM60P4型HPGe探測器鍺晶體的直徑和長度均為69.2mm，因此?70mm以下圓形面源發(fā)射的γ射線是正向射入到鍺晶體中，因此其探測效率和立體角近乎一致。由表3中的結(jié)果可看出，對?70mm的圓形面源，立體角的差別為1.2%。隨濾材源的直徑在逐漸增大時(shí)，立體角呈減小的變化趨勢，放射源輻射的γ射線斜射穿過鋁密封外殼后進(jìn)入到晶體的射線數(shù)將增加，因此與正向入射相比較，γ射線在進(jìn)入到鍺晶體前穿過鋁吸收層的厚度將增加，因此探測效率減小。對1408.01keV的高能γ射線，斜射后與晶體發(fā)生相互作用，相對121.78keV低能γ射線，穿出晶體的幾率較大，因此1408.01keV的探測效率下降較快。濾材源直徑繼續(xù)變大時(shí)，γ射線入射到晶體的概率在減少且穿出晶體的幾率將繼續(xù)增大，如?100mm圓形面源，121.78keV和1408.01keV的γ射線相對效率分別下降了2.0%和2.8%，而對? 160mm圓形面源，下降了2.6%和5.0%。

由表3中數(shù)據(jù)得到，相對立體角與121.78keV、1408.01keV的相對效率的比值在2.0%、3.0%的范圍內(nèi)一致，因此通過分析不同大小圓形面源對探測器立體角的變化，可研究探測效率隨樣品尺寸的變化關(guān)系。

為了與H=250mm處的圓形面源探測效率隨源直徑變化關(guān)系進(jìn)行對比，采用MCNP程序模擬計(jì)算了GEM60P4型HPGe探測器表面處不同幾何尺寸圓形面源的探測效率，以?24mm圓形面源的效率為基準(zhǔn)，探測效率的相對值列于表4。

表4 MCNP模擬的GEM60P4型HPGe探測器表面的探測效率Table 4 MCNP simulation of GEM60P4 HPGe detector surface efficiency.

與H=250mm處相比較，探測器表面處樣品的立體角較大，但隨樣品直徑變大，立體角減小的程度較快，因此探測效率下降且變化顯著。斜射入鍺晶體γ射線的徑跡隨樣品直徑的增大而逐漸平直，由于探測器外殼對不同能量γ射線吸收程度的差異，使低能γ射線探測效率減小的程度比高能射線較強(qiáng)。

3 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算，研究了GEM60P4型HPGe探測器對距離探測器表面250mm處圓形面源的探測效率與樣品直徑的變化關(guān)系。結(jié)果表明：在源距探測器表面250mm處，GEM60P4型HPGe探測器對?90mm以內(nèi)圓形面源的探測效率和立體角均在2%的范圍內(nèi)一致，但隨著樣品直徑的繼續(xù)增大，探測效率和立體角均逐漸下降，兩者下降程度在3.0%內(nèi)一致，且高能γ射線探測效率下降較快。

得到GEM60P4型HPGe探測器對距表面250mm處直徑在90mm以內(nèi)圓形面源的探測效率，與相同距離處點(diǎn)源的效率一致。因此，可通過點(diǎn)源來標(biāo)定圓形面源的效率，這將大大簡化圓形面刻度源的制備工作，節(jié)省實(shí)驗(yàn)的成本和工作強(qiáng)度；但對直徑大于90mm的圓形面源，需通過標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行效率刻度。

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CLC TL817.2

Study of HPGe detector peak efficiency by disc source

ZHANG Xiaolin1,2YU Gongshuo2LI Yuanjing1XU Qichu2XIE Feng2BAI Tao2
1(Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
2(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

Background: Calibrating the detection efficiency accurately is the key process to the disc filter sample activity detected by High Purity Germanium (HPGe) gamma spectrometer, and the diameter of the disc filter source is varied with the specification of the sampler filter. Purpose: To study further the relation between detection efficiency and the source size, the HPGe detector peak efficiency (relative detective efficiency is 60%) was performed for disc sources with diameters of ?24mm, ?80mm and ?90mm, respectively. Methods: The efficiency and the solid angle for disc source with diameter ranging ?40-160mm were simulated using the MCNP and the Geant4. Results: The result shows that the detecting efficiency of three sources is consistent, and the efficiency gradually decreases with the increasing size of the disc source with diameter greater than ?90mm. Conclusion: The efficiency for disc sources with diameter less than ?90mm is directly calibrated by the standard point sources, while for disc sources with diameter larger than ?90mm which is needed to be calibrated by the standard disc sources.

High Purity Germanium (HPGe) detector, Disc source, Detecting efficiency

TL817.2

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070404

張小林，男，1971年出生，2006年于清華大學(xué)獲核技術(shù)應(yīng)用專業(yè)碩士學(xué)位，從事實(shí)驗(yàn)核物理的研究

2013-09-05，

2014-04-08