浅析运用MCNP模拟建立高纯锗探测器效率刻度模型

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[摘要]由于技术上的问题，高纯锗探测器的死层厚度对探测效率的影响问题一直以来没有得到有效解决，运用mcnp模拟建立高纯锗探测器效率刻度模型，能够很好的解决这一问题，进一步提高测量精确度，使模拟刻度误差与实际误差控制在9%以内。从这个角度来看，建立MCNP探测效率刻度模型是十分必要的，可以在实践中得以运用。通过本文分析，我们可以验证运用该刻度模型后取得的良好效果。

[关键词]高纯锗探测器 MCNP探测效率刻度 死层厚度

[中图分类号] O572.21+2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-2-156-2

0引言

高纯锗探测器具有很多优点，包括探测效率高、探测的能量范围广、分辨率高等特点。正因为这些优点的存在，实践中常将其用于放射性活度水平比较低的环境样品分析上。在进行复杂样品形态的刻度测量时，通常会使用无源刻度法，但是对于MCNP模型来说，这种刻度测量法的要求比较高，需要非常准确的描述探测器的内部成分和结构，建构一个有效的模型。对于一些特殊的部位，还需要弄清楚其具体结构，而厂家也不会提供这些内部结构的模型，需要我们自行通过实验方式确定。

1高纯锗探测器内部结构

高纯锗探测器由四个部分组成，最里面的一层叫锗死层，锗死层按其在探测器中的位置分为侧死层和顶死层，依次向外有冷指井、锗晶体、铝固定桶、铝外壳这四个层次，其中，一些成分的结构层次是已经确定的，譬如铝固定桶和铝外壳等。但是锗死层厚度、冷指井尺寸现在无法确定，因此，我们在进行探测器效率刻度模型构建时，主要针对确定二者的厚度及尺寸进行实验。

2锗死层厚度及冷指井尺寸的确定

要确定锗死层厚度和冷指井尺寸，必须结合MCNP模拟和实验相互应用的方式，且经过一系列的假设和认定的过程，最终才能确定二者的准确厚度和尺寸。笔者所进行的实验分三步走，首先，假设几种可能的锗死层厚度及冷指井尺寸，然后运用MCNP计算出每个假定情况下的全能峰效率，在确定每个效率之后，将其制作成变化的图形，以便直观的发现区别，通常我们会将其制作成变化的曲线，这样就能使效率的变化趋势一目了然。最后，将探测的效率的结果趋势与锗死层厚度及者冷指井尺寸的变化趋势相互进行比对，得出正确的锗死层厚度和冷指井尺寸，当然，在确定厚度时，也要配合相应的射线进行厚度调整，对于冷指井，一般采用高能的γ射线（>1000keV）进行调整，而锗死层则用低能的γ射线（

2.1侧死层厚度的确定

新出厂的探测器锗死层一般不厚，一般在0.1mm-0.5mm范围内，但是薄薄的它也会产生很大的副作用，譬如，它会对低能的γ射线效率产生特别大的影响，因此，必须对其进行测量。在测量侧死层时在探测器的旁边放置241Am γ点源，具体操作如图1所示：

测出全能峰效率为7.43×10-2，由于高纯锗探测器结构具有复杂性特点，因此，我们需要假定多种侧死层的厚度，再运用MCNP模拟得出与假定厚度相适应的241Am γ点源全能峰效率，其实验后的结果如下表所示：

运用一维线插值的方式对实际测量的两种效率进行比较分析，且最终得出侧死层的厚度为1.216mm。之所以会测出这么厚的锗死层，是由于该探测器的探头已使用了8年时间，因此死厚度随着使用时间的增长而变大。

2.2顶死层厚度的确定方式

确定顶死层的厚度和确定侧死层的厚度非常相近，使用241Am γ点源测量方式计算，不仅要测量其全能峰效率值，还要运用MCNP模拟不同假定条件下241Am γ点源全能峰效率。通过实验测得，其全能峰效率为1.21×10-2。经拟合计算出顶死层厚度为1.231mm，具体测量过程如图2所示：

2.3冷指井直径的确定方式

测量冷指井直径，先要将60Co γ点源放在探测器的旁边，然后加准直器，保证射线在正确的轨道进入探测器里面，这样可以实现降低冷指高度对探究冷指直径的精度照成干扰。通过测量得出，用MCNP模拟后得出的冷指井直径为14.66mm。具体的测量结果如表3所示：

2.4冷指井高度的确定

确定冷指井高度的方式和确定冷指井直径的方式类似，同样要用到点源测量，将60Co γ点源放在探测器的中轴线上，保证60Co的γ射线沿探测器中轴线进入探测器里面。在经过MCNP模拟之后计算出冷指井高度是35.02mm。

3效率刻度模型准确性验证

确定好探测器锗死层及冷井尺寸后，为确保效率刻度模型的可靠性，我们选用152Eu、137Cs、60Co γ点源对所建立的刻度模型进行准确性验证，将3个点源分别放在探测器正上方7.0cm处（与一般样品盒高度一致）测量其全能峰效率，再用MCNP模拟3个γ点源相应位置的全能峰效率，二者比对结果如表5所示。

4结论

通过实验我们可以很好的印证文章的观点，即运用MCNP模拟与实验相结合的方式，将全能峰MCNP模拟效率和实际的全能峰效率误差控制在9%以内，对比ORTEC公司的ANGLE无源效率刻度软件的误差（8%左右）我们可以发现二者误差水平相当，这就说明建立这种刻度模型是非常可靠的，可以运用到实践中去，同时，应该在此基础上进一步加强实验研究，探索出更多的MCNP探测效率刻度模型建构方式。

参考文献

[1]乔录成，白立新，张一云，徐家云.高纯锗γ谱仪对环境样品探测效率的模拟计算.成都：四川大学物理科学与技术学院，2003（4）.12-45.

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[3]Sharshar.T，Elnomer T，et al . Efficient calibration of HPGe detectors for volume -source geometries[J] .Applied Radiation and Isotopes .1997， 48（5）：695 - 697.