反射层对NaI(Tl)闪烁体探测器探测效率的影响

袁 航 单 伟 赵梦薇 郑 晓 钟思洁

（核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610213）

1 引言

闪烁体探测器作为一种常见的辐射探测设备，其探测机理是当入射粒子（例如γ）进入闪烁体中后，经历了光电效应（探测的主要贡献）、康普顿散射、电子—空穴对的形成等各种作用以及闪烁体内部的微观转变，从而产生一些能量比辐射低很多的光子， 由于发射的光微弱以至于无法通过肉眼观察， 需要由光电倍增管的光阴极将其转换为光电子再进行倍增放大从而对入射粒子进行探测。

NaI (Tl)作为一种重要的无机卤化物闪烁体，由于它良好的特性 （3.67 g/cm3） 以及较高的发光效率（38 光子/keV），在辐射探测方面具有灵敏体积大、探测效率高、价格低廉等特点，同时由于NaI （Tl）闪烁体探测器具有操作简单、环境适应能力强的优点，使得该闪烁体探测器广泛使用在核物理试验， 辐射监测、油井勘探、医疗成像系统等众多领域[1]。

Monte Carlo 方法作为一种以概率论为指导的数值模拟方法，经过半个多世纪的发展，现在已经成为核物理研究方面的重要工具Monte Carlo 方法被广泛地应用于探测器的研究中， 在之前的研究中探测距离、闪烁体的大小、入射的方向等均会影响到探测器的探测效率[2-9]。

在本次的模拟中， 使用Monte Carlo 方法计算了NaI (Tl)闪烁体探测器在不同反射层及不同反射层厚度下对探测效率的响应，计算出了绝对探测效率和全能峰探测效率。 模拟了氧化铝粉末 （Al2O3）、 钛白粉（TiO2）作为反射层材料时的探测效率，同时使用一种使用较为广泛的反射层材料——氧化镁粉末（MgO）来作为参考，并基于此次的模拟结果，平衡反射层厚度对绝对探测效率以及全能峰探测效率的影响，对闪烁体探测器的反射层材料以及反射层厚度提出了优化建议。

2 实验方法

2.1 MCNP 模型

在使用 Monte Carlo 方法 NaI （Tl）闪烁体探测器进行计算时，γ 放射源的能量被设定为662keV。

在模拟中考虑NaI （Tl）闪烁体探测器实际使用的情况，本文中所建立的NaI （Tl）闪烁体探测器的模型是一个封装后的模型。 对于闪烁体的反射层，选择使用氧化镁粉末、氧化铝粉末和二氧化钛粉末来进行对比，同时反射层的厚度从0.1 cm 到0.3 cm 以0.02 cm为间隔进行递增。 模拟的参数如表1 和表2 所示。

表1 MCNP 模拟所需参数

表2 反射层材料厚度

2.2 MCNP 模型

闪烁体探测器的探测效率反应了闪烁体探测器探测辐射粒子的能力。 本文中采用探测器的绝对探测效率以及全能峰效率来反应NaI （Tl）闪烁体探测器探测对入射粒子探测的性能。

绝对探测效率考虑的是对放射源所发射出的所有粒子，探测器测量到的计数值，计算公式如下所示：

式中，N 为NaI (Tl)闪烁体探测器受到入射粒子激发所产生的微弱脉冲计数；N0为放射源在探测时间内所发射的粒子总数。

NaI （Tl）闪烁体探测器的全能峰效率考虑的是对放射源所发射出的所有粒子，NaI （Tl）闪烁体探测器能谱中全能峰的计数，计算公式如下所示：

式中，N全能为 NaI （Tl）闪烁体探测器受到入射粒子激发， 在全能峰处的微弱脉冲计数；N0为放射源在探测时间内所发射的粒子总数。

图1 NaI(Tl)闪烁体的MCNP 模型

3 结果与讨论

根据图1 和图2 建立的探测器模型， 使用Monte Carlo 方法进行了模拟计算得出了探测器的能谱。 模拟所得结果使用公式（1）和公式（2）来进行计算 NaI （Tl）闪烁体探测器的绝对探测效率和全能峰探测效率，使用公式（3）计算探测器的相对探测效率，计算所得结果如图2 和图3 所示。

图2 仿真计算示意图

图3 不同反射层厚度下的绝对探测效率

由图3 可知， 在不同反射层厚度的情况下，NaI(Tl)闪烁体探测器的相对探测销量（绝对探测效率）会随着反射层厚度的增加而有所起伏并有所提升，从0.1 cm 时的0.819%到0.3 cm 时的0.841%；同时使用MgO 粉末作为反射层时的绝对探测效率与使用Al2O3粉末的相比，在0.1 cm 反射层厚度的情况下相对探测效率低了0.003；与此同时，使用TiO2粉末时在绝对探测效率上要比使用其他两种材料有所提升（0.001%）。由图3 可见，增加反射层厚度能带来更高的绝对探测效率， 在绝对探测效率的表现上，MgO 粉末、Al2O3粉末与TiO2粉末均可作为反射层材料，且会随着反射层厚度的增加而提升绝对探测效率，同时使用TiO2粉末时的绝对探测效率要比使用其他两种材料时略高。

在本文的模拟中使用的是 662 keV 的 γ 放射源，662 keV 处全能峰效率更能体现出模拟计算中NaI （Tl）闪烁体探测器对于该能量的入射γ 粒子的探测能力。

图4 不同反射层厚度下的全能峰探测效率

由图4 可知，使用不同反射层材料时探测器的相对探测效率（全能峰效率）是随着反射层厚度的变化而变化的。 在图4 中相对探测效率（全能峰效率）是随着闪烁体反射层厚度的增加而减少， 从0.1 cm 时0.329%到0.3 cm 时的 0.327%；在 0.26 cm 的反射层厚度时， 使用 MgO 粉末作其全能峰探测效率为0.334%， 而使用Al2O3粉末时其全能峰探测效率是0.333%，使用TiO2粉末时为0.331%。 而其余反射层厚度范围内，使用MgO 粉末和Al2O3粉末时的全能峰探测效率基本上是一样的，而使用TiO2粉末时全能峰探测效率要低于其他两种材料。 根据上述不同的厚度下全能峰效率可知，MgO 粉末、Al2O3粉末与TiO2粉末均可作为反射层材料， 且会随着反射层厚度的增加而降低全能峰探测探测效率， 同时使用TiO2粉末时的全能峰探测效率要比使用其他两种材料时略低。

4 结论

通过 Monte Carlo 方法对 NaI （Tl）闪烁体探测器进行了计算， 改变不同反射层材料的厚度计算出了NaI （Tl）闪烁体探测器的相对探测效率。 发现探测效率是会随着反射层的增加而产生不同的变化， 根据绝对探测效率以及全能峰效率在不同反射层厚度下的具体结果， 同时为了平衡在不同反射层厚度下NaI （Tl）闪烁体探测器的绝对探测效率以及全能峰效率，本文建议在使用 MgO 粉末与 Al2O3粉末作为 NaI （Tl）闪烁体探测器的反射层材料时，在条件允许的情况下应使用较薄的反射层厚度，例如0.1cm。