HPGe探测器对圆形面源探测效率的研究

张小林 余功硕 李元景 许启初 解 峰 白 涛

HPGe探测器对圆形面源探测效率的研究

张小林1,2余功硕2李元景1许启初2解 峰2白 涛2

1（清华大学工程物理系 北京 100084）
2（西北核技术研究所 西安 710024）

实验刻度了GEM60P4型高纯锗(High Purity Germanium, HPGe)探测器在H=250mm处对三种圆形面源(ø24mm、ø80mm和ø90mm)的峰探测效率，结果表明，这三种源的效率基本一致。采用MCNP模拟了ø40- 160mm内的圆形面源效率，研究了探测效率随样品直径的变化关系，并采用Geant4 计算了圆形面源对同轴探测器的有效立体角。对ø90 mm以上的样品源，探测效率随源直径的增大在逐渐减小，且高能γ射线效率减小程度较快，需采用标准源进行效率刻度。

高纯锗(High Purity Germanium, HPGe)探测器，圆形面源，探测效率

高纯锗(High Purity Germanium, HPGe)探测器由于具有良好的能量分辨率、较高的探测效率和较宽的能谱响应等优点，在核物理研究及核技术应用等领域被广泛应用。如在放射性核素核查和环境大气辐射监测等工作中，一般采用抽气过滤法将环境大气中的气溶胶粒子过滤到滤材上，然后采用HPGe γ谱仪无损分析气溶胶粒子中的放射性核素及其活度[1-2]，其中HPGe探测器的效率曲线是准确定量分析的一个重要质量保障，须事先通过标准源进行效率刻度。γ射线点源通常作为实验室的主要标准源，而实际测试的样品通常是具有一定直径的圆形样品。根据工作需要，本文刻度了GEM60P4型HPGe探测器对ø24mm、ø80mm和ø90mm三种圆形面源的探测效率。为了进一步研究圆形面源的探测效率随样品直径的变化关系，采用MCNP程序和Geant4工具包模拟计算了ø40-160mm圆形面源的效率和立体角。

1 刻度源制备

圆形面源的源盒由有机玻璃加工成圆柱形结构，由盒体与盒盖通过螺纹连接组成，其中盒体的底部厚度为1mm。在内径为ø24mm盒体的底部铺有1层滤纸，直径为ø90mm和ø80mm为气溶胶滤材效率刻度源，滤材的材质为聚丙烯。

将一定量的152Eu标准溶液滴入ø24mm盒体的滤纸上，使溶液均匀铺开，室温下自然凉干后，拧紧盒盖压实密封。

圆形效率刻度面源制备时，事先在滤材的一个平面内均匀划分1cm×1cm的小方格，便于在每个方格的中心滴加刻度溶液，以保证刻度源溶液在滤材中均匀分布。由方格数和1滴溶液的质量估算所需的152Eu溶液总量，并根据已知比活度的152Eu标准溶液质量来确定稀释倍数。将稀释过的152Eu溶液滴入方格中心，由十万分之一分析天平减量法称量滴入的溶液总质量，待滤材自然阴干后，拧紧盒盖密封。

滤材刻度源的结构示意图见图1。

图1 滤材刻度源结构Fig.1 Structure of filter calibration source.

2 效率刻度

2.1 γ谱仪系统

HPGe γ谱议系统由GEM60P4型HPGe探测器、DSPEC Plus数字化谱仪、铅屏蔽体和计算机组成，其中HPGe探测器的晶体大小为ø69.2mm× 69.2mm，锗晶体外表面死层的厚度为0.7mm，封装于一圆柱形铝壳内，铝壳的顶部厚度为1mm，与锗晶体的距离为4mm。探测器的相对效率为60%，对60Co 1332.5keVγ射线峰的能量分辨率(半高宽，full width at half maximum，FWHM)为1.90 keV。

2.2 效率刻度

152Eu为多γ射线放射源[3]，在源与探测器表面距离较近测试时，符合相加效应严重，需采用系列单能γ射线标准源刻度HPGe探测器的峰效率和总效率进行校正。由于放射源半衰期和制备反应方式等限制，一般实验室不具备足够的单能源进行效率刻度，为了减少符合相加效应的影响，通过改变与探测器同轴源架中心源托的位置，将放射源放置于探测器表面较远处进行测试。

源托与探测器表面的距离通常设置为10mm、30mm、70mm、150mm、250mm和410mm，将效率刻度源置于距探测器表面250mm的源托中进行测试，此时符合相加效应可忽略。无损分析样品中152Eu的γ能谱，GEM60P4型HPGe探测器对ø90mm、ø80mm和ø24mm刻度源效率的刻度结果及其比值列于表1。

表1 三种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：在忽略样品源中滤材和滤纸这两种基质材料对152Eu的121.78-1408.01 keV γ射线相对自吸收效应差异的情况下，GEM60P4型HPGe探测器对ø90mm、ø80mm和ø24mm刻度源在250mm处的探测效率在2%的不确定度范围内一致。ø24mm圆形面源相对GEM60P4型HPGe探测器可视为一“点源”，当样品直径在24-90mm变化，圆形面源与点源的探测效率基本一致。因此，对直径为90mm以下的圆形滤材面源，可直接选用点源来刻度圆形面源的探测效率，不需再制备圆形面刻度源，这将大大简化圆形面刻度源的制备工作。但随着圆形面源直径的进一步增大，相对点源，其效率与样品直径的变化关系如何？为了节省制备不同直径大小实验刻度源的成本和工作量，采用 MCNP程序模拟了不同直径圆形面源的探测效率。

2.3 MCNP模拟效率

采用MCNP模拟了GEM60P4型HPGe探测器对ø40-160mm共11种规格大小的圆形面源的探测效率[4-6]，ø80mm和ø90mm圆形面源探测效率的模拟值与实验标定值的偏差小于1.5%。圆形面源探测效率的MCNP模拟结果见表2，并以点源的效率为基准，对其余几何尺寸样品的效率进行归一，得到121.78 keV和1408.01keV γ射线探测效率的相对值也列于表2。

由表2得到，对直径小于90mm的样品源，探测效率在2%的不确定度范围以内一致，表2中ø 40mm、ø 80mm和ø 90mm圆形面源的1408.01keV γ射线峰相对效率大于1.000，最大差别为1.1%，这是由于效率刻度中不确定度因素的影响。

对直径大于90mm的样品源，探测效率随样品源直径的增大在逐渐减小。当样品直径在不断增大时，放射源相对HPGe探测器所张的有效立体角在减小，放射源发射的γ射线斜射进入探测器灵敏体积进而穿出锗晶体的几率在增大[2]，高能γ射线与锗晶体发生相互作用沉积能量的几率在减小，因而探测效率总体呈下降趋势，且高能γ射线探测效率下降较快。因此GEM60P4型HPGe探测器对250mm处直径大于90mm圆形面源的探测效率，随着源直径的增大，效率随之减少。因此，须考虑源形状的差别对于探测效率的影响，此时需通过效率标准源进行效率刻度。

表2 MCNP模拟的GEM60P4型HPGe探测器的探测效率Table 2 MCNP simulation of GEM60P4 HPGe detector efficiency.

2.4 立体角的计算

采用Geant4工具包计算了同轴锗探测器对圆形面源的有效立体角。Geant4是由欧洲核子研究中心(CERN)主导开发的一种Monte Carlo模拟计算工具，主要应用于高能粒子在介质材料输运过程中的模拟。

在能谱测试中，源架与探测器两者的中心轴线重合，样品源置于源架中心处的源托中，因此圆形面源与探测器的两个平面平行，且中心轴线重合。设圆形面源的半径为R1，HPGe探测器的半径为R2，晶体长度为h，两个平面的距离为a。探测器和圆形面源的几何位置示意图见图2[7-8]。

图2 同轴探测器与圆形面源的几何位置图Fig.2 Coaxial detector and disc source geometry.

由图2的模型结构，按照蒙特卡罗原理，将源粒子均匀分布在圆形面源上(ø24-160mm)，发射方向为4π各向同性。源粒子类型为Geant4程序自带的虚拟粒子，该粒子不与任何物质发生散射或者产生次级粒子。探测器外壳表面距离圆形面源距离a为250mm，外壳直径为415mm，放射源发射的γ射线经铝密封外壳后进入到锗晶体，与晶体发生相互作用。假设源粒子抽样总数为N0，最终到达探测器外表面的粒子统计数为N1，则可得到该几何条件下圆形面源对于探测器圆柱形锗晶体有效体积的平均立体角为[9-10]：

Ω的计算结果见表3，以ø24mm圆形面源的立体角为基准，对其余尺寸样品的立体角进行归一，归一后的立体角和表2中相对效率也列于表3中，以便与效率进行对比分析。

从表3中可看出，对直径小于90mm的圆形面源，源对探测器的立体角在2%的范围内一致。立体角随着源直径增大而减小，如ø130mm和ø160mm圆形面源相对ø24mm圆面点源，立体角分别减小了3.7%和4.3%。

表3 Geant4计算的圆形面源对同轴HPGe探测器的立体角Table 3 Geant4-calculated solid angle of disc source to coaxial HPGe detector.

立体角实质是反映了放射源辐射出的总粒子数进入到探测器中的几率大小。GEM60P4型HPGe探测器锗晶体的直径和长度均为69.2mm，因此ø70mm以下圆形面源发射的γ射线是正向射入到锗晶体中，因此其探测效率和立体角近乎一致。由表3中的结果可看出，对ø70mm的圆形面源，立体角的差别为1.2%。随滤材源的直径在逐渐增大时，立体角呈减小的变化趋势，放射源辐射的γ射线斜射穿过铝密封外壳后进入到晶体的射线数将增加，因此与正向入射相比较，γ射线在进入到锗晶体前穿过铝吸收层的厚度将增加，因此探测效率减小。对1408.01keV的高能γ射线，斜射后与晶体发生相互作用，相对121.78keV低能γ射线，穿出晶体的几率较大，因此1408.01keV的探测效率下降较快。滤材源直径继续变大时，γ射线入射到晶体的概率在减少且穿出晶体的几率将继续增大，如ø100mm圆形面源，121.78keV和1408.01keV的γ射线相对效率分别下降了2.0%和2.8%，而对ø 160mm圆形面源，下降了2.6%和5.0%。

由表3中数据得到，相对立体角与121.78keV、1408.01keV的相对效率的比值在2.0%、3.0%的范围内一致，因此通过分析不同大小圆形面源对探测器立体角的变化，可研究探测效率随样品尺寸的变化关系。

为了与H=250mm处的圆形面源探测效率随源直径变化关系进行对比，采用MCNP程序模拟计算了GEM60P4型HPGe探测器表面处不同几何尺寸圆形面源的探测效率，以ø24mm圆形面源的效率为基准，探测效率的相对值列于表4。

表4 MCNP模拟的GEM60P4型HPGe探测器表面的探测效率Table 4 MCNP simulation of GEM60P4 HPGe detector surface efficiency.

与H=250mm处相比较，探测器表面处样品的立体角较大，但随样品直径变大，立体角减小的程度较快，因此探测效率下降且变化显著。斜射入锗晶体γ射线的径迹随样品直径的增大而逐渐平直，由于探测器外壳对不同能量γ射线吸收程度的差异，使低能γ射线探测效率减小的程度比高能射线较强。

3 结语

本文通过实验和模拟计算，研究了GEM60P4型HPGe探测器对距离探测器表面250mm处圆形面源的探测效率与样品直径的变化关系。结果表明：在源距探测器表面250mm处，GEM60P4型HPGe探测器对ø90mm以内圆形面源的探测效率和立体角均在2%的范围内一致，但随着样品直径的继续增大，探测效率和立体角均逐渐下降，两者下降程度在3.0%内一致，且高能γ射线探测效率下降较快。

得到GEM60P4型HPGe探测器对距表面250mm处直径在90mm以内圆形面源的探测效率，与相同距离处点源的效率一致。因此，可通过点源来标定圆形面源的效率，这将大大简化圆形面刻度源的制备工作，节省实验的成本和工作强度；但对直径大于90mm的圆形面源，需通过标准源进行效率刻度。

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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 ø24mm, ø80mm and ø90mm, respectively. Methods: The efficiency and the solid angle for disc source with diameter ranging ø40-160mm 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 ø90mm. Conclusion: The efficiency for disc sources with diameter less than ø90mm is directly calibrated by the standard point sources, while for disc sources with diameter larger than ø90mm 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

张小林，男，1971年出生，2006年于清华大学获核技术应用专业硕士学位，从事实验核物理的研究

2013-09-05，

2014-04-08