2024年2月21日发(作者：)

第３３卷第８期　核电子学与探测技术　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．８　２０１３年８月　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｕｇ．　２０１３　同轴型ＨＰＧｅ探测器死层厚度　和冷指尺寸的调整　张建芳，特木尔巴根　（内蒙古民族大学物理与电子信息学院，内蒙古通辽０２８０４３）　摘要：利用蒙特卡罗模拟计算和实验测量相结合的方法，对晶体死层厚度及冷指尺寸进行了修正。　结果表明，当探测器的死层厚度为０．２２　ｃｍ，冷指半径和长度分别为０．３０１和１．Ｏ０　ｃｍ时，模拟效率与实　验效率、模拟能谱与实验能谱符合很好。　关键词：蒙特卡罗方法；高纯锗探测器；死层厚度；冷指尺寸　中图分类号：０　５７１　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５８－０９３４（２０１３）０８－０９６０－０４　探测器的探测效率是表征　射线照射量　冷指尺寸，并进行实验验证。　率与探测器输出脉冲之间的一重要物理量，在　实际测量中，需针对不同的测量条件，如源的形　ｌ材料与方法　式、几何位置、环境测量等，对标准样品的测量　１．１探测器　得到探汉４器在此探测条件下的探测效率，这种　本实验测量采用ＯＲＴＥＣ公司生产的Ｐ型　方法常常昂贵又费时。因此，通过蒙特卡罗　ＨＰＧｅ＇ｙ谱仪。探测器的型号为：ＧＥＭ一２０１８０。　（Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ）方法对实验进行模拟计算可指出　它所测量的能量范围是４０　ｋｅＶ～１０　ＭｅＶ，分辨　提高测量效果的途径。但探测器的生产厂家难　率为１．９０　ｋｅＶ。厂家提供的探测器几何结构　以给出精确的晶体几何参数，同一批次产品各　及尺寸如下：晶体直径为４．６９　ＭｅＶ，长度为５．　探测器间的几何参数差异也较大，这些差异对　５６　ｃｍ，死层厚度为０．０７　ｃｍ，测量的　射线点　测量结果的分析有较大影响。为了使Ｍｏｎｔｅ　源为　。。Ｂａ和　Ｅｕ。　Ｃａｒｌｏ计算的结果准确，首先需对计算模型的关　１．２计算模型　键尺寸进行调整，一般厂家提供的晶体直径与　高纯锗探测器的模拟模型如图ｌ所示，Ｇｅ　晶体长度宏观可测，因此，认为这两项数值准确　晶体的直径与长度为４．６９和５．５６　ｃｍ，死层Ｌｉ　合理，不需调整，本工作通过实验测量效率与　厚０．０７　ｃｍ，Ａ１窗厚０．１２７　ｃｍ，冷指Ｂ层长度为　Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ方法模拟效率相结合的方法，准确　３．５　ｃｍ、厚为０．００１　ｅｍ。点源分别位于图中的　确定高纯锗（ＨＰＧｅ）探测器晶体的死层厚度及　０、ａ、ｂ、Ｃ、ｄ、ｅ、ｆ，其中ｏ、ａ、ｂ、Ｃ至探测器入射窗　表面的垂直距离＾分别为２０、ｌ８、１６、１５　ｃｍ；ｄ、　收稿日期：２０１３—０１—０５　ｅ、ｆ至探测器轴线的径向距离ｒ分别为２、４、６　基金项目：内蒙古民族大学科学研究基金资助项目　ｃｍ。采用Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ光子和电子联合输运程　（ＮＭＤ１２１８）；国家自然科学基金资助项目　序对该模型进行模拟计算。　（１１２６５００９）。　１．３蒙特卡罗方法　作者简介：张建芳（１９８２一），女，讲师，硕士研究生，　探测效率实验测量的模拟计算采用Ｍｏｎｔｅ　从事核技术应用研究。　Ｃａｒｌｏ程序ＭＣＮＰ一４Ｃ，该程序可模拟光子相互　９６０　

＆　铝空气铝锂锗硼　图１　高纯锗探测器的模拟模型　作用、电子输运、ｘ射线和韧致辐射的产生，同　时包括相互之间的耦合输运等　Ｊ。模拟计算　的光子能量为１　ｋｅＶ一１００　ＭｅＶ，适合于　射线　的模拟计算。当模拟的光子数达到一定量后即　可求出　射线探测效率。　在计算中对光子和电子的所有次级过程均　进行模拟跟踪，联合使用了Ｆ８和Ｅ８两个计数　卡。其中　卡称为脉冲幅度卡，可计算　射　线在ＨＰＧｅ晶体中的脉冲高度能谱分布；Ｅ８卡　称为计数能量卡，可划分一组能量沉积箱，每个　能量箱计数对应相应道址的计数率，从而求得　模拟效率值。　选用ＭＣＮＰ４Ｃ程序的计数特殊处理卡对　脉冲能量分布进行高斯展宽，能峰半高宽　Ｅ，删的公式－２　为：　Ｆ删＝ａ＋６√Ｅ　＋ｃＥ；。　（１）　其中Ｅ　为人射＾ｙ射线能量，ＭｅＶ。通过拟　合实验测量值Ｅ，舢，可得。，ｂ，ｃ系数值。　２实验结果　２．１实测效率与模拟效率比较　采用ＨＰＧｅ探测器对标准源＂　Ｂａ和　Ｅｕ　在距探测器轴向距离为１５　ｃｍ处进行测量，通　过计算得到全能峰探测效率　（Ｅ　）　Ｊ：　却　ｒ　Ｆ、一全篮蝰　盐　一　一放射源发射的　光子数一ＡＰ　。　（２）　源的实验全能峰效率与计算效率的对比见　图２。由图２可知，在ＭＣＮＰ模拟计算中，确定　源与探测器的轴向距离１５　ｃｍ，按厂家提供的　的死层参数Ｏ．０７　Ｃｍ、冷指半径０．００１　ｃｍ和冷　指长度３．５０　ｃｍ进行模拟计算，计算效率高于　实测效率，这除与计算中所取的放射源尺寸及　源到探测器距离存在偏差外，源本身的吸收和　散射也是造成计算值与实测值出现偏差的原　因，而产生这种偏差的主要原因来自探测器晶　体的死层厚度和冷指尺寸。　图２死层厚度为０．０７　ｃｍ、冷指长度为　３．５０　ＣＩＩＩ模拟效率和实验效率的对比　２．２死层厚度的调整　探测器晶体死层厚度对高、低能部分＾ｙ射　线探测效率均有影响，但对低能　射线的影响　尤为显著，所以，实验中主要通过低能部分计算　效率与实测效率的对比和分析来找到两者相符　合的死层厚度。当计算效率大于实测效率时，　需增加死层厚度；反之，则需减小死层厚度。由　图２知，源的计算效率高于实测效率，则应在模　拟计算中增大死层厚度。以０．０５为步长，模拟　了死层厚度为０．０７、０．１２、０．１７及０．２２　ｃｍ探　测器对能量为８１．０、１２１．８、２４４．７、２７６．４、　３０２．９、３４４．３及３５６．０　ｋｅＶ的低能光子的探测　效率，并与实测效率进行了比较，从而对晶体死　层厚度进行调整。当死层厚度设在０．２２　ｃｍ　时，低能部分计算效率与实测效率相对偏差在　５％以内，符合效果很好。图３是死层厚度为　０．２２　ｃｍ时源的计算效率与实测效率的对比，　从图中可看出，在低能区计算效率与实测效率　符合较好，但在高能区两者有一定的偏差。　图３死层厚度为０．２２　ｃｍ、冷指长度为　３．５０　ｃｎｌ模拟效率和实验效率的对比　２．３冷指尺寸的调整　冷指处于探测器的后端，对穿透力较强的　９６１　

高能＾ｙ射线影响相对较大，在上述确定死层厚　度０．２２　ｃｍ的基础上，实验中利用”　Ｅｕ源高能　部分的强峰来观察冷指尺寸变化对模拟计算效　率的影响。当计算效率大于实测效率时，增大　冷指尺寸；反之，减小冷指尺寸。从图３可看　出，调整死层厚度后，在高能区计算效率小于实　测效率，则模拟计算需减小冷指尺寸。模拟了　在不同冷指长度下探测器对能量为７７８．９、　９６４．１、１１１２．１及１　４０８．０　ｋｅＶ的高能光子的探　测效率。当冷指长度设置为１．００　ｃｍ时，高能　部分计算效率与实测效率相对偏差在５％以　内，两者符合较好。图４为冷指长度为１．００　ｃｍ时源的计算效率与实测效率的对比。从图　中可看出，通过调整死层厚度与冷指尺寸，在　８１．０～１　４０８．０　ｋｅＶ光子能量范围内计算效率　与实测效率符合较好。表明修正后的死层和冷　指参数正确，ＨＰＧｅ探测器的物理模型合理，利　用ＭＣＮＰ模拟ＨＰＧｅ探测效率可行。但在８０　ｋｅＶ附近的误差较大（６％），这是由于低能部分　的探测效率受到屏蔽材料的ｘ射线干扰，使计　数增大所致，利用ＭＣＮＰ模拟则不存在该情　况。　图４当死层厚度为０．２２　ｅｍ、冷指长度　为１．００　ｅｍ时模拟效率和实验效率的对比　２．４结果验证　２．４．１探测器能谱模拟　当死层厚度为０．２２　ｃｍ、冷指半径和长度　分别为０．３０１和１．００　ｃｍ时，本文模拟了＂。Ｂａ　距离探测器人射窗表面１５　ｃｍ处的能谱，模拟　能谱与实验能谱的比较结果如图５所示。由图　５可见，当死层厚度为０．２２　ｃｍ、冷指半径和长　度分别为０．３０１和１．００　ｃｍ时，模拟能谱与实　验能谱符合较好。　２．４．２探测效率与源距探测器轴向和径向距离　的关系　９６２　图５模拟能谱和实验能谱的比较时模拟　效率和实验效率的对比　利用上述实验和理论计算确定的探测器模　型参数，采用ＭＣＮＰ程序模拟了源距探测器轴　向距离为ｌ６、１８、２０　ｃｍ的探测效率及轴向距离　为２０　ｅｍ时，不同径向距离处计算效率与实验　效率，结果见图６和图７。由图６和图７可知，　无论轴向与径向距离如何变化，计算效率与实　验效率的低能与高能部分始终符合较好，证明　修改参数后的模型对模拟计算是合理的。　图６不同的轴向距离计算效率与　实验效率的对比　３　结论　综上，本文利用光子和电子耦合输运ＭＣ—　ＮＰ程序模拟了ＨＰＧｅ探测器对点源　Ｅｕ和　”。Ｂａ的探测效率，并与实验效率进行对比，获得　了探测器的死层厚度和冷指尺寸。利用确定的　死层厚度和冷指尺寸参数对探测效率模拟计　算，模拟结果与实验效率符合较好。接着利用　该几何模型模拟计算了　Ｂａ能谱以及探测效　率与轴向及径向距离的变化关系，结果表明，模　拟结果与实验测量结果符合较好，表明修正后　的死层和冷指参数正确，ＨＰＧｅ探测器的物理　模型合理，利用ＭＮＣＰ模拟ＨＰＧｅ探测器的探　测效率可行。从而可以避免实际测量时的盲目　

摸索，对于进一步开展相关的物理测量工作具　有重要的意义和应用价值。　图７不同的径向距离（ｒ）计算效率与实验效率的对比　拟研究［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００７，２７（６）：　参考文献：　１０６１—１０６３．　［１］许淑艳．蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用　［Ｍ］．北京：原子能出版社，１９９６：１１９—１２６．　［２］周银行，马玉刚．金属一ｓｉ界面剂量增强效应的模　［３］吴冶华．原子核物理实验方法［Ｍ］．北京：原子能出　版社，１９９７：４７２．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｄｅａｄ　Ｌａｙｅｒ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　Ｃｏｌｄ　Ｆｉｎｇｅｒ　Ｓｉｚｅ　ｏｆ　Ｃｏａｘｉａｌ　Ｈ＿ＰＧｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｎ—ｆａｎｇ，ＢＡ０　Ｔｍｕｒｂａｇａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｎａｔｉｏｎａｌｉｉｔｅｓ，ＴｏｎｇＵ￣０２８０４３，ＣｈｉＩｌａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＨＰＧｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｄｅａｄ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｏｌｄ　ｆｉｎｇｅｒ　ｓｉｚｅ　ｗｅｒｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ　ｂｙ　Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ＨＰＧｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｄｅａｄ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｓ　０．２２　ｃｍ，ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｃｏｌｄ—ｆｉｎｇｅｒ　ｓｉｚｅ　ａｒｅ　０．３０１　ａｎｄ　１　ｃｍ。ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘ・　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．ｆ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ　ｍｅｔｈｏｄｓ；ｈｉｇｈ—ｐｕｒｉｔｙ　ｇｅｒｍａｎｉｕｍ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｄｅａｄ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｃｏｌｄ　ｒｅｆｅｒｓ　ｔｏ　ｓｉｚｅ　９６３