基于N型同軸HPGe探測器獲取過濾X射線注量譜

周紅召，劉海俠,*，宋明哲，孫 濤，李志遠

(1.國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205;2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

依照ISO 4037-1標準[1]建立的過濾X射線參考輻射可開展X/γ劑量(率)儀能量響應和劑量校準等實驗。平均能量、分辨率以及空氣比釋動能到輻射實用量(周圍劑量當量、定向劑量當量和個人劑量當量)的轉換系數是過濾X射線參考輻射的重要參數，這些參數的推薦值由ISO 4037-1和ISO 4037-3標準[2]給出。實際工作中，為滿足部分實驗特殊需求，需建立標準以外的參考輻射(如平均能量約130 keV的窄譜射束)。由于缺少推薦值，在建立這些參考輻射時需獲取射束的注量譜，以計算平均能量、分辨率和轉換系數等參數。

X射線注量譜通常用探測器測量X射線得到脈沖幅度譜，建立探測器響應矩陣，并開展解譜計算來得到[3]。由于X射線能量較低，一般采用入射端窗較薄的半導體探測器進行測量。Nogueira等[4]用HPGe探測器測量了診斷X射線的脈沖幅度譜，并用剝譜法獲得了注量譜。Hakanen等[5]用平面HPGe探測器測量了N-10～N-60窄譜射束的脈沖幅度譜，并進行了解譜計算。Fritz等[6]用CdZnTe探測器測量了3種高壓下的過濾X射線脈沖幅度譜。Kurková等[7]用CdTe探測器測量了N-60～N-150窄譜射束脈沖幅度譜，并用解析方法建立的響應矩陣計算了注量譜。Teng等[8]用PIPS探測器獲取了L-20和L-30低空氣比釋動能射束以及N-15～N-30窄譜射束的注量譜。

本文采用HPGe探測器測量N-40～N-250窄譜系列參考輻射，使用Geant4[9-11]模擬探測器對放射源的響應并用實測能譜進行驗證，建立其響應矩陣，并通過MAXED[12]軟件開展解譜計算，進而計算空氣比釋動能到周圍劑量當量H*(10)和個人劑量當量HP(10)的轉換系數，并與ISO 4037-3推薦值進行對比，驗證注量譜獲取方法的準確性。

1 脈沖幅度譜測量

用于過濾X射線脈沖幅度譜測量的是Canberra公司GR1039型N型同軸HPGe探測器。電子學系統采用Canberra-Inspector2000型數字化8k多道分析器，能譜測量分析軟件為Genie2000。將HPGe探測器置于屏蔽準直體內以降低散射影響。入射端采用2 cm鉛準直器，開孔直徑1 mm，距準直器中心1 cm。使用中國原子能科學研究院計量測試部的N-40～N-250窄譜系列過濾X射線參考輻射進行測量。通過三維激光定位裝置將探測器前表面固定在距離X光機焦點2.5 m處，并保證探測器軸向與射束軸向重合。測量結果示于圖1。

圖1 窄譜系列X射線脈沖高度譜Fig.1 Pulse height spectra of narrow series filtered X-ray reference radiation

2 響應矩陣建立

2.1 探測器建模

Geant4軟件具有開源、使用靈活、計算效率高和圖形引擎優異等優點，其對光子-電子耦合輸運的計算準確性已得到了廣泛驗證[13-15]。圖2為Geant4軟件所建HPGe探測器幾何模型。綠色為HPGe晶體，黃色為鋁，外層淡綠色為聚乙烯。直徑1 mm的平面源中心到探測器軸線距離1 cm，距探測器端窗表面15 cm。PhysicsList采用G4EmStandardPhysics_option4，通過獲取每一步(step)產生的能量沉積以計算初始粒子(event)在探測器內的總能量沉積Ei。

圖2 HPGe探測器幾何模型Fig.2 HPGe detector geometric model

2.2 能量展寬

受載流子數量統計漲落和電子學噪聲等影響，脈沖幅度譜全能峰具有一定展寬。由于Geant4無法計算載流子輸運過程，采用Geant4計算探測器對單能光子的響應時，為得到與實際相符的脈沖幅度譜，需對沉積能量Edep進行高斯抽樣，抽樣標準差σ與脈沖幅度譜半高寬FWHM的關系見式(1)，FWHM可根據式(2)計算。

(1)

(2)

測量241Am、133Ba、152Eu、57Co、54Mn和60Co源能譜，計算主要峰位的FWHM，并用式(1)擬合，得到a=1.098 keV，b=0.019 81 keV1/2，c=0.000 495 5 keV-1，結果示于圖3。根據擬合所得參數和入射光子能量通過式(1)、(2)計算σ。

圖3 FWHM與能量擬合曲線Fig.3 Fitted curve of FWHM and energy

2.3 實驗驗證

利用建立的探測器模擬133Ba、57Co、152Eu和137Cs源的脈沖幅度譜，并與實測譜進行比較，如圖4所示。其中實測譜已扣除本底，4個放射源分別以80.998、122.061、121.782、661.657 keVγ射線全能峰峰高進行歸一化。由圖4可知，采用Geant4所建模型對133Ba、57Co、152Eu和137Cs放射源的脈沖幅度譜模擬結果與實測結果在峰位、FWHM以及各分支γ射線的相對峰高等方面吻合較好，驗證了Geant4所建模型及能譜計算方法的準確性。

圖4 Geant4模擬與實測放射源脈沖幅度譜對比Fig.4 Comparison of pulse height spectra between Geant4 simulation and experimental measurement

2.4 響應矩陣

使用Geant4所建模型計算響應矩陣，即探測器對各單能光子的響應。以一定間隔選取部分計算結果并繪制三維圖，建立的響應矩陣如圖5所示。根據光子能量和分辨率，將入射光子分為4～45、20～125、40～310 keV 3段，分別間隔0.2、0.5、1 keV，以分別對應N-40、N-120和N-300以下的過濾X射束。

圖5 響應矩陣示意圖Fig.5 Sketch map of response matrix

3 解譜計算

解譜計算使用MAXED軟件完成。該軟件由德國聯邦物理技術研究院(PTB)開發，采用最大熵算法[16]進行迭代計算。使用時需在輸入文件(*.inp)中指定脈沖幅度譜(*.phs)、響應矩陣(*.rsp)和預置譜(*.flu)的路徑，并設定卡方值和最大迭代次數作為迭代終止條件。

預置譜是迭代計算的初始解，是對注量譜的推斷。隨著預置譜與注量譜相似水平的提升，迭代計算收斂到最優解的可能性增加，但計算結果的可信度降低。因此，通常預置譜只對注量譜進行最低限度的推斷，并根據計算結果進行調整。

除N-80和N-100外，預置譜采用各能量點相對注量均為1的均衡譜，即不對注量譜作猜測。對于N-80和N-100，由于鎢靶特征X射線的存在，過濾X射線注量譜在59.310 keV和69.090 keV附近出現凸起，因此預置譜在這兩個能量附近的相對注量改為3。解譜計算結果示于圖6。

圖6 解譜所得窄譜X射線注量譜Fig.6 Unfolded fluence spectra of narrow series filtered X-ray reference radiation

(3)

表計算值與推薦值比較Table 1 Comparison between calculated and recommended and hpK

4 小結