基于高純鍺探測器的輻射劑量率測量技術研究

李 鑫，賈 韜，李學業，王德鑫，張蘇雅拉吐

（1.內蒙古自治區核與輻射監測中心，內蒙古 包頭 014060；2.內蒙古民族大學 核物理研究所，內蒙古 通遼 028043；3.內蒙古民族大學 數理學院，內蒙古 通遼 028043）

高純鍺（HPGe）探測器作為半導體探測器的一種，因其具有較高的能量分辨率、較廣的能量探測范圍（0.05～10.00 MeV）和較大的探測效率等優點，廣泛地應用于環境輻射監測、核物理實驗、核技術應用等領域中。利用其測量的γ能譜可以進行輻射環境的評價，同時可以精確地測量出環境中的放射性核素［1-2］。在環境輻射監測過程中，常用大體積的NaI探測器（例如FH40G）對空氣吸收劑量率進行測量。沒有探測器可以同時測量環境中的γ能譜和空氣吸收劑量率，但是全譜法可以將測量到的γ能譜通過能譜-劑量轉換G（E）函數計算出空氣吸收劑量率［3-4］。因此，利用蒙特卡洛方法計算HPGe探測器的能譜劑量轉換函數G（E），探討這一方法在HPGe探測器上應用的可行性。主要應用Geant4蒙特卡洛程序包對HPGe探測器進行建模，模擬了標準γ源和土壤源的γ能譜并與實驗結果進行了比較。同時利用全譜法得到了HPGe探測器的能譜-劑量轉換G（E）函數，計算了不同入射能量的γ射線的γ能譜及其空氣吸收劑量率并與理論計算結果進行了對比。

1 HPGe探測器

研究的HPGe探測器為美國ORTEC公司生產的型號為GEM60P4-83的大尺寸晶體的探測器，相對探測效率在60%以上，并且60Co核素的1.33 MeV全能峰的能量分辨率為1.80 keV，可以探測0.02～10.00 MeV能量范圍內的γ射線。由于γ射線產生的電荷量很小，HPGe探測器必須長期在低溫條件下工作，以減少自身噪聲，因此,使用相配套的液氮回凝制冷系統（Mobius）。使用長約1.5 m的純銅冷指將液氮罐中的低溫傳導至HPGe晶體內部。同時，使用型號為HPULB4S1的超低本底鉛室來屏蔽環境中的γ射線對探測器產生的影響，來獲得更低的探測下限。在測量過程中，該探測器可實時采集被探測物質的γ射線能譜并自動進行能譜分析，同時可以對當前輻射源進行核素識別。探測系統的鉛室、Mobius、支架及HPGe探測器的相關尺寸見圖1。

圖1 探測系統及HPGe探測器的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the detection system and HPGe detector

該探測系統使用ORTEC659高壓模塊給探測器提供3 500 V以上的高壓，ORTEC672主放對探測器產生的波形進行整形放大，處理后的信號進入多道分析器（MCA926）中進行分析處理，最后利用Gamma-Vision軟件對測量到的結果進行定量分析。該HPGe探測器長期用于土壤中放射性核素的含量檢測，定期使用中國計量院生產的標準γ源137Cs、60Co對其能量線性進行校準。

2 Geant4模擬

歐洲核子中心（CERN）開發的Geant4是基于C++編程語言面向對象的開源蒙特卡洛模擬程序，由于其具有豐富的物理過程、三維可視化和粒子追蹤等特點，與MCNP和FLUKA成為三大常用的蒙特卡洛模擬程序［5-6］。為了更好地在Geant4程序中重現實驗，模擬過程中考慮了HPGe探測器的每一個外層部件，同時考慮了鉛室的厚度、銅襯、鍺晶體的內外死層的影響。因為，在HPGe探測器的長期使用過程中，Ge晶體外死層中Li+的漂移會使外死層厚度增加，同時導致探測器對γ射線的衰減系數增大，減小了探測器的靈敏體積，這些都會造成實際測量結果與模擬結果的偏差。

模擬了標準的點源137Cs和60Co以及標準土壤源，并與實驗測量的結果進行了對比，實驗過程中使用的標準γ源和土壤源的尺寸、核素、活度等相關信息見表1。在模擬過程中，使用通用粒子源（General Particle Source module，GPS）來模擬不同核素的衰變，它可以設置入射粒子的位置分布和動量方向。標準γ源設置為內徑20 mm，厚度1 mm的體源，在距離HPGe探測器上方10 cm處，4π角度發射1×106個γ粒子。由于標準點源與土壤源的活度不同，實驗上測量了2 h137Cs、60Co的γ能譜，測量了10 h的標準土壤源的γ能譜，同時測量了2 h的無樣品本底。在數據的處理過程中，對所有實驗數據進行了時間歸一并扣除了無樣品本底。圖2為實驗數據與Geant4模擬的結果對比，圖2（a）為60Co能譜，圖2（b）為137Cs能譜。從圖2中可以看出，在Geant4模擬中不同γ源的全能峰和康普頓平臺與實驗數據符合得非常好，但是在全能峰后的噪聲符合得并不是非常好，這部分主要是實驗過程中探測器的暗電流和環境本底造成的。

表1 標準γ源和土壤源的尺寸、核素、活度等相關信息Tab.1 Size，nuclide，activity and other relevant information of standardγsource and soil source

圖2 標準γ源實驗結果與Geant4模擬結果的對比Fig.2 Comparison of standardγsource experimental results and Gent4 simulation results

對于標準土壤源的Geant4模擬和實驗結果對比見圖3，可以看出不同核素的大部分γ能量的特征曲線通過Geant4軟件均能模擬出來，不過Geant4模擬的結果中每個全能峰的最大值比實驗結果略低。主要可能是土壤源內多種放射性核素的半衰期不同，隨著時間的推移他們之間的活度也發生了很大的變化，用上次校準的數據會產生很大的偏差，因此，需要對標準土壤源重新進行校準。

圖3 標準土壤源實驗結果與Geant4模擬結果的對比Fig.3 Comparison between experimental results of standard soil source and Gent4 simulation results

3 全譜法

利用γ能譜全譜法可以將測量到的放射性環境中的γ能譜，通過在每一道址的數據進行加權修正可以計算出當前條件下的空氣吸收劑量率，進而估算出當時的環境輻射本底。全譜法需要建立準確的權重函數即能譜-劑量轉換函數G（E），因此，要得到不同入射能量的標準γ能譜，然而由于標準源和實驗條件的限制，一般只能通過蒙特卡洛模擬的方法來得到一系列標準的γ能譜［7］。空氣吸收劑量率D常用公式（1）表示：

其中，k為常數，Emin和Emax為能譜的最大值和最小值，N（E）為蒙特卡洛模擬得到的不同能量的γ能譜，G（E）是能譜-劑量轉換權重函數。G（E）函數常用多項展開式進行表示：

式（2）中，kmax為G（E）函數的階數，Ak為待求解的系數。將式（2）帶入式（1）后，利用最小二乘法就可求解系數Ak，并得到G函數。

假設HPGe探測器使用的多道分析器的每一道的道寬為△E，總道數為I，入射的γ射線能量為Ej，在不考慮多重散射和自吸收的情況下，標準γ源對應的空氣吸收劑量率可通過公式（3）計算：

式（3）中：λ=1.602 1×10-7；A為標準源的活度；ηi是第i條γ射線能量的分支比；μem( )Ej/ρ是能量為Ej的γ射線在空氣中的質能吸收系數；d=d1+d2/2，d1為γ源與探測器表面之間的距離，d2為HPGe探測器的晶體厚度。

由于環境輻射能量一般在3 MeV以下，因此，在Geant4模擬過程中選取的γ射線能量范圍在0.08 MeV～3.00 MeV區間。模擬了不同能量的γ能譜，利用其作為標準能譜用來求解G（E）函數。在求解Ak系數時，kmax取值在6～10范圍內的平均相對誤差最小［8］，因此選取kmax=10。表2為不同的γ射線能量對應的G（E）函數計算值、理論值及偏差的計算結果。從表2中可知，不同能量的偏差均在0.058 0%以內，相對偏差S=|Sj|/n為0.016 5%。該結果說明，使用Geant4模擬的結果是相對準確的，計算的能譜-劑量轉換G（E）函數可以直接作用于實驗上得到的γ能譜上。

表2 不同γ射線能量的G（E）函數劑量率計算值、理論值及偏差Tab.2 Calculation value，theoretical value and deviation of G（E）function dose rate of differentγ-ray energies

4 結束語

使用Geant4蒙特卡洛程序包對HPGe探測器模擬了標準γ源137Cs、60Co和標準土壤源的γ能譜，并與實驗測量的結果進行了對比。模擬的結果能很好地再現實驗上測量到的全能峰、康普頓平臺等重要信息。同時模擬了不同入射能量的γ能譜，利用全譜法得到了HPGe探測器的能譜-劑量轉換函數G（E），并計算了相應能量的空氣吸收劑量率。通過模擬得到的空氣吸收劑量率與利用公式計算的結果相對偏差在0.016 5%以內，說明模擬方法已經達到很高的精度，對HPGe探測器在今后的使用和環境輻射監測過程中具有非常重要的作用。