基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟

南华大学船山学院毕业设计(论文)

题目基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟专业名称核工程与核技术

指导教师廖伶元

指导教师职称讲师

班级核技01班

学号***********

学生姓名张健新

2014年 5 月 16 日

南华大学船山学院

毕业设计（论文）任务书

专业：核工程与核技术

题目：基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟起止时间：2013.12.20-2014.5.25

***名：***

班级：核技01班

***师：***

系/室主任：王振华

2013 年 12 月 20 日

南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告

基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟

摘要：本文从最基本的开始，先对γ射线及其探测方法的基本理论进行了简单的介绍，然后对各种探测器包括闪烁探测器、气体探测器、半导体探测器的产生、发展过程进行了简单的介绍并对半导体探测器的基本工作原理进行了探讨。接下来对本文需要重点研究的高纯锗探测器进行了原理讲解和对ORTEC公司所生产的P型单端同轴型高纯锗探测器的结构材料尺寸数据进行整理，最后对MCNP基础和其程序运行原理进行介绍。这些种种的理论介绍都为我们后面所进行的模拟提供依据。接下来通过厂家给出的结构材料尺寸数据进行运用MCNP对高纯锗探测器进行模拟，并运用源峰探测效率对我们需要研究的探测效率进行计算。通过模拟得出数据后通过对数据的分析整理，得出结论但同时也存在误差，文章最后还对误差进行了分析和提出了自己的假设。

关键词：高纯锗探测器；探测效率； MCNP模拟

The MCNP Simulation of HPGe Detector Efficiency

Abstract：In this paper, starting from the most basic, the first basic theory of gamma rays and its detection method is introduced. And then in this paper introduces the production and development process of the detector and introduces the basic principle of semiconductor detector. This paper mainly introduces the basic principle of the high parity germanium detectors and sorts out the data of the ORTEC company’s P-type coaxial HPGe detector. Finally, introduced the foundation of MCNP and this program principle. The introduction of these theories provide a basis for the next simulation. Then through the structure and size of material’s data from the manufacturers to uses are the MCNP to simulate the HPGe detector. Then Using the source peak detection efficiency to calculate the detection efficiency what our need. We reached the conclusion through the collation of data and find the mistake. Finally, the errors are analyzed and we put forward some hypothesis.

Key words：high parity germanium detectors；detection efficiency ；MCNP simulation

目录

1 研究的背景及其基本概述 (1)

1.1研究的背景与意义 (1)

1.2如今的研究现状 (2)

1.3.本研究工作的任务和目标 (2)

2 γ射线的探测原理 (4)

2.1光电效应(Photoelectric effect) (4)

2.2康普顿散射（Compton scattering） (5)

2.3电子对效应（Electronpaireffect） (6)

3 高纯锗探测器的基本原理 (7)

3.1半导体探测器的基本原理 (7)

3.2高纯锗探测器的基本原理 (9)

3.3探测效率的意义 (10)

4 MCNP的基础 (12)

4.1MCNP的基础 (12)

4.2 MCNP的程序结构运行 (12)

5 高纯锗探测器的MCNP模型建立与探测效率的模拟 (14)

5.1MCNP模型的建立 (14)

5.2 MCNP模型建立与计算 (15)

5.3输入文件inp的编写与分析 (16)

6 数据的处理与分析 (20)

6.1数据的处理 (20)

6.2数据的分析和问题的假设 (23)

7 结论 (25)

参考文献 (26)

致谢 (27)

附录一 (28)

MCNP程序能运用蒙特卡罗方法对三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子、电子光子等输运问题进行模拟计算。高纯锗探测器具有能量分辨率大，探测效率高，制作周期较短等特点，并且克服了传统的半导体探测器必须在低温下工作这一致命缺陷，使高纯锗探测器的适用范围广度得到了很大的提高，因此高纯锗探测器具有良好的发展前景。本论文致力于通过MCNP对高纯锗探测器进行建模模拟，并对所模拟的高纯锗探测器的探测效率进行模拟计算，得出其探测效率并与实际实验数据所求的探测效率相比较，得出结论。通过结论证明高纯锗的探测效率能通过MCNP进行求解，从而进一步证明MCNP程序仿真能为现实实验提供科学的参考，甚至在一定程度下能代替现实实验，推动科学实验的发展。

1 研究的背景及其基本概述

1.1研究的背景与意义

半导体探测器是上个世纪60年代发展迅速起来的一种新型的核辐射探测器，半导体探测器的探测介质也就是其探测灵敏区域为半导体材料，尽管其采用了更加先进的新型半导体探测介质，但是半导体探测器的基本工作原理与闪烁探测器和气体探测器基本相同。[1]

时间在推移，半导体探测器在时间的长河中快速的研制与发展，先后研制出PN结型半导体探测、锂漂移型半导体探测器、高纯锗探测器、化合物半导体探测器和特殊类型半导体探测器等等。[2]基于半导体探测器的特殊探测介质和其与其他探测器工作原理的不尽相同，半导体探测器比闪烁探测器和气体电离探测器的能量分辨率都高得多。半导体探测器与闪烁探测器和气体探测器有所不同，半导体探测器中的探测灵敏区为半导体，并且一般定义为理想的半导体，所谓的理想的半导体，就是不含其他杂质的半导体，可是，根据现今的科学技术水平，得出理想的半导体暂时是比较困难的，因此为了提高半导体探测器的探测效率等技术指标，必须对其探测介质及其中半岛体进行晶体的进一步提纯和对杂质进行处理。同时，早期的半导体探测器还存在着工作条件苛刻、生产制作周期过长等不可忽略的缺陷，这些缺陷在一定程度上制约了半导体探测器的发展，因此，我们迫切发展和研究一种新型的半导体材料探测器，这种探测器要保留着传统探测器的能量分辨率高的优点意外，还要对生产周期过长、需要低温保存等缺陷进行克服改