基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟
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 EfficiencyAbstract：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。
用蒙特卡罗方法计算高纯锗探测器的全能峰效率
的基本思想． 结果表 明 ， 蒙特卡罗模拟得 到的全能峰效率与实验测量得 到的全能 峰效率具有完 全相 同的特征 ． ［ 关键词 ］ 高纯锗探测器 ； ｎｅ ａ ｏ Ｍｏｔ Ｃ ｄ 方法 ； 全能峰探测效率 ［ 中图分 类号 ］ ５ １ ５ ０ ７． ２ ［ 文献标识码 ］ Ａ ［ 文章编 号］ ６ １ ０ ８ （０ ２ ０ ～ ２ ７ ０ １７ — １５ ２ １ ）３ ０ ５ — ３
测器 的距 离有关． 探 测器对 射 线的探测效 率对不 同的测量 目的有不 同的定义． 我们要测量 的是全 能峰效率 （ ） 是 指全能峰下面 Ｅ ， 积所对 应的计数与放射源发射 的相应 的光子数之 比， 义为…： 定
全 能 峰 内 的 脉 冲 计 数 放射源发射 的ｙ 光子数 ＡＰ ｙ
在 核物理试验 中 ， 经常需要对探 测器进行效率刻度． 蒙特卡罗方法在计算射线在探测 器中响应 函数和做探测效率刻度
方 面， 为我们研究提供 了极 大地便 利， 以减少大量 的实验 工作 ． 并可 全 能峰效率不 但与 Ｈ Ｇ 高纯锗探 测器 ） Ｐ ｅ（ 的灵敏体 积及形状有关 还与探测器对 源张 的立体角 有关 ， 而与源至探 从
式 中 Ｎ 为测量时问 ｔ 内全能峰 内脉 冲计数 （ 经修正后 的净计 数 ）又称峰面积． 为实 验测 量时所用放射源的放射性活度， ， Ａ
Ｐ ｉｉｉ ｉ ｉ ｉ ｉＥ ｙ射线分支 比， 为测量时 间． 的 ｆ
２ 计 算模 型及 方 法
２１ 计 算模 型 ．
本 文 计算 所 采用 的探 测器 为 Ｈ Ｇ Ｐ ｅ同轴！ １ ￣Ｉ ． 测器 灵 敏体 积 为 ： ５ ．ｒ ×４ ． ｍ， ｉ Ｉ ％ｉ Ｉ探 １ Ｉ ｑ ５ａ ｂ ６ｍ ６９ ａ ｒ Ｌ 层厚 ０ ｍｍ， １ ． ７ Ａ 窗厚
基于MCNP的HPGe探测器无源效率刻度
韩良文，高业栋，夏星汉，等.基于MCNP的HPGe探测器无源效率刻度［J］.核安全，2020，19（3）：76-80.Han Liangwen，Gao Yedong，Xia Xinghan，et al.Passive Efficiency Calibration of HPGe Detector Based on MCNP［J］.Nuclear Safety，2020，19（3）：76-80.基于MCNP的HPGe探测器无源效率刻度韩良文，高业栋，夏星汉，马小春，李冲，赵鹏（中国核动力研究设计院，成都610000）摘要：本文建立了HPGe探测器的MCNP模型，模拟了152Eu标准源主要γ射线全能峰的峰效率，与HPGe探测器的效率刻度实验进行对比分析，依次调整探测器的锗晶体半径、死层厚度和空气间隙，对HPGe探测器的模型参数进行优化。
实验结果的对比分析表明，将探测器的晶体半径减少2mm，探测器死层厚度增加0.1mm，探测器内部的空气间隙增加4mm后，模拟结果与实验结果相符，且误差不超过5%。
关键词：HPGe；MCNP；无源效率刻度中图分类号：TL81文章标志码：A文章编号：1672-5360（2020）03-0076-05高纯锗（HPGe）探测器具有较高的探测效率和能量分辨率，广泛应用于放射性核素的γ能谱测量。
为获得目标能量范围内的任意能量γ射线的峰效率，我们需采用多个不同能量的标准源对HPGe探测器进行效率刻度。
峰效率刻度既可采用单能源也可采用多能源。
单能源一次测量只能获得一个刻度值，实验室需配备较多的单能源，而多能源一次刻度可获得多个刻度值，但测量结果会被符合效应影响。
实际测量过程中，被测量对象通常是具有有限体积且不同形状的样品，如圆柱形、马克杯形等，同时样品的自吸收效应也会影响效率刻度的精度，因而在有限体积的样品测量过程中，需配备与样品材料成分和尺寸相同的标准源对探测器进行效率刻度，从而增加了样品测量的难度，使测量成本过高。
ORTEC公司GMX60型低本底HPGe伽马谱仪调试及刻度
ORTEC公司GMX60型低本底HPGe伽马谱仪调试及刻度本文主要介绍美国ORTEC公司GMX60型低本底HPGE伽马谱仪的调试和刻度。
探测器的调试确保实验仪器处于良好的工作状态，如偏压、温度等，为实验的开展提供保证。
探测器的效率刻度则是进行实际测量与定量计算的基础。
实验中使用ORTEC GMX60型高纯锗探测器测量了Co-60，Cs-137，Ba-133和Eu-152的能谱，对能谱的分析计算从而得到探测器的源峰探测效率，能量覆盖范围大约从80keV~1.2MeV。
MCNP作为无源效率刻度的一种，具有操作简便，节约成本，能量范围不受限等优点，使用MCNP模拟光子在探测器中的输运过程中由于厂商给出的探测器尺寸未能精确描述探测器的实际尺寸，模拟低能情况未能给出正确趋势，所以在模拟中修正了探测器几何参数中的Li接触死层厚度和铝包层厚度。
对探测器效率影响最大的主要是死层厚度，特别是在低能情况下。
通过模拟几个源位置的效率得到模拟的效率刻度。
另外，通过对探测器死层和冷孔半径的模拟分析得出探测器死层主要影响低能(<200keV)部分的探测效率而对较高能量的探测效率影响不大，探测器的冷孔半径在小范围内（0~1.5mm）的改变对探测效率的影响不大，并主要影响高能部分。
通过函数拟合，得出了探测效率随能量改变的函数表达式。
另外，也对GMX40型高纯锗探测器做了MCNP 效率模拟，得到了探测器的效率刻度模拟值。
关键词：HPGe探测器；效率刻度；MCNP；Li接触死层第一章引言在核物理的研究中，测量原子核的激发态、核反应研究等以及放射性分析方面都离不开对γ射线的测量[1]。
HPGe伽马谱仪以其优良的分辨性能成为伽马探测的重要手段。
使用HPGe伽马谱仪的首要工作就是对其进行能量及效率刻度以，例如需要测量某个样品中的核素成分以及它的活度，就需要用到相应能量下的效率值。
所以，对HPGe伽马谱仪进行能量及效率刻度是进行能量测量及利用谱仪进行放射性核素活度定量计算的基础。
浅析运用MCNP模拟建立高纯锗探测器效率刻度模型
浅析运用MCNP模拟建立高纯锗探测器效率刻度模型[摘要]由于技术上的问题，高纯锗探测器的死层厚度对探测效率的影响问题一直以来没有得到有效解决，运用MCNP模拟建立高纯锗探测器效率刻度模型，能够很好的解决这一问题，进一步提高测量精确度，使模拟刻度误差与实际误差控制在9%以内。
从这个角度来看，建立MCNP探测效率刻度模型是十分必要的，可以在实践中得以运用。
通过本文分析，我们可以验证运用该刻度模型后取得的良好效果。
[关键词]高纯锗探测器MCNP探测效率刻度死层厚度0引言高纯锗探测器具有很多优点，包括探测效率高、探测的能量范围广、分辨率高等特点。
正因为这些优点的存在，实践中常将其用于放射性活度水平比较低的环境样品分析上。
在进行复杂样品形态的刻度测量时，通常会使用无源刻度法，但是对于MCNP模型来说，这种刻度测量法的要求比较高，需要非常准确的描述探测器的内部成分和结构，建构一个有效的模型。
对于一些特殊的部位，还需要弄清楚其具体结构，而厂家也不会提供这些内部结构的模型，需要我们自行通过实验方式确定。
1高纯锗探测器内部结构高纯锗探测器由四个部分组成，最里面的一层叫锗死层，锗死层按其在探测器中的位置分为侧死层和顶死层，依次向外有冷指井、锗晶体、铝固定桶、铝外壳这四个层次，其中，一些成分的结构层次是已经确定的，譬如铝固定桶和铝外壳等。
但是锗死层厚度、冷指井尺寸现在无法确定，因此，我们在进行探测器效率刻度模型构建时，主要针对确定二者的厚度及尺寸进行实验。
2锗死层厚度及冷指井尺寸的确定要确定锗死层厚度和冷指井尺寸，必须结合MCNP模拟和实验相互应用的方式，且经过一系列的假设和认定的过程，最终才能确定二者的准确厚度和尺寸。
笔者所进行的实验分三步走，首先，假设几种可能的锗死层厚度及冷指井尺寸，然后运用MCNP计算出每个假定情况下的全能峰效率，在确定每个效率之后，将其制作成变化的图形，以便直观的发现区别，通常我们会将其制作成变化的曲线，这样就能使效率的变化趋势一目了然。
基于MCNP某新型实验标定装置的探测效率模拟计算研究
基于MCNP某新型实验标定装置的探测效率模拟计算研究摘要：根据核电站低浓度放射性排放水离线监测的设计原理，详细阐述了XH-3120设备在某海外重水堆改造项目上的改进应用情况，主要比较设备在结构设计方面上的变化对测量性能的影响，并通过MCNP程序模拟计算各项探测性能参数，对两种测量装置的探测效率、响应计数进行了理论计算比较。
由样机核性能测试数据及实际产品的工程应用反馈表明，该设备能满足现场改造需求。
关键词：低浓度放射性;MCNP;探测效率;MDC引言离线水监测仪器能在排放废水放射性浓度超过预定阈值时及时响应进行报警或控制，为保证测量的准确性，仪器技术上需具备对低水平放射性有较快的响应速度，同时整体测量装置需对外γ场有一定的屏蔽要求，保证测量环境不受其他放射性干扰；工程上需易于制造，经济型高，能长期稳定在现场使用。
1 监测仪的基本原理离线水监测仪目前主要采用的是闪烁体探测器，闪烁体探测器主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器组成的辐射探测器。
入射辐射射入闪烁体并在闪烁体中损耗能量，引起闪烁体原子的电离和激发，形成电脉冲信号，被电子学线路记录输出，输出脉冲幅度计算公式如下：式中的，是入射粒子单位能量产生光电子数， E为入射粒子的能量，K1为能量损失系数，P为闪烁体转化为可见光的能量转换效率，hv为产生的光子的平均能量，L为光阴极收集系数，为光电转换率，q为从阴极到倍增系统中的第一打拿极的传输系数，M为光电的倍增系数，C为电容，U为输出脉冲的幅度[1]。
闪烁体探测器的输出脉冲的幅度U与入射粒子的能量成正比，通过设定脉冲幅度阈值便可得到相应的脉冲计数，该计数与放射性源活度值的比即是探测效率。
另根据探测装置计数率与液体中放射性浓度之间的比值，这样在探测效率的概念上进行引申得到了响应系数。
2 探测装置的改造应用2.1 结构改进后探测效率变化所研制的XH-3120监测装置主要用于核电站监测排放水的放射性活度水平，以控制排放水的放射性释放。
高纯锗探测器探测效率研究
高纯锗探测器探测效率研究第26卷第2期2006年3月核电子学与探测技术NuclearElectronics&DetectionTechnologyV.L26No.2March2006高纯锗探测器探测效率研究朱传新,陈渊,郭海萍,牟云峰,王新华,安力(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳621900)摘要:利用系列标准7射线源对高纯锗探测器的探测效率进行了各种测量,与蒙特卡罗计算程序相结合,对于高纯锗探测效率进行了分析和讨论.计算效率与测量效率在4以内吻合.在一定探测距离条件下面源与点源的探测效率在1以内吻合,而且面源的自吸收可以用平行束在材料中的自吸收来计算;当面源靠近探测器时,由于7射线的倾斜入射,这种方法就不适用了,需要用蒙特卡罗方法进行自吸收较正.关键词:高纯锗;探测效率,自吸收中圈分类号:n名12文献标识码:A文章编号:0258-0934(2006)02-0191-04高纯锗探测器主要用于测量射线和X射线,高纯锗探测器由于具有较高的能量分辨水平,高探测效率和较大的射线能量探测范围(几keV到几MeV),被广泛应用于各类物理量测量中.高纯锗探测器最关键的几个技术指标包括能量分辨率和探测效率[1],而探测效率又是直接关系到物理测量结果的准确程度,所以对探测效率的研究有重要意义.本文对影响高纯锗探测效率的一些因素进行了分析和探讨.1点源与面源探测效率的匕较在进行测量工作前,需要进行效率刻度,点射线源通常作为标准源,以对高纯锗探测器进行准确的效率刻度.而在实际测量工作中,通常使用圆形的薄样品作为射线探测的对象,因此,探测效率的准确性就需要考虑点源与面源之间的差异.对于距离高纯锗探测器表面同心轴方向1～200mm等不同位置处,射线收稿日期:2004—12—21作者简介:朱传新(1977一),男,安徽凤台人,中国工程物理研究院核物理与化学研究所硕士,粒子物理与原子核物理专业能量为185keV的点源和圆形面源(直径为24mm)的探测效率,利用蒙特卡罗程序进行了计算,结果列于表1.由表1的数据可以看出,在距离d≥10mm条件下,点源与面源的探测效率在误差1范围以内相符.在这种情况下,可以将面源视为点源,直接将点源的探测效率刻度值用于实验测量中.而当距离d≤10mm时,点源与面源的差异就比较大,尤其是贴在探测器表面时(即d==:lmm),差异达到13.因此,在处理不同探测距离条件下的探测效率时,必须考虑源形状的差别对于探测效率的影响.2源片自吸收的蒙特卡罗效率计算与公式的匕较在实验测量中,样品的厚度希望做得越薄越好,但同时射线的量会因此而大为减少,这是一个无法避免的矛盾,其做薄的目的,就是为了减少射线在样品中输运时被样品材料的吸收,即通常所说的"自吸收".对于离探测器比较远的条件下,自吸收修正因子f=[1一exp(--pC)]/~(1)式中:为光子在材料中的吸收系数,mm一;t为样品的厚度,mm.191裹l不同位置处的点源,面源的探测效率探测器在对样品7射线进行测量时,是否严格按照自吸收修正因子规律有所损失呢?对于能量为207keV,离探测器为80mm的7射线源,利用蒙特卡罗程序进行计算,并与式(1)进行了比较,结果见图1.由图1a可看出,随材料厚度的增加,自吸收影响显着增加.由图1b 可看出,对于样品厚度小于0.6mm时,二者在误差1以内相符.当在近距离d一10mm情况下,利用蒙特卡罗程序进行一定厚度样品的效率计算,结果示于图2.由图2a可以看出,两种计算方法的差别显着增加,尤其在厚度逐渐增大的情况下更为明显.根据图2b,使用式(1)进行自吸收修正是不恰当的,两种方法得到吸收修正因子的差异在厚度为200~m时就达到89,6,对于现有的技术水平,样品厚度一般达到200~m都比较困难,所以近距离条件下的实验测量,自吸收必须使用蒙特卡罗计算进行准确修正.而对于距离大于80mm情况下的自吸收,可以采用式(1)进行修正.图1距离为80ram的自吸收修正因子随厚度的变化和自吸收比值U毒《岛1图2距离为10mm的自吸收修正因子随厚度的变化和自吸收比值3蒙特卡罗效率与实验测量效率曲线的比较高纯锗探测器的探测效率从某种意义上说,在一定条件下,比如给定的探测距离,探测器几何尺寸,结构,材料确定,点源7射线的探测效率与源能量是确定的函数关系一厂(),其中为能量,Y为探测效率.简写为e(E)一,(E),其具体的函数表达式是可以使用一系列192的标准7射线点源刻度而得到.但是由于7射线源的可使用能量范围是有限的,例如对于船Ra,其了射线最大能量只能到达2MeV左右,而对于2MeV以上能量范围的效率,想要得到其准确的实验测量值就变得比较困难;另一方面由于受到实验条件的限制,有时可能没有令人满意的一系列用于刻度的标准7射线源,很多能量点无法用刻度的方法得到.这些情况下,用计算模拟的方法来得到效率就显得表285mm探测距离的效率4不同距离点源探测效率的测量和比较分析探测器效率与探测距离是紧密相关的,随着距离的增加,源对探测器所张的有效立体角变小,因而效率会显着下降,不同的实验条件下,对于探测效率的要求会有所不同,例如,在强中子场辐照的样品,其活化7射线可能只需要在50"~200mm的距离条件下进行探测,就可以获得非常好的实验结果,而对于弱中子场情况下,就要求样品在靠近探测器的地方进行测量,以得到足够的统计计数,满足实验测量的精度要求.因此,获取探测距离与效率的关系信息,对于进行实验测量是必要的.利用.Ra点7射线源对200～1200keV能量范围,不同距离条件下的效率进行了实验测量,结果示于图3.通过图3的对比可以知道,在E>200keV条件下,随着能量的增大,探测效率降低,而距离越大探测效率越小,效率随能量增加呈下降趋势.在不同距离条件下,效率随能量变化曲线的变化趋势基本相同.5高压对探测效率的影响工作电压的稳定性对探测器的效率也会带来影响,每种不同型号的高纯锗探测器都有一个最恰当的工作电压值,在这种工作电压下,探测器能够得到各种性能参数的最佳匹配和测量状态.对于两个不同高压2000,2400V条件下,探测距离为82mm的探测效率进行了测量,结果示于图4.由图4可以看出,尽管高压2004006008001000I200./l'eV图3不同距离点源探测效率有400V的变化,探测器的效率仅产生轻微的改变,对于低能部分,效率几乎不改变.这表明,高纯锗探测器在最佳电压附近有一个比较稳定的效率坪区问,一般在±500V左右,性能不会有太大的变化.102瓣餐10110.0'舡轻10】能景/kcV图4不同高压的探测效率IIl】.vI图5两种探测器的能量效率曲线6包壳材料对于探测效率的影响高纯锗探测器是由加了一定厚度包壳材料的锗晶体等系统构成的,铝材料和铍材料是常被使用的壳材料,铝材料的优点是比较结实,但存在对低能量7射线和X射线吸收能力强的缺点,而镀材料则是对低能量7射线和X射线吸收较小的材料,而且易于加工成非常薄的窗材料,其厚度可以到0.5mm,其缺点是易碎,测量时需要格外小心.这里对包壳材料:1)Al层厚为1.27mm;2)Be层厚为0.5mm,这两种高193●H～一vv.{『一喜蠢一}詈匡\一I暑,}..,i窨一纯锗探测器进行了能量效率曲线的测量,结果示于图5.由图5可以看出,铍材料情况下,探测器对于低能部分的探测效率保持非常高的水平,而AI材料则几乎将低能的7射线和x射线吸收干净了,对于高能了射线,二者基本相同.在使用中需要根据所测7射线能量范围来恰当地选择探测器.的研究,得到了点源与面源,源片自吸收,蒙特卡罗效率与实验测量效率曲线,距离因索,高压和包壳材料等多种因素对于探测效率影响的清楚认识,对于进一步开展相关的物理测量工作具有重要意义和应用价值.参考文献:7结论[]吴~治华,等,3原99子7:核472物.理实验方法[M].|匕京.原子通过对影响高纯锗探测器探测效率的因素ThedetectingefficiencyofHPGedetectorZHUChuan-xin,CHENYuan,GUOHai—ping,MOUYun-feng,ANLi,W ANGXin-hua (instituteofNuclearPhysicsandChemistry,CAEP,MianyangofSichuanProv.621900,Chin a)】sl瑚MeasurementsofHPGeefficiencyweremadebyseveralstandardgamma-raysources.Anal ysis wasmadebythewayofmeasurementandMonteCarlocalculationprogram.Theefficiencyre sultsofcal-culationagreedwiththemeasurementintheaccuracyof4.Atsufficientdistancefromthedete ctor,theefficiencyofpointsourceequaledtOplatesourcein1,andthegamma-rayself-absorptiono fplatesourcecanbecalculatedbytheparallelbeamgeometry.However,whentheplatesourcewascl osetothedetector,theexpressionfortheparallelbeamgeometrydoesnotapplybecauseoftheobliqueanglesofthegammaraysacceptedbythedetector.ThesampleabsorptioncanbecalculatedwithMonte Carlotechniques.Keywords:HPGe;detectingefficiency;self-absorption(上接第239页,Continuedfrompage239) DesignofportableinstrumentformeasuringradonZHENGYi—ring,FANGFang,ZHOURong-sheng (CollegeofAppliedNuclearTechnologyandAutomationEngineering,Ch'engduUniversit yofTechnology,ChengduofSichuanProv.610059,Sichuan) AbstractThispaperpresentsaschemeofportableinstrumentforradonmeasurement,whichi ncludesmeasuringprinciples,hardwareandsoftware.Measuringprincipleismadeclearbyanalyzin gradonade—ponentsoftheinstrum entsuchaspowersupply,semiconductordetector,micro-controllerandSOonareintroducedandtheirpr inciplesareexplained,indetailFinally,accordingtomeasuringresults,thecapabilityoftheinstrumentisa nalyzedconcretely.Keywords..instrumentforradonmeasurement;decaydaughter;semiconductordetector 194。
基于geant4的高纯锗探测器模拟
- 30 -高 新 技 术０ 引言在核辐射探测过程中，探测器的选择会对测量结果造成很大影响。
由于每个探测器在结构性能上都存在差异，探测器尺寸大小的不同及构成γ谱仪的电子线路、器件参数的不同，都会导致谱仪的探测效率、能量刻度、分辨率等不同[1]。
由于高纯锗探测器相对于其他探测器来说具有较高的探测效率、优越的能量分辨率、极低的内部放射性水平以及较宽的能量测量范围，因此，在低水平测量条件下多采用高纯锗探测器进行探测，以此来提高测量的精度。
高纯锗因为其本身结构和装置体积的限制，导致在实际测量中对环境的要求较高，且容易受到其他因素的干扰影响测量结果，因此，需要对测量条件的干扰做出预测，并尝试找出在该测量条件下高纯锗探测器的探测限。
该技术在应用过程中常常会受到装置和经费等方面的限制。
蒙特卡罗方法能够逼真的模拟γ射线在物质中的物理过程，并且条件限制较小、获取信息全面，所以在某些方面可以代替实际的测量工作。
模拟软件Geant4继承了C++源代码的开放性特点，被广泛应用于各种领域的模拟实验中，且Geant4包括各种粒子的物理过程，能够有效模拟射线与物质的相互作用过程[2]，用户可以根据实际要求选择编写程序包获取模拟数据。
该文主要是利用Geant4程序模拟γ射线在高纯锗探测器中发生的物理相互作用，探讨γ射线在高纯锗探测器中的能量沉积与探测能谱的关系。
１ 模拟方法与模型１．１ 探测器模拟中使用的探测器参考GEM—MX5970P4高纯锗探测器的尺寸和探测性能[3]，探测器摆放位置距离放射源15 cm，探测器构造如图1所示。
基于Geant4的高纯锗探测器模拟王志朋 冀凤贞 邵晴晴 朱礼成（亳州市人民医院肿瘤科放疗中心，安徽 亳州 236800）摘要：该文利用蒙特卡罗程序包Geant4构建了高纯锗探测器的实际结构，模拟了γ射线在高纯锗探测器中与材料发生的相互作用。
通过统计光子在高纯锗探测器中的能量沉积，累计得到4种能量射线的能谱，并通过拟合公式对能谱进行展宽，模拟实际能谱。
井型高纯锗探测器体源样品无源效率刻度
第29卷第12期强激光与粒子束Vol.29，No. 12 2017 年12 月HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Dec. , 2017井型高纯锗探测器体源样品无源效率刻度郑洪龙U2，庹先国U3，石睿U3，张贵宇S韩强1，程一鸣3 (.四川理工学院化学与环境工程学院，四川自贡643000;2.中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900 ;3.西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川绵阳621010)摘要：采用蒙特卡罗程序M C N P建立物理模型，对井型高纯锗探测器的效率进行虚拟刻度。
模拟计算在密度为0.41.2g* c m-3的6种不同成分环境样品中，探测器对Y射线的探测效率，当能量高于0.10M c V时，体源样品的探测效率主要与样品密度、Y射线能量相关。
以土壤、水和植物油样品为代表，结合所选取的函数模型，确定了密度范围0. 1〜1.6g*c m-3的固体源、密度1.0g*c m-3的水溶液和密度0.92g*c m-3的油溶液体源的效率函数及参数。
实验采用标准源，对探测效率模拟结果进行了验证，探测效率的模拟值与实验值符合较好，二者误差均在3%以内。
说明M C N P程序可以较为准确地模拟计算井型高纯锗探测器对Y射线的探测效率，验证了该无源效率刻度方法的准确性和可行性。
关键词：高纯锗；探测效率；蒙特卡罗；密度；能量；函数中图分类号：T I814文献标志码：A doi：10. 11884/H P L P B201729. 170240在Y能谱分析中，高纯锗探测器具有良好的能量分辨率，被广泛应用于放射性核素的定性和定量分析[1]。
其中，井型高纯锗探测器常用于测量土壤、河沙、岩石等环境取样样品的核素活度，实现探测器的准确效率刻度，直接关系到样品核素含量测定的准确度[23]。
针对不同的待测样品，制作标准源样品进行实验效率刻度，标 准源需要制成与待测样品几何形状、介质成分和密度一致的样品，这给标准源的制备提出了较高的技术要求[4]，同时需要花费大量的时间和费用[5]。
MCNP模拟HPGe谱仪γ能谱的初步实验验证一例
照 预定 的几何位 置放置在探 头前一定距离处 （ 何 布局 参 见 ２ ２节 ） 系统 开 始计 数 后 ， 几 ． 。 直
到使 得 Ｅ ｕ各 条 射 线 中 ４ ４ ｋ Ｖ 的全 能 峰计 ４ ｅ 数 的统 计误 差 小 于 １ 的 时候 ， 一 次 测 量 完 ％ 则
成。
收稿 日期 ：０ ００ －９ ２ １ － ２ ４
Ｍ ．－ ０７ｍｍＯｅ １ Ａ ｙ 几 ＤＥ Ｄ Ｉ ＺＲ
Ｎ ． ・ ｉ ｒ ｎ ｅＢ ＥＡＤ ＡＹＥＲ ０３ｍ ｃ ｏ Ｇ ， Ｄ Ｌ
谱对应 实验 总谱 ， 最下方的 ＾谱对 ｙ
应本底谱 ， 中间的 ＾谱为源谱 ； ｙ 源谱 ＝实验总谱－ 本底谱 ） 图 ２ 单 开端同轴高纯锗探 头结构
接近实验值。
关键词 ： 蒙特卡 罗 ； ； Ｎ ； 谱 ＭＣ Ｐ 实验验证 ； Ｐ ｅ Ｈ Ｇ
中 图 分 类 号 ： Ｔ １ Ｌ８ ２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ５ －９ ４ ２ １ ）９ １３ －４ ２ ８０ ３ （０ ０ ０ ．１５０
蒙 特卡 罗模 拟 已经成 为研究 粒 子输运 问题
ｌ１ ３５
内的本底谱 ， 本底谱 测量 时 间为 ２ 。 ４ｈ
１３ 实验结果 ．
１
＆
毒 茎 ０ ０ １
Ｏ （Ｏｆ ｝
０ ０００１
０ １０ ２ ００ ００（ １ ／０ ３（０ ４０ ５０００ ００ ６００【 ７ 】 ０００ ０００ ８
能谱和利用高纯锗谱仪 实验测 定 ＾能谱 的工 ｙ
作 ， 通过 实验 与模 拟 结果 的 比较 ， 步验证 了 并 初
ＭＣ Ｐ在模 拟复 杂 能谱 的光 子 输 运 问题 上 的准 Ｎ
GMX40型探测器MCNP模拟
GMX40型探测器MCNP模拟5.1模型构建HPGe探测器为ORTEC GMX40型，锗晶体为p型半导体，所以外围的死层为硼扩散的n接触，其死层很小仅有0.3微米，在模拟中便忽略了死层厚度的影响。
另外，其窗为铍层，对光子的吸收系数较小，所以在低能区仍然能够有很好的探测效率，探测器如图5.1所示。
图5.1 ORTEC GMX40型高纯锗探测器，在图中前端部分集成了探头、前置放大器和高压系统，下部分为杜瓦瓶里面充液氮以便对探测器进行冷却。
为降低本底的影响，探头包有铅室，铅室的内壁有一层0.15mm的铜层，是为了吸收伽马散射的X射线，铜层外是一层中空圆柱形的厚度为10cm的铅层，屏蔽了外来射线的影响，中央圆柱形孔直径29cm，孔深度40.6cm，铅室（不含顶盖）高度为54cm。
顶盖的厚度为13cm，可以开合。
铅室的图形如图5.2所示。
图5.2 铅室的实景图，其中右侧部分为铅室顶盖，下部为铅室，中央有中空的圆柱形空腔，可以安放探测器和标准源。
高纯锗探测器的详细几何结构图和参数列表如图5.3和图5.4所示：图5.3 GMX40型高纯锗探测器详细结构图图5.4 GMX40型高纯锗探测器详细几何参数列表在模拟中探测器的下端铝层紧挨着铅室的空腔下壁，并且置于中央位置，模拟中由于硼扩散死层仅有0.3微米，对效率影响很小，模拟中忽略不计。
模拟探测器结构图如图5.5所示。
图5.5 MCNP模拟GMX40型HPGe探测器结构图，其中外围粉红色部分为铅室，淡蓝色为空气，探测器置于中央。
探测器中深红色部分为Ge晶体的敏感区域。
5.2 GMX40型探测器的MCNP模拟在MCNP模拟中模拟了从30keV~1.5MeV能区内的GMX40型HPGe探测器的伽马源峰探测效率。
源位置在探测器中央距离2cm、5cm、10cm和15cm。
模拟结果如表5.1所示。
表5.1 GMX40型探测效率模拟值现对表5.1中的数据作图并拟合，在能量小于200keV时用三次多项式拟合，大于200keV 使用公式（4.2）拟合可以得到较为合适的结果如图5.6~5.9所示。
高纯锗探测器全能峰效率的 MC 模拟
高纯锗探测器全能峰效率的 MC 模拟刘畅;陈凌;富平;单健;欧阳红平;李加兴;朱维滔【期刊名称】《核电子学与探测技术》【年(卷),期】2016(036)001【摘要】采用MC模拟高纯锗探头对轴向和边侧的点源全能峰效率，与实验测得的全能峰效率相比较发现二者存在较大的偏差。
本工作通过不断调节晶体的半径、厚度和锗晶体外层铜支架厚度，获得了模拟计算的准确尺寸。
结果表明：使用调整后的尺寸模拟计算的全能峰效率与实验效率在轴向方向的偏差在±5％以内，边侧方向在±6％以内，获得了较为准确的高纯锗探头物理模型。
【总页数】5页(P1-4,14)【作者】刘畅;陈凌;富平;单健;欧阳红平;李加兴;朱维滔【作者单位】南华大学核科学技术学院，衡阳421001; 中国原子能科学研究院，北京102413;中国原子能科学研究院，北京102413;中国原子能科学研究院，北京102413;南华大学核科学技术学院，衡阳421001;中国原子能科学研究院，北京102413;中国原子能科学研究院，北京102413;中国原子能科学研究院，北京102413【正文语种】中文【中图分类】TL814【相关文献】1.同轴高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟与电荷收集时间的计算 [J], 梁爽;何高魁;郝晓勇2.高纯锗谱仪探测效率的实验刻度与 MC 模拟 [J], 关伟;白万春;杨静3.用蒙特卡罗方法计算高纯锗探测器的全能峰效率 [J], 张建芳4.MC模拟高纯锗探测器准直器对X射线能谱测量的影响 [J], 文玉琴;赵瑞;吴金杰;赖万昌;王二彦5.蒙特卡罗方法计算高纯锗探测器的全能峰效率 [J], 卫晓峰;刘立业;肖运实;曹勤剑;陈宝维;冯飞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于EGSnrcMP模拟计算高纯锗γ谱仪对环境样品的探测效率
Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｇ Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ ｔ ＰＧｅ ｙ Ｓ ｅ ｔ ｏ ｅ ｅ ｔ ｃ ｉ ｎ Ｅｆ ｉ ｉ ｎ ｙ ｉ ｌ ｔｎ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｈｅ Ｈ － ｐ ｃ ｒ ｍ ｔ ｒ Ｄｅ ｅ ｔｏ ｆｃ ｅ ｃ
ｆ ｒ Ｅｎｖ ｎ ｅ ａ ｍ ｐｌｓ ｂ ｏ ｉ ｏ ｍ ｎｔ ｌＳａ ｒ ｅ ｙ ＥＧＳ ｃ Ｐ ｎｒ Ｍ
Ｌｉ ａ ｉ ｇ ｐｎ Ｙ
（ ｌｅ ｆＳｃｅ ｃ Ｃｏ ｌｇｅ ｏ ｉ ｎ ｅ，Ｃｈｉ ｈ ｅ ｏ ｇｅ ｎ ｖ．，Ｙ ｉｈａ ｇ ４ ０ ２，Ｃｈｉ ａ ｎａ Ｔ ｒ ｅ Ｇ ｒ ｓ Ｕ ｉ ｃ ｎ ４３ ０ ｎ）
与 待 测 样 品 一 对 一 地 进 行 对 比测 量 ， 了 提 高 测 量 准 为
式 中 ， （ 为探 测 器 对 能 量 为 Ｅ ￡ Ｅ） 的 ｙ射 线 的 全 能
峰效 率 ； 为放 射 性核 发 射 能量 为 Ｅ ｋ 的 ｙ射 线 的 相 对强 度 ， 因此 要 求得 活 度 Ａ， 必须 首 先 要 确 定探 测 效 率 ￡（ ， 确定 通常 由 已知 活度标 准样 品的实 验测 Ｅ）其 量来 实现 ， 由于探测效 率 与样 品的密 度 、 但 几何 形状 、 大小 有关 ， 因此这 样确 定 出来 的探 测效率 只适 用 于 那 些与 标 准样 品 具有 相 同介 质 组 成和 几 何 大小 的 待测 样品． 实际 的环境样 品 ， 而 由于其 来源 不 同 ， 介质 成 其
Ａｂ ｔａ ｔ Ｈ Ｐ ７ ｓ ｅ ｔ ｏ ｅ ｅ ｅ ｅ ｔｏ ｆｉｉｎ ｙ ｗｈ ｃ ｈ ｎ ｅ ｔ ｈ ｎ ｒ ｙ，ｈ ｅ ｓｔ ｎ ｈ ｏ — ｓｒ ｃ Ｇｅ 一 ｐ ｃ ｒ ｍ ｔ ｒｄ ｔ ｃ ｉ ｎ ｅ ｆｃｅ ｃ ｉｈ ｃ ａ ｇ ｓ ｗｉ ｔ ｅ ７ ｅ ｅ ｇ ｔ ｅ ｄ ｎ ｉｙ ａ ｄ ｔ ｅ ｖ ｌ ｈ
高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟.pdf
论文分类号：O571单位代码：10183 研究生学号：2006322060 密级：内部吉林大学硕士学位论文高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟The MCNP Simulation of HPGe Detector Efficiency作者姓名：张建芳专业：粒子物理与原子核物理研究方向：核技术应用指导导师：赵广义副教授培养单位：物理学院2009年3月高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟The MCNP Simulation of HPGe Detector Efficiency作者姓名：张建芳专业名称：粒子物理与原子核物理指导教师：赵广义副教授学位类别：理学硕士答辩日期：2009年月日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。
否则，应承担侵权的法律责任。
吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。
论文级别：□√硕士 □博士学科专业：粒子物理与原子核物理论文题目：高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟作者签名： 指导教师签名：年 月 日作者联系地址（邮编）：吉林大学物理学院 130023作者联系电话：*************内 容 提 要论文由四部分组成，分别为引言、原理、蒙特卡罗方法以及MCNP程序的介绍、数学建模和数据分析。
蒙特卡罗方法计算高纯锗探测器的全能峰效率
关键词： 蒙特卡罗； 全能峰效率； MCNP； 晶体调整
中图分类号： TL814
文献标识码： A
高纯 锗 探 测 器 对 不 同 能 量 光 子 的 全 能 峰 探测 效 率，通 常 可 使 用 两 种 方 法 确 定： 物 理 实 验方法 和 无 源 效 率 计 算 方 法。 基 于 蒙 特 卡 罗 方法（ MC 方法） 的无源效率计算方法相比物理 实验方法能够大 大 地 节 约 时 间 和 费 用，在 活 体 测 量 、非 破 坏 性 测 量 等 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 。
核素
活度1） （ kBq） 能量（ keV）Leabharlann 241 Am 137 Cs
332． 9 211． 1
13． 9 17． 5 21． 0 26． 3 59． 5 661． 7
1） 各核素活度为实验时的活度。
产额（ % ）
16． 2 16． 1 3． 3 2． 4 35． 9 84． 7
核素 152 Eu 60 Co
通 过 Gamma Vision 测 量 软 件 记 录 并 分 析
测量结 果。 当 得 到 不 同 测 量 位 置 处 不 同 能 量
射 线 的 全 能 峰 净 计 数 率 后，通 过 公 式 ε =
净计数率 C 活度 A × 产额
η
即
可
得
到
全
能
峰
效
率
的
实
验值。
1． 2 蒙特卡罗模拟计算
MCNP 是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室
表 1 厂商提供的探测器主要参数 Tab． 1 Specification of detector provided by manufacture
核工程与核技术毕业设计(论文)-几种不同规格HPGe探测器探测性能MCNP模拟
核工程与核技术毕业设计（论文）-几种不同规格HPGe探测器探测性能MCNP模拟题目:几种不同规格HPGe探测器探测性能MCNP模拟英文题:Several different specifications HPGesimulation detector performance MCNP学生姓名:专业:核工程与核技术班级:指导教师:二零一一年六月摘要高纯锗(HPGe)探测器是近几年来迅速发展的一种新型半导体探测器。
这种探测器克服了Ge(Li)探测器存在的生产周期长、需在低温下保存等缺点。
它的出现使得复杂核素的能谱定量分析成为现实。
大大推动了核能谱学的发展。
通过保持晶体的长度改变探测器晶体半径的大小，用光子和电子耦合输运MCNP程序的电子脉冲计数类型的能量展宽模拟计算HPGe探测器的γ能谱。
MCNP程序提供能峰高斯展宽的模拟方法也可以用于计算HPGe晶体对γ射线的探测效率等方面研究，对实验结果的可靠能量分辨率、峰康比、峰总比，与参考文性和准确性提供依据。
并通过MCNP计算，献的实验结果符合较好，显示了MCNP用于模拟可行性。
论文通过MCNP的模拟，比较不同规格的HPGe探测器γ射线探测性能，比与参考文献的实验结果一致，说明MCNP模拟得到的数据时可靠的，而且MCNP程序完全可以代替实验。
关键词:高纯锗探测器、蒙特卡罗模拟、探测性能AbstractHPGe is a high rapid development semiconductor detector in last few years. It overcomes the GE detectors (LI) detector long production cycle time and low temperatures storage, and so on disadvantage. It leads complex quantitative analysis of gamma spectrum radioisotope to realization. Immensely help the development of nuclear annihilation. MCNP program provides energy peak broadening Gaussian simulation method which can also be used to calculate the HPGe and to study the crystal on efficiency of γ-ray detectionthus provide evidence on the reliability and accuracy of the experimental results. Calculated by MCNP of energy resolution, peak health and than the peak, and in good agreement with the experimental results of references, which showing the feasibility of MCNP to simulationBy MCNP simulation and comparison of the γ-ray functions ofdifferent specificationsof the HPGe detector detection, this paper shows the reliablability of the simulation data. What’s more, the MCNP program can Completely replace the experiment.:、、KeywordsHPGe detector Monte Carlo simulation Detection performance目录绪论 ..................................................................... ........................................................................ (1)1 HPGe探测器的介绍 ..................................................................... .. (4)1.1 高纯锗探测器工作的基本原理 ..................................................................... . (4)1.2 高纯锗探测器的结构 ..................................................................... . (4)1.3 高纯锗探测器的性能 ..................................................................... . (7)1.3.1 能量分辨率 ..................................................................... .. (7)1.3.2 探测效率...................................................................... (8)1.3.3 峰康比 ..................................................................... ..................................................... 8 2 蒙特卡罗方法 ..................................................................... (9)2.1 蒙特卡罗方法简介...................................................................... .. (9)2.2 MCNP基础 ..................................................................... .. (9)2.3 MCNP误差的估计 ..................................................................... . (10)2.4 MCNP程序运行的结构 ..................................................................... . (11)2.5 MCNP应用 ..................................................................... (12)3 实验模拟 ..................................................................... . (14)3.1 建立蒙特卡罗模型...................................................................... (14)3.2 输入文件 ..................................................................... . (15)3.3 模拟不同规格的高纯锗探测器的计算 .....................................................................164 数据分析 ..................................................................... . (20)4.1 处理数据 ..................................................................... . (20)4.1.1 能量分比率 ..................................................................... . (20)4.1.2 探测效率 ..................................................................... .. (21)4.1.3 峰康比 ..................................................................... ................................................. 22 5 结论 ..................................................................... ........................................................................ . (24)致谢 ..................................................................... ........................................................................ . (25)参考文献 ..................................................................... ........................................................................ .. 26附录 ..................................................................... ........................................................................ .. (27)东华理工大学毕业设计(论文) 绪论绪论半导体探测器已经历了半个多世纪的不断发展，探测器种类不断丰富，性能不断提高。
高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟
高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟张建芳;赵广义;王玉德;王明勇;马玉刚;张慧【摘要】利用同轴型高纯锗(HPGe)探测器测量152Eu和133Ba在15 cm处的探测效率, 调节探测器死层厚度和冷指尺寸, 利用Monte Carlo方法对同轴型HPGe 探测器的全能峰效率进行模拟计算, 并将计算效率与实验效率进行比较. 结果表明, 当HPGe探测器的死层厚度为0.22 cm, 冷指半径和长度分别为0.301 cm和1.00 cm时, 模拟效率与实验效率相符.【期刊名称】《吉林大学学报（理学版）》【年(卷),期】2010(048)005【总页数】4页(P843-846)【关键词】高纯锗探测器;全能峰探测效率;Monte Carlo方法;死层厚度;冷指尺寸【作者】张建芳;赵广义;王玉德;王明勇;马玉刚;张慧【作者单位】吉林大学,物理学院,长春,130012;吉林大学,物理学院,长春,130012;吉林大学,物理学院,长春,130012;鞍山师范学院,物理系,辽宁,鞍山,114005;吉林大学,物理学院,长春,130012;吉林大学,物理学院,长春,130012【正文语种】中文【中图分类】O434.1高纯锗探测器可用于测量γ射线和X射线, 由于高纯锗探测器具有较高的能量分辨水平、高探测效率和较大的射线能量探测范围(几keV～几MeV), 因此在各类物理量测量中应用广泛. 高纯锗探测器的关键技术指标包括能量分辨率和探测效率, 其中探测效率影响物理量测量结果的准确程度, 因此研究探测效率已引起人们广泛关注[1].通过测量一系列具有较简单衰变纲图的标准γ放射源, 可准确地测定探测器的全能峰效率. 但该方法须准确知道放射源的绝对活度、半衰期和γ射线发射概率等参数. 使用的放射源较多, 其中有些放射源的半衰期较短而不易得到. 因此, 通过Monte Carlo方法对实验进行模拟计算可指出提高测量效果的途径.探测器对γ射线的探测效率对不同的测量目的有不同的定义. 本文测量全能峰效率(εsp(Eγ)), 定义为[2](1)其中: Np为测量时间t内全能峰内的脉冲计数(经修正后的净计数), 又称峰面积; A 为实验测量时所用放射源的放射性活度; Pγ为能量为Eγ的γ射线分支比; t为测量时间.1 高纯锗探测器的工作原理图1 高纯锗探测器的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of HPGe detector一般地, γ辐射探测器基于γ射线与探测器灵敏体积内介质的相互作用, 即通过光电效应、康普顿效应和电子对效应(Eγ>1.02 MeV)等作用机制而损失能量, 这些能量可在锗晶体中产生空穴-电子对, 在外加反向偏压所形成的电场作用下, 空穴-电子对定向运动, 使得所产生的电荷聚集, 形成探测器输出端的基本电信号, 用于电子学线路记录、处理与分析. 高纯锗探测器可看成一个在反向偏压下工作的巨大晶体二级管. 由单个事件所产生的信号脉冲与其外接电路(通常为前置放大器)的输入端特性有关[3], 其等效电路如图1所示. 其中C为探测器电容, 与电缆分布电容及前置放大器输入端特效电容相连, R为前置放大器的输入阻抗, 负载电阻R两端的脉冲信号V(t)的上升前沿取决于探测器的电荷收集时间tc, 对于同轴型高纯锗探测器, tc 在液氮温度下为r×10-8 s量级, r为晶体外径. 脉冲信号后沿取决于外电路的RC 常数, 一般RC远大于tc.2 探测效率的MCNP模拟探测效率实验测量的模拟计算采用Monte Carlo程序MCNP-4C, 该程序可模拟光子相互作用、电子输运、 X射线和韧致辐射的产生, 在光子和电子的耦合输运过程中, 光子可产生电子, 电子也可产生光子, 即两种粒子互相产生[4], 模拟计算的光子能量为1 keV～100 MeV, 适合于γ射线的模拟计算. 如放射源在某个方向发射γ光子, 光子到达HPGe晶体后, 发生光电效应或康普顿效应, 产生的次级电子被吸收或逸出均是随机的. 当模拟的光子数达到一定量后即可求出γ射线探测效率. 本文采用Monte Carlo光子和电子耦合输运程序对HPGe探测器探测效率测量实验进行模拟计算, 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F8卡称为脉冲幅度卡, 可计算γ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, 每个能量箱记数对应相应道址的计数率, 从而求得模拟效率值.选用MCNP-4C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[5]为(2)其中Eγ为入射γ射线能量(MeV), 通过拟合实验测量值EFWHM, 可得a,b,c系数值.3 计算模型图2 高纯锗探测器的模拟模型Fig.2 Model of simulated HPGe detector 高纯锗探测器的模拟模型如图2所示, 其中死层为0.07 cm, Al层为0.127 cm, Ge晶体长度和半径分别为4.69 cm和2.78 cm, 芯孔长度为3.5 cm, 冷指Be层为0.001 cm. 采用Monte Carlo光子和电子耦合输运程序对该模型模拟计算, 在计算中对光子和电子的所有次级过程均模拟跟踪, 采用F8电子脉冲计数卡计算点源γ射线在HPGe晶体中的脉冲高度能量分布.4 结果与讨论研究表明: 探测器的死层厚度对低能和高能γ射线的探测效率均有影响, 但对低能γ射线的影响较大; 冷指尺寸对低能和高能γ射线均有影响, 但由于冷指处于探测器内部后端, 因此对穿透力较强的高能γ射线影响相对较大[5]. 根据不同因素对探测效率影响的差别, 本文通过实验确定探测器对低能光子和高能光子的探测效率后, 用Monte Carlo方法对该实验进行模拟计算, 先调整死层厚度, 再调整冷指尺寸, 使模拟效率和实验效率相符.在模拟计算中使用Monte Carlo程序MCNP-4C, 程序中光子与物质作用过程考虑了光电效应、康普顿散射和电子对效应的生成, 电子的输运截止能量为1 keV, 模拟计算的光子数为107个, 计算统计误差小于1.0%.4.1 探测器死层厚度和冷指尺寸的确定由于死层厚度对低能γ射线的影响较大, 因此本文模拟计算了152Eu和133Ba点源距离探测器入射窗表面15 cm处的探测效率, 对死层厚度参数反复进行调节, 比较计算结果和实验结果, 找到模拟效率与实验效率相符的死层厚度, 比较结果列于表1. 由表1可见, 当死层厚度为0.22 cm时, 低能部分的模拟效率与实验效率符合较好.表1 模拟计算的探测效率随死层厚度的变化Table 1 Efficiency of simulation results as a function of dead layer thickness死层厚度/cm能量/keV模拟效率实验效率0.0781.02.89×10-32.69×10-3121.83.08×10-32.67×10-3244.72.27×10-32.00×10-3276.42.07×10-31.77×10-3302.91.94×10-31.52×10-3344.31.74×10-31.63×10-3356.01.70×10-31.31×10-30.1281.02.77×10-32.69×10-3121.82.94×10-32.67×10-3244.72.17×10-32.00×10-3276.41.97×10-31.77×10-3302.91.84×10-31.52×10-3344.31.65×10-31.63×10-3356.01.61×10-31.31×10-30.1781.02.64×10-32.69×10-3121.82.82×10-32.67×10-3244.72.06×10-32.00×10-3276.41.87×10-31.77×10-3302.91.74×10-31.52×10-3344.31.57×10-31.63×10-3356.01.52×10-31.31×10-30.2281.02.53×10-32.69×10-3121.82.69×10-32.67×10-3244.71.96×10-32.00×10-3276.41.77×10-31.77×10-3302.91.65×10-31.52×10-3344.31.48×10-31.63×10-3356.01.44×10-31.31×10-3图3 当死层厚度为0.22 cm、冷指长度为1.00 cm 时模拟效率和实验效率的对比Fig.3 Simulation efficiency compared with the experimental efficiency at a dead layer of 0.22 cm and a cold-finger size of 1.00 cm当死层厚度为0.22 cm、冷指长度为1.00 cm时, 模拟计算152Eu和133Ba距离探测器入射窗15 cm处的探测效率, 模拟效率与实验效率的比较结果如图3所示. 由图3可见, 当死层厚度为0.22 cm、冷指半径和长度分别为0.301 cm和1.00 cm时, 模拟效率与实验效率在低能和高能部分符合较好. 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.冷指位于探测器内部后端, 对高能γ射线影响较大, 因此本文通过调节高能部分的探测效率确定冷指尺寸. 调试结果列于表2. 由表2可见, 当冷指长度为1.00 cm时, 高能部分的模拟效率与实验效率符合较好.表2 模拟计算的探测效率随冷指尺寸的变化Table 2 Efficiency of simulation results as a function of cold-finger size冷指长度/cm能量/keV模拟效率实验效率3.5778.97.57×10-48.50×10-4964.16.47×10-47.35×10-41112.15.82×10-46.50×10-41 408.04.91×10-45.31×10-42.5778.97.87×10-48.50×10-4964.16.76×10-47.35×10-41 112.16.09×10-46.50×10-41 408.05.21×10-45.31×10-41.5778.98.17×10-48.50×10-4964.17.06×10-47.35×10-41 112.16.21×10-46.50×10-41 408.05.26×10-45.31×10-41.0778.98.48×10-48.50×10-4964.17.29×10-47.35×10-41 112.16.35×10-46.50×10-41 408.05.30×10-45.31×10-4图4 模拟能谱和实验能谱的比较Fig.4 Comparison of simulated spectra and experimental spectra4.2 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 cm 和1.00 cm时, 本文模拟了133Ba距离探测器入射窗表面15 cm处的能谱, 模拟能谱与实验能谱的比较结果如图4所示. 由图4可见, 当死层厚度为0.22 cm、冷指半径和长度分别为0.301 cm和1.00 cm时, 实验能谱和模拟能谱符合较好.综上, 本文利用光子和电子耦合输运MCNP程序模拟了HPGe探测器对点源152Eu和133Ba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. 并利用该几何模型模拟计算了133Ba能谱, 结果表明, 模拟能谱和实验能谱符合较好.参考文献【相关文献】[1] 吴冶华. 原子核物理实验方法 [M]. 北京: 原子能出版社, 1997: 472.[2] LIANG Yong-fei, WU Li-ping, BAI Li-xin, et al. About the HPGe γ SpectrometerShielding Problem Based on MCNP Programme [J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2003, 23(2): 182-186. (梁勇飞, 吴利萍, 白立新, 等. 基于用MCNP程序模拟的HP Ge γ谱仪的屏蔽 [J]. 核电子学与探测技术, 2003, 23(2): 182-186.)[3] Erkin Abdulim. Principle Usage and Maintenance of New Type of High-Purity Germanium Detector [J]. Journal of Xinjiang University, 1997, 14(2): 40-43. (艾尔肯·阿不都里木. 新型高纯锗(HPGe)探测器的原理、使用及其维护 [J]. 新疆大学学报, 1997, 14(2): 40-43.)[4] 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.[5] XU Cui-hua, WANG Si-guang, ZHOU Qiang, et al. Research on the Adjustment of Detector’s Dead-Layer Thickness and Cold-Finger Size with Monte Carlo Simulation [J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2003, 12(4): 203-204. (徐翠华, 王思广, 周强, 等. 蒙特卡罗方法调整探测器死层厚度和冷指尺寸的研究 [J]. 中国辐射卫生, 2003, 12(4): 203-204.)研究快报。
高纯锗探测器的效率刻度
高纯锗探测器的效率刻度
华艳;朱祚缤;刘艺琴;罗小兵
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2014(000)001
【摘要】探测效率是高纯锗谱仪的重要性能指标，探测器的效率刻度具有重要的
意义。
针对新购置的高纯锗谱议，采用多线法和距离变换相结合的实验方法，刻度了高纯锗探测器在不同源距下的全能峰效率曲线，并利用厂家提供的探头结构尺寸，采用MCNP5程序模拟计算了该探测器对不同能量γ射线的全能峰效率。
将模拟
计算效率和实验效率进行对比，模拟计算的全能峰效率和实验测定的全能峰效率具有一定偏差，经分析偏差主要原因是探测器内部结构尺寸不够精确，通过调节死层厚度和冷指尺寸，使得模拟计算效率和实验效率很好符合。
【总页数】4页(P86-88,116)
【作者】华艳;朱祚缤;刘艺琴;罗小兵
【作者单位】四川大学原子核科学技术研究所，成都610064;四川大学原子核科
学技术研究所，成都610064;四川大学原子核科学技术研究所，成都610064;四
川大学原子核科学技术研究所，成都610064
【正文语种】中文
【中图分类】TL812
【相关文献】
1.高纯锗γ 谱仪对自然环境中氡子体的探测效率刻度 [J], 何正忠;吕丽丹;周文韬;徐继圆
2.高纯锗探测器在300keV～1.5MeV能区的效率刻度 [J], 胡永波;刘晓亚;肖成建;曹琳;滕君锐
3.井型高纯锗探测器体源样品无源效率刻度 [J], 郑洪龙;庹先国;石睿;张贵宇;韩强;程一鸣
4.高纯锗探测器无源效率刻度的锗晶体尺寸自动调整方法 [J],
5.高纯锗探测器效率刻度方法对比分析 [J], 项昂之;吕汶辉
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平板高纯锗探测器几何参数修正的解析方法
平板高纯锗探测器几何参数修正的解析方法黎先利;尹国辉;马怀成;冯天成;田言杰;成智威;孙高峰;申茂泉【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2013(000)010【摘要】本文推导了1个用于计算平板高纯锗探测器对点源发射光子的探测效率的数值积分公式，并应用此积分公式进行了高纯锗探测器的几何参数修正。
将241 Am、137 Cs点源分别置于平板探测器前端的不同距离（1～20 cm）处进行实验测量，以探测效率的实验结果为拟合真值，利用积分公式通过加权最小二乘拟合获得该探测器的几何参数。
将修正后的参数应用于MCNP模拟计算，对59.5及661.6 keV光子，在1～20 cm探测距离范围内，探测效率的模拟值与实验值之间的相对偏差＜1％。
研究表明，此解析方法实现了对探测器几何参数的快速修正，结果准确可靠。
【总页数】5页(P1883-1887)【作者】黎先利;尹国辉;马怀成;冯天成;田言杰;成智威;孙高峰;申茂泉【作者单位】西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613;西北核技术研究所,陕西西安,710613【正文语种】中文【中图分类】O571.1【相关文献】1.碘化钠探测器和高纯锗探测器γ能谱仪性能比较 [J], 方晓明;李欣年2.基于Geant4的高纯锗探测器模拟 [J], 王志朋; 冀凤贞; 邵晴晴; 朱礼成3.不确定度评价方法在高纯锗探测器参数修正中的应用 [J], 李自维;白立新;张一云4.MC模拟高纯锗探测器准直器对X射线能谱测量的影响 [J], 文玉琴;赵瑞;吴金杰;赖万昌;王二彦5.高纯锗探测器效率刻度方法对比分析 [J], 项昂之;吕汶辉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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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 EfficiencyAbstract：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进。
在这个背景下，通过科学的研究高纯锗（HPGe）探测器诞生了。
1.2如今的研究现状半导体探测器中因为两极间加有反向的偏置电压，因而在半导体中产生了场强。
当带电粒子或者其他核辐射进入到探测介质后，它们的能量有所亏损，进而形成电子-空穴对。
这些产生的电子空穴对在反向偏压产生的电场的作用下，分别漂移向半导体两端的电极，收集电极上就会感应出电荷，经过外电路的放大器的处理下，产生电压脉冲，这就是半导体探测器的基本工作原理。
γ射线具有穿透力强这一特性，对γ射线进行探测时要求探测器有更宽大的探测灵敏区。
PehI的研究证实了锂离子的漂移，为研究制造更高的探测分辨率的Ge（Li）探测器提供了理论依据。
但是，这种探测器存在着需要在液氮低温下工作才能对γ射线和X射线进行探测这一缺陷。
后来HPGe探测器的诞生，因为它可以液氮低温和室温之间反复循环、在室温中保存和运输，所以HPGe探测器取代了传统的Ge（Li）探测器。
同时，HPGe探测器还有工艺简单，制造周期短，耐中子辐射损伤等这些优点，因此，HPGe探测器得到了很快的发展和更加广泛的应用。
[3]高纯锗探测器适用范围广，在高能物理、天体物理、安全检测、核医学、工业和军事等各个领域都有着广泛的利用。
过去的几十年间，有许多国家的许多实验室都对高纯锗探测器进行了研究。
近几年，我国的高纯锗探测器的研究和制作工艺技术也走向成熟，慢慢赶上了世界的先进化水平。
我国在新型高纯锗探测器在粒子物理、天体物理领域特别是高纯锗探测器在暗物质直接探测、双β衰变等极地本底的重要基础前缘研究方面的应用都取得了很大的成果。
我国就在最近建成了世界最深的垂直岩石覆盖的中国锦屏地下实验室，并且在这地下实验室进行了一系列的相关地下实验。
近日我国自主研制的最新型高纯锗探测器谱仪在我国第十三届核工业展览会上成功面世。
这一探测器谱仪的成功面世标志这我国在这一方向研究领域的研究获得新的突破，将改变我国在高端核测量仪器的生产制作方面长期依赖国外公司的局面。
同时，就算我们能在外国高纯锗探测器方面买来产品，但是外国对其生产技术和参数都会有所保留，因此该产品的研制成功，将是对我国高性能高纯锗探测器的研究发展产生巨大的贡献。
1.3.本研究工作的任务和目标高纯锗探测器主要对γ射线和X射线进行探测与测量，高纯锗探测器具有探测效率高、能量分辨率高和探测射线范围较广等特点，在各个实际领域中都得到较广泛的利用。
我们对一个高纯锗探测器的好与坏进行衡量，高纯锗探测器的探测效率是一个极为重要的技术指标。
探测效率是指在一定的条件下，探测器所探测到的辐射粒子数与在这一时间段内放射源所发射的辐射粒子数之比。
探测效率反映了辐射源发出的粒子被探测器探测到的几率，关系到探测器的物理探测的结果的准确程度，所以一个探测器的探测效率关系到一个探测器的好坏，具有很大的研究意义。
通常来说，我们要对一个探测器的探测效率进行研究，会通过现实实验从而得到其全能峰效率的。
但是在现实实验的过程中，难免会有一些现场干预因素而产生误差。
所以在实验中得出的数据后，我们还需要进行后期数据处理和误差排除处理理论计算，这无疑是一项非常复杂和繁琐的工作。