半导体探测器是二十世纪六十年代以后迅速发展起来的一种核辐射探测器，它的工作原理与气体电离室相似，只不过探测介质换成半导体材料。电离辐射在半导体介质中产生一对电子、空穴对所需要的能量比在空气中产生一对离子对所需能量小一个数量级，所以电荷数的统计涨落非常小，从而导致了它的能量分辨率非常高。

高纯锗探测器是近些年来迅速发展的一种新型半导体探测器，它克服了其他半导体探测器存在的生长周期长、需要在低温下保存的特点，是目前使用最广泛地半导体探测器。目前高纯锗探测器是核探测器中性能最好的探测器。

1 溶胶放射性测量的复杂性

气溶胶的严格定义是：任何物质的固体微粒或(和)液体微粒悬浮于气体介质(通常指空气)中所形成的、具有特定运动规律的整个分散体系；简单来说，气溶胶就是悬浮于空气中的微粒物；这些悬浮微粒物可以是固态，也可以是液态^[1]。气溶胶在人类的周围随处可见，最常见的气溶胶就是烟、雾、粉尘；同时气溶胶对人类的有害性远大于它的利处，正因为它的存在，人类已经呼吸不到清新干净的空气；所以气溶胶的监测与防护是必然的。

1.1 气溶胶放射性来源

放射性气溶胶可以分为两大部分：天然放射性气溶胶、人工放射性气溶胶。本文以天然气溶胶为例研究。

天然放射性气溶胶主要来源于两部分：宇宙射线中的放射性粒子吸附在空气中的灰尘上形成的气溶胶、天然放射系铀系与锕系中氡的衰变子体形成的气溶胶。

在天然放射性气溶胶中，我们主要考虑的是铀系与锕系中氡的衰变子体形成的气溶胶；因为氡是气态存在的，并且它的源头铀、钍这两种放射性核素存在于地壳中，任何地点的土壤和岩石都会含有少量的铀、钍，从而使得各种建筑材料等诸多材料中也会有微量的铀钍元素，因此地表和建筑物表面是氡无穷无尽的来源；而虽然氡是气态，可是它的子体都是固态存在，当氡扩散到空气中发生衰变，它的子体很容易就吸附在空气中的灰尘上形成放射性气溶胶。

表 1与表 2列出了²²⁰Rn和²²²Rn之后的氡钍系衰变子体及其衰变类型和产生的所有γ射线，由于本文采用高纯锗探测器测量气溶胶产生的γ放射性，而Rn并不以气溶胶的形式存在，则探测器有可能测量到的核素有²¹⁶Po、²¹²Pb、²¹²Bi、²⁰⁸Tl、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²¹⁴Po、²¹⁰Pb和²¹⁰Po，其中²¹⁶Po、²¹⁴Po和²¹⁰Po的射线发射概率极低，发射概率小于0.001的射线能量，不可能被探测到，能量小于20keV的射线也不可能被探测到，因此有可能测量到的核素种类只有²¹²Pb、²¹²Bi、²⁰⁸Tl、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi和²¹⁰Pb六种。

1.2 气溶胶放射性测量的要求

表 1、表 2可以看到，氡子体产生的γ射线其能量分布范围非常广，小的只有0.04 MeV，而最大的可以达到2.2 MeV, 相差两个数量级；同时能量分布也不是均匀的，有的γ射线能量十分接近，如²¹⁴Bi产生的0.609 MeV能量的γ射线与208Tl产生的0.583MeV能量的γ射线。

根据以上氡子体γ放射性的特点，那么对探测器也要相应的要求：①探测范围要广，具有几十keV至几MeV的能量探测范围。②探测器分辨率要低，才能把能量非常接近的射线区分开来。而符合要求的探测器目前不多，而高纯锗探测器恰恰能达到这些要求。所以使用高纯锗探测器测量气溶胶是必然的。

2 验证高纯锗探测器的优异探测性能

从上一章的讨论中我们得出只有高纯锗探测器才能满足气溶胶测量时的各种要求，那么它到底能满足到什么程度，或者说高纯锗探测器能探测到什么程度。为了验证这一点，我们采用了计算模拟的方法，用软件模拟出天然放射性气溶胶能谱图，在通过实际实验得到实验能谱图，两者对比来验证高纯锗探测器的探测性能。

2.1 MC模拟天然放射性气溶胶能谱图

用MCNP软件来模拟能谱图，那么可以根据需要调节参数来调节能谱图。

能量分辨率可以通过MCNP中的计数特殊处理卡(FT卡)来调节，格式为FT GEB a b，GEB表示为高斯能量增宽度，a、b为用户输入值，来源于：

$ fwhm=a+b\text{ }\sqrt{e+C{{e}^{2}}}~ $

1)

其中：a, b, c为待定系数，e为粒子能量；fwhm, a, e的单位为MeV；b的单位为$\sqrt{\text{MeV}} $, c的单位为1/MeV。a, b, c三个待定参数决定了能量半高宽和γ射线能量关系式中的三个系数^[2]。

也就是说我们只要确定了这三个系数，那么能谱的能量分辨率就确定了。根据需要，本文在这里选择的能量分辨率为0.2%~0.3%，那么带入(1)式，根据不同的粒子能量(以三个为一组)分别算出a，b，c的值，从而确保了整个能谱的能量分辨率达到本文的预期效果。

软件模拟中所用的模型，其探测器死层厚度与冷阱尺寸对探测效率有较大的影响，参考相关资料，本文选择的死层厚度为0.22 cm、冷阱半径和长度分别为0.301 cm和1.0 cm时，这样模拟能谱的效率与实验能谱的效率在低能和高能部分都能符合较好^[3]。

选定合适的参数以后，得到的模拟能谱其能量分辨率与探测效率可以说是达到了一个非常理想的程度，整个能谱图就可以用来作为一个参照，用来比照实验能谱图；实验能谱图越接近模拟能谱图，说明得到的实验能谱图越清晰，从而证明了该仪器性能越好。

图 1就是以表 1、表 2中的数据为参照，利用MCNP软件通过Monte Carlo方法计算面源γ射线在HPGE晶体中造成的脉冲能量分布得到的能谱图。

2.2 实验能谱图与模拟能谱图的对照

下图所显示的能谱是已经去除宇宙射线本底及其他干扰的环境放射性气溶胶能谱，能谱测量所使用的探测器为ORTEC电制冷高纯锗谱仪，所使用的多道为ORTEC公司的DSPEC-Pro多道系统，放射性气溶胶由气体抽样过滤装置过滤到滤纸上，然后将滤纸直接置于探测器正对面进行测量。

2.3 对照结果

通过探测器测量能谱图可以观察到高纯锗探测器所能测量到的核素主要有²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl、²¹⁴Pb和²¹²Pb四种。而由于²¹²Bi产生0.727 MeV γ射线的概率相对较低，而且探测器对较高能量γ射线的探测效率会比较低，因此探测器无法探测到²¹²Bi核素。²¹⁰Pb所产生的γ射线能量很低(47 keV)，也无法被探测器识别到。所以在模拟能谱上可以看到²¹²Bi、²¹⁰Pb两种核素，而探测器测量能谱图看不到。同时模拟的天然气溶胶能谱中其源项没有⁴⁰K，所以在探测器能谱测量中出现了⁴⁰K核素，而模拟能谱图中没有。但是总的来看二者的相似度还是比较大，全能峰高度之间的比例十分的吻合，各个能峰的分辨率也大致相同，说明高纯锗探测器确实可以满足气溶胶测量中的大部分要求。

3 高纯锗探测器与溴化镧探测器的对比

在本文的上一章中，对照了软件模拟出来的理想能谱图与实验能谱图，可以看出实验能谱图与模拟能谱图的差距较小，相似度较大，从而间接证明高纯锗探测器的优秀性能。

那么相比于其他的探测器，高纯锗探测器是否也能够具有优势呢？本文将通过高纯锗探测器与溴化镧探测器的对比来说明。

3.1 溴化镧探测器的实验能谱图

见图 3。

3.2 对比结果

由于溴化镧晶体自身放射性影响，上图中0.25 MeV以下的计数非常多，该范围内的能峰无法被识别出，因此溴化镧探测器无法识别出²¹²Pb核素。衰变子体中能够被探测到的核素只有²¹⁴Pb、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl，这三种核素所产生的γ射线中，能量过高和发射概率过低的γ射线也是无法被探测到的，因此溴化镧探测器所能探测到的γ射线能量只有²¹⁴Bi的0.609 MeV、²⁰⁸Tl的0.583 MeV和²¹⁴Pb的0.352 MeV，而且由于能量分辨率的限制，0.609 MeV和0.583 MeV能峰会有一定程度的重叠。

如上图所示，溴化镧探测器最终能探测到的氡钍系衰变子体只有两个能峰而已，而且这两个峰相对于晶体自身放射性很小。

所以可以看出在测量气溶胶上，溴化镧探测器是远远不如高纯锗探测器的。

4 结论

本研究通过对高纯锗探测器的实验能谱图与溴化镧探测器实验能谱图、MCNP软件模拟能谱图的对比，来验证高纯锗探测器的优异性能，并对高纯锗探测器的能量分辨率、探测效率、射线能量探测范围有了初步的了解。

研究结果表明无论在那个指标上，高纯锗探测器都能达到比较好的程度，远比溴化镧探测器及其他探测器高，所以在各类物理测量过程中都被广泛应用，那么完全可以相信在气溶胶的测量上，高纯锗探测器能够充分的满足测量需求，完成任务。