在某些环境样品的测量中，由于样品的放射性活度较低且所关注核素的γ射线能量较低，许多γ谱仪不足以准确测量样品中放射性核素的成分及含量，并且在测量低能核素时，能量较高的全能峰的康普顿连续谱会掩盖能量较低的全能峰，造成识别峰的不确定性。因此，对于一套能够准确测量环境样品的仪器的需求也越来越明显。随着计算机技术和核电子学的飞速发展，低本底反康谱仪越来越多的应用于这类环境样品的测量中^[1]。

早期的低本底反康谱仪的主探测器为NaI(Tl)探测器，后来随着具有高能量分辨率的半导体探测器的出现，主探测器被高纯锗探测器所取代。反符合探测器在早期曾使用塑料闪烁体探测器，但由于塑料闪烁体探测器密度小，探测效率低，后被密度更大的NaI(Tl)探测器代替^[2]，在特殊的测量场合下，也有选择使用BGO探测器做反符合探测器。在测量放射性活度低的环境样品时，谱仪的探测下限受本底水平的限制^[3]，为了提高测量的精度和准度，降低本底是唯一可能的方式。

γ谱仪的本底通常来源于：周围环境中的放射性、宇宙射线及探测器和屏蔽材料本身的放射性^[4]。通过选择放射性活度较低的材料，可以减少探测器本身及周围材料造成的本底。传统的屏蔽体通常选择10 cm以上的铅，用于屏蔽环境γ射线，铅的原子序数大，是目前比较好的屏蔽材料。宇宙射线中最主要产生本底的是μ子和中子^[5]，海平面上μ子的平均能量为3 GeV，其穿透力很强，可以穿透地面位置处的屏蔽体，产生光子，中子，电子等次级粒子^[6]，并产生连续特征谱，并且在本底谱中产生明显的湮没峰^[7]。目前对于宇宙射线的屏蔽，最好的方法是去到数千米深的地下测量，或采用反符合测量方法^[8]。与γ射线不同，中子的理想屏蔽物质为原子序数低的材料，因此铅对于中子的屏蔽能力不是很理想。因此对低本底反康谱仪屏蔽体的设计，应根据辐射本底情况，采用多种屏蔽材料进行组合的方式进行设计。

本工作为了设计一套低本底反康测量系统的屏蔽体，使用蒙特卡洛方法建立探测器与屏蔽体模型，将主要的天然辐射作为源项输入到程序中，模拟优化低本底反康测量系统的屏蔽体的结构和尺寸，在传统铅室的基础上增加中子吸收层，减少锗中热中子俘获和快中子非弹性散射产生的本底。最后由外到内分层测量，与模拟结果作比对，验证设计方案的合理性和可行性。

1 材料与方法 1.1 屏蔽设计分析

天然本底来源除了环境γ射线、宇宙射线，还有屏蔽材料和探测器本身携带的放射性核素。根据本底的来源，最外层考虑环境伽马射线的屏蔽，由于铅具有原子序数大(Z=82)，密度大等特点，是目前较为理想的屏蔽物质。因此，最外层采用铅作为第一层屏蔽，对比参考文献^[5]可知，通常铅屏蔽的厚度为10~15 cm，超出15 cm这一厚度，μ子和中子等宇宙射线所致本底占主要优势，更厚的铅屏蔽不能使这部分本底降低。由于环境中存在着宇宙中子，且μ子与诸如铅等原子序数较大的物质，会发生μ子俘获，产生光子、中子和电子等次级粒子，因此第二层考虑中子的屏蔽。中子的屏蔽方法是首先将快中子慢化为热中子，再用大吸收截面的材料去吸收。因此第二层采用掺硼的聚乙烯慢化吸收环境中子和μ子在铅中产生的次级中子，¹⁰B是热中子的优良吸收剂，B₄C的B/C为0.782 8，因此，其中子俘获截面高、吸收能谱宽、抗腐蚀性能优良，B₄C晶体结构足够能保留俘获中子产生的He、Li原子^[9]。通过模拟计算，聚乙烯掺5%的B₄C对于中子的吸收较好^[10]。但是，由于硼通过(n, α)反应俘获中子时，处于激发态的硼原子退激会发出0.48 MeV的γ射线，且其产物⁷Li会伴随发射γ射线，因此，第三层选择铅来屏蔽这部分伽马射线。最后，为了减少铅中杂质²¹⁰Pb及其子体²¹⁰Bi对本底计数的影响以及铅的特征X射线^[1]，在铅屏蔽层的内表面布置一层无氧铜内衬。

1.2 蒙卡计算模型

本工作中使用Geant4程序进行相关模拟分析，其可以精确模拟粒子通过物质的过程^[11]。如图 1所示，探测器的几何模型由HPGe探测器和屏蔽体两部分组成。其中，HPGe探测器的模型为ORTEC公司的GEM-S9430，相对效率为50%，包含探测器晶体，外部和内部电极，铝制容器和碳环氧树脂窗口，以及探测器内的真空空间和晶体内的死层。

1.3 源项分析

天然本底来源除了环境γ射线、宇宙射线，还有屏蔽材料和探测器本身携带的放射性核素。常用的屏蔽材料铅中含有的杂质²¹⁰Pb会发射46.5 keV的γ射线，其子体²¹⁰Bi衰变产生的β射线会在铅中发生韧致辐射，造成连续谱本底，主要集中在500 keV以下。因此本工作模拟时考虑的源项主要包含环境γ射线能谱，球面源各向同性入射；宇宙射线中最主要的μ子^[12]和中子的能谱^[13]，其中，μ子为面源入射，中子为球面源各向同性入射；²¹⁰Pb发射的γ射线及其子体²¹⁰Bi β衰变所致韧致辐射能谱^[14]，均匀扩散在铅屏蔽体中，各向同性发射。模拟结果通过以下公式计算得出积分本底计数率：

$ C=\left( C\prime \times N \right)/N\prime $

式中C为50~2 000 keV能量范围内的积分本底计数率，C′为模拟得到的50~2 000 keV内的总计数，N为每秒钟实际入射的粒子数，N′为模拟入射的粒子数。

2 结果 2.1 模拟优化结果与分析 2.1.1 铅的厚度优化

在环境γ射线入射的情况下，模拟了不同厚度的铅对环境γ射线的屏蔽能力。如图 2所示，当铅的厚度达到12 cm时，位于铅屏蔽体后的HPGe探测器在50~2 000 keV能量范围内的积分本底计数率为0.018 cps, 基本可以忽略。因此，在本工作中，铅的总厚度选择的是12 cm。

2.1.2 含硼聚乙烯的厚度优化

本工作采用将铅分层，中间加含硼聚乙烯的方案，通过参考文献^[15]比对，选择的内铅层厚度为2 cm。图 3所示的是不同厚度的含硼聚乙烯对环境中子的屏蔽能力。综合考虑最终屏蔽体尺寸，选择8 cm的含硼聚乙烯，此时中子造成的计数率降低了0.253 cps。由于μ子的穿透力极强，含硼聚乙烯的增加对于μ子所致本底的降低不明显。

2.1.3 内铅层厚度优化

μ子和中子入射时，模拟了不同厚度的内铅层对于本底的影响，由图 4和图 5可知，增加2 cm内层铅，μ子造成的积分本底计数率降低了0.212 cps，中子造成的积分本底计数率降低了0.254 cps。这是由于中子被硼等吸收材料吸收时产生的次级粒子被内铅层屏蔽。随内铅层厚度的增加到5 cm，计数率增大。最后，综合考虑μ子和中子入射下的计数率，内层铅厚度选择2 cm。

2.1.4 铜的厚度优化

由于²¹⁰Pb及其子体²¹⁰Bi所致韧致辐射对于本底的影响很大，因此最内层模拟了不同厚度的无氧铜对于本底的影响。由图 6可知，随着铜厚度的增加，宇宙射线造成的本底不断升高，而由于铜的屏蔽导致²¹⁰Bi所致韧致辐射产生的本底不断降低。由于μ子会在铜中发生韧致辐射，且⁶³Cu和⁶⁵Cu的中子激发导致670.962 keV和1 116 keV峰的计数的增加^[5]，因此无氧铜的厚度不宜太厚。当增加1 mm无氧铜内衬时，总的50~2 000 keV范围内积分本底计数率最低。同时，²¹⁰Pb发射的46.5 keV的γ射线由0.296 cps降到0.003 cps，几乎完全被屏蔽。

2.1.5 优化后的参数确定

最终屏蔽结构从外到内分别为10 cm外铅，8 cm含硼聚乙烯，2 cm内铅和1 mm无氧铜。此时，模拟得到的50~2 000 keV能量范围内总的积分本底计数率为(1.18±0.02)cps。

2.2 实验测量

为了验证上述各层屏蔽物质对于本底的影响，在实验测量过程中，采用分层加工，由外到内依次测量的方法，测量所用的探测器为ORTEC生产的N型同轴型探测器，型号为GMX60-S，相对效率为60%，采用液氮制冷，每次测量环境和测量时间均保持一致。

2.2.1 测量结果

测量结果如图 7所示，当只有外铅层时，测得的积分本底计数率为2.01 cps；增加含硼聚乙烯后，计数率为4.59 cps，可明显观测到硼退激时发射的0.48 MeV特征峰；增加内铅层后，计数率为1.76 cps，相比只有外铅层时降低了12.4%，硼中子反应产生的γ射线被屏蔽；增加1 mm无氧铜内衬时，计数率为1.72 cps，²¹⁰Pb发射的46.5 keV的γ射线几乎完全被屏蔽，与模拟结果相符。然而在500 keV以下的连续谱中，计数率有所提高，通过进一步实验测量2、4、6 mm铜时计数率分别为1.80、1.87、1.98 cps。综合考虑，1 mm无氧铜内衬时的计数率最低，符合模拟计算的规律。

2.2.2 分析与对比

图 8所示的是锗热中子俘获和快中子非弹性散射造成的本底能谱。从图中可以看出，增加含硼聚乙烯和内铅层后，锗热中子俘获产生的能量为174.9、198.3 keV的特征峰明显降低，快中子非弹性散射及俘获产生的能量为595.8、695.5、703.8 keV的特征峰也明显降低。

由于实验测量与蒙卡计算所用HPGe探测器型号不同，实验测量所用HPGe探测器相对效率高于模拟所用探测器，且在模拟过程中仅考虑了主要的本底来源，忽略了贡献率相对较低的本底来源，因此实验测量得到的积分本底计数率整体大于模拟结果。

图 9反应了实验结果与模拟结果的对比，图中从0~6分别为外铅层、含硼聚乙烯、内铅层、1 mm铜、2 mm铜、4 mm铜和6 mm铜内衬的屏蔽情况，由图可知，实验测量所得积分本底计数率与模拟计算所得计数率的比值均为1.48倍左右，验证了模拟计算的稳定性和合理性。然而在增加含硼聚乙烯的情况下，实验测量结果为模拟结果的3.06倍，从图 7中可明显看出，当内层材料为含硼聚乙烯时，能谱中有明显的²²⁸Ac，²¹²Pb，²¹⁴Pb，²¹⁴Bi，和²⁰⁸Tl等放射性核素的特征峰，由此可见，屏蔽材料所用B₄C中含有较多的放射性杂质，这部分在模拟计算中没有体现出来，导致测量结果大于模拟结果。

3 讨论

本工作通过Geant4蒙卡软件优化设计了一套低本底反康测量系统的屏蔽体，通过在传统铅室的基础上增加含硼聚乙烯层，减少锗中热中子俘获和快中子非弹性散射所致的本底，进一步降低低本底反康测量系统的积分本底计数率。最终确定了从外到内分别为10 cm铅、8 cm含硼聚乙烯、2 cm铅和1 mm无氧铜的屏蔽结构，此时，探测器测得的50~2 000 keV能量范围内积分本底计数率为1.72 cps。并通过实验测量，验证了模拟结果的正确性和屏蔽结构的合理性。在低本底反康测量系统的屏蔽体设计中，还可以通过选用²¹⁰Pb比活度更低的老铅做内铅层屏蔽，同时配合氮气冲洗屏蔽体内腔等方法进一步降低本底。