采用本文作者开发的COOL2000程序^[1], 可以计笋HPGE探测器对圆柱型体源、面源和点源在30 keV-3 MeV能量范围内能量点的γ射线全能峰效率和符合相加修正系数。但是蒙特卡罗方法模拟计算HPGe探测器效率时, 需要输人非常准确的HPGe探测器的结构和几何参数, 而设备供应商一般并不给出冷指、死层厚度等参数, 即便是向生产厂商索取, 所得到的参数至少是精度不够, 会使计算结果产生一定的系统偏差。本研究的目的是, 根据效率刻度实验中, 分别在低能(100 keV~400 keV左右)和在高能(1 MeV左右)端实测的γ射线全能峰效率值, 通过蒙特卡罗模拟计算, 自动调整死层厚度和冷指尺寸, 从而修正由于死层厚度和冷指尺寸等参数不准带来的系统偏差, 增强COOL2000软件的功能, 最终达到提芎放射性测量结果的准确度。本文简述COOL2000程序计算HPGe探测器γ射线全能峰效率的流程, 以及调整探测器死层厚度和冷指尺寸的方法和效果。

1 探测器死层厚度和冷指尺寸调节原理

COOL2000软件程序计算HPGe探测器γ射线全能峰效率时, 首先要读人样品、样品容器等的材料和尺寸(图 1), 接着从库文件调人探测器的材料、结构和尺寸参数以及γ射线在上述材料中的质量衰减系数后, 用蒙特卡罗方法模拟计算探测器的γ射线全能峰效率^[1]。为了提高计算的准确度, 在COOL2000软件中嵌入了一个能够自动调节探测器晶体死层厚度私冷指尺寸的程序, 需要时可以运行该程序执行死层厚度和冷指尺寸的校正计算。

在探测器晶体死层厚度和冷指尺寸调节前, 先用标准刻度源在与实测样品接近的几何条件下进行绝对效率测量。测量时如有符合相加现象, 应尽可能使样品与探测器远一些。由于该效率是下一步计算的基础, 因此样品测量时间要长, 以减少计数统计误差, 同时死时间应小, 以减少偶然符合所带来的影响。

最好使用¹⁵²Eu、¹⁸²Ta、¹³⁴Cs、^110mAg、¹²⁴Sb等多谱线γ射线标准源进行效率刻度, 因为这些核素在低能区(100 keV~400 keV左右)与高能区(1 MeV左右)都有较强的射线, 可以避免因不同刻度源的几何条件差异引人的晶体死层厚度和冷指尺寸的调整计算误差。

在自动调整探测器晶体死层厚度和冷指尺寸计算时(图 2), COOL2000程序从几何条件描述文件读取样品和探测器的材料、尺寸, 在输人选定的低、高能γ射线的能量和它们的刻度效率数值后, 从内置的数据库中读取两特定能量的质量衰减系数, 并自动生成输人文件, 启动死层厚度和冷指尺寸调节程序。

2 探测器死层厚度调节

探测器死层的厚度大小对于低能和高能γ射线探测效率都有影响, 但对低能射线的影响更大。因此, COOL2000程序首先用蒙卡方法在选定的几何条件下计算两射线中较低能量γ射线的理论探测效率, 当所模拟的结果达到一定的精度后, 与对应的实验探测效率值比较, 如理论值小于实验值, 则减小死层厚度, 反之则增加死层厚度, 继续运算。每次增加或减小的死层厚度的幅度逐渐减小, 直到在一定误差范围内(± 1%), 理论效率值与实验效率值相等, 这时死层调节结束, 进人下一步调节。

3 冷指尺寸调节

冷指尺寸虽然同时对低能和高能γ射线均有影响, 田于冷指处干探测器内部后端, 对穿透能力较强的高能γ射线的影响相对大一些。因此, 我们在探测器死层厚度参数调节的基础匕用高能射线来调节冷指的尺寸, 其调节方法与调节死层厚度相似, 不同之处在于当理论效率大于实验效率时, 需增大冷指尺寸, 以此来减少Ge晶体的灵敏体积, 从而减小理论效率值。当在一定的误差范围内(± 1%), 理论效率与实验效率相等时, 结束冷指尺寸的调节。

探测器COOL2000程序用调节后的死层厚度和冷指尺寸的参数, 计算低能射线的探测效率, 如呆在设定的误差范围内, 理论计算的与实验效率不相等时, 自动返回第一步, 重新进行死层厚度的调节, 当计算的与测量的低能射线效率相等后, 再调节冷指尺寸, 使髙能射线的理论计算效率与实验测量效率相等。如此反复调节, 直至低能射线和高能射线的计算效率同时满足要求为止, 此时的死层厚度和冷指尺寸即是调整后的值。

4 应用实例

样品容器为圆柱形聚乙烯杯, 半径为4.28 cm, 髙为2.26 cm, 侧壁厚度为0.38 cm, 底厚0.23 cm, 刻度源是基质为水的标准源。样品容器下底端面距样品支架上表面1.5 cm。样品支架由很薄且细的铝做成, 对射线的影响可忽略。支架与探测器之间的间距为0.001 cm。探测器晶体与铝窗之间的距离0.5 cm。铝窗厚度0.05 cm。晶体半径2.825 cm, 髙为5.85 cm。探测器生产商提供的晶体死层厚度0.1 cm, 冷指半径0.525 cm, 高度为3.6 cm。

首先, 制备一套与上述样品容器基质相同、几何条件相同或相近的体标准源, 在特定几何条件下测量体源的探测效率, 然后用COOL2000计算出理论效率值。用¹³⁴Cs的604.7 keV和⁸⁸Y的1 836.1 keV的刻度效率调节探测器的死层和冷指尺寸。调节前后探测器的参数见表 1。表 2给出了用¹³⁷Cs刻度源在不同的探测距离和探测器死层和冷指尺寸调节前、后的计算效率与和实测效率的比较。从9次实验值与计算值比较结果看出, 探测器死层和冷指尺寸调节前, 理论计算的与实验效率的相对偏差在-1.803%~+ 9. 050%之间, 其平均值为5.301%, 而调节后, 理论计算的与实验效率的相对偏差在-2.884%+8.827%之间, 其平均值为3.937%。相对偏差得到明显改善。因此, 本文提出的用蒙特卡罗方法计算HPGe效率时探测器死层厚度和冷指尺寸自动调节技术是可行的。

5 小结

放射性测量, 特别是低水平放射性测量, HPGe测量系统的误差对测量结果具有重大影响, 本文通过用蒙特卡罗模拟计算高纯锗探测器效率和实验测量效率的方法, 自动调节探测器死层厚度和冷指参数, 使探测效率的相对误差由5.301%减小到3.937%。相对偏差的明显改善证明, 用蒙特卡罗方法计算HPGe效率时探测器死层厚度和冷指尺寸自动调节技术是可行的。