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。
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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。