适于强源测量的便携式反康普顿γ探测系统设计

李雪松，倪建忠，余功硕，梁建峰，长孙永刚，张小林

(西北核技术研究所，西安710024)

反康普顿γ谱仪以优秀的本底抑制性能在中子活化分析[1]、环境监测[2-3]、基础物理研究[4]及锕系元素分析[5]等对本底抑制要求较高的测量领域中应用广泛。反康普顿γ测量技术可以有效抑制γ测量中的固有康普顿坪区，显著降低高能γ射线对低能γ射线的干扰，提高测量水平。反康普顿谱仪的几何结构优化一直是研究的重点之一。Niu等针对锥状反符合探测器结构，考查了主探测器与反符合探测器的相对位置对反康普顿效果的影响[6]。周春林等研究了测量源与主探测器的相对位置对反康普顿效果的影响，获得了最优位置[7]。Britton等采用蒙特卡罗方法模拟评估了3种不同无机闪烁体作为反符合探测器的优劣[8]。目前，实验室使用的反康普顿γ谱仪普遍采用高纯锗探测器作为主探测器、环形碘化钠闪烁体作为反符合探测器，加上外部屏蔽体后，设备庞大厚重，无法实现移动式应用。曾国强等设计了一款高效紧凑的反康普顿谱仪[9]，但该设计仅对反符合电子学系统及多道谱仪进行了高效紧凑的数字化改造，未对探测器部分进行便携式结构设计。中国原子能科学研究院李立华等公开了“一种提高反康谱仪康普顿抑制因子的布局结构”专利技术[10]，该结构采用侧面开口设计，可有效提高康普顿抑制因子，但主探测器采用高纯锗，使便携性受到较大限制。便携式反康普顿γ探测系统的相关研究报道较少。

反康普顿γ谱仪普遍用于测量弱放射源，主要目的是降低天然环境本底γ射线产生的康普顿平台。在强放射环境下，若要获得某些核素强度相对较弱的特征峰信息，就需要克服来自强放射源自身γ射线形成的康普顿平台本底。反康普顿γ探测系统在强反射源测量中的典型应用是在束测量实验，如瞬发γ中子活化分析及带电离子束轰击靶核的相关实验。中国科学院兰州近代物理研究所重离子加速器HIRFL末端配备的探测器系统[11]、CERN(European Organization for Nuclear Research)中心ATLAS探测器大装置上配备的Gamma Sphere测量系统及其升级的GRETA系统[12]、英国和法国联合研制的Eurogam在线测量装置[13]等均使用了反康普顿γ探测系统。近年来，在核勘测、核事故和核应急等领域中，强放射环境下的核素识别和定量技术对便携式反康普顿γ谱仪的需求日益提高。碲化镉(CdTe)、碲锌镉(CZT)、溴化镧(LaBr3)等可工作于常温的高分辨率探测器的出现，为便携式反康普顿γ谱仪系统设计提供了必要的主探测器条件。

本文从分析γ射线与物质相互作用的能量沉积过程入手，针对强放射源的测量，设计便携式反符合探测器新结构，并进行了能谱模拟计算验证。

1γ射线能量沉积的关键过程分析

对于反符合设计，如果γ射线首先在反符合探测器上发生能量沉积，逃逸的散射γ射线又在主探测器上发生能量沉积，理论上讲，该事件一定能被反符合剔除掉；如果逃逸的散射γ射线未在主探测器上沉积能量，则对主探测器能谱不会有任何贡献，故在实际设计反符合系统时，不需考虑该过程，仅需要考虑那些首先在主探测器上发生部分能量沉积的γ射线的后续行为，即如果γ射线在逃逸后能有效地被反符合探测器阻止，则能够被反符合剔除掉；否则，将形成康普顿本底。

γ射线与物质相互作用的3种主要过程为光电效应、康普顿散射效应及电子对效应。这3种效应均对测量的γ能谱有贡献。光电效应会在主探测器上形成X射线逃逸峰(Eγ-Ek)，此峰可通过反符合过程进行剔除。电子对效应会产生单、双逃逸峰，还会产生最高能量为1 022 keV的连续康普顿散射本底，这些也可以通过反符合过程进行剔除。康普顿散射效应形成康普顿散射本底的3个关键过程为：

3)康普顿散射先在主探测器上发生过程1)，逃逸γ射线接着在反符合探测器上发生康普顿散射过程2)，最后又回到主探测器上沉积能量。该过程主要以大角度散射为主，沉积能量处于背散射峰附近能区，叠加过程1)后，会增加中能区的康普顿坪。

2系统设计

便携式反康普顿γ探测系统设计主要包括探测器的选取、结构设计及屏蔽体设计3个部分。

2.1探测器的选取

选取主探测器需要兼顾分辨率、效率及实验保障条件。目前，CZT探测器对662 keV γ射线的分辨率可达1%，其平均原子序数约为50，密度约为5.8 g·cm-3，具有较高的探测效率。同时，CZT探测器是一款室温探测器，不需要特别的实验保障条件。综合各种因素，本文选择CZT探测器作为主探测器。强放射源测量对于探测效率的要求不高，因此，1 cm×1 cm×1 cm的正方体状CZT探测器基本上可以同时兼顾便携性和分辨率要求。

反符合探测器需要体积小、效率高。无机闪烁体BGO晶体的平均原子序数约为74，密度约为7.1 g·cm-3，对γ射线的阻止本领很强，可作为反符合探测器。BGO具有较短的发光衰减时间，可以显著提高脉冲通过率，对于强放射源测量，可有效避免探测器因计数率过高而瘫痪。综合各种因素，本文选择BGO探测器作为反符合探测器。

2.2结构设计

康普顿抑制因子是反康系统最关键的技术指标之一。目前，以高纯锗探测器为主探测器的反康探测系统中，用137Cs 662 keV γ射线测试的康普顿抑制因子通常为3～10[2,10,14-15]。因为绝大部分常规放射性核素发射的γ射线能量主要集中在1.6 MeV以下，所以，本文选择137Cs 662 keV γ射线及42K 1 525 keV γ射线的能谱作为模拟考核能谱，设定其康普顿抑制因子指标分别为50和10。

反符合探测器设计为4π结构或准4π结构，将主探测器置于反符合探测器内。图1为探测系统设计图。反符合探测器分为顶部反符合探测器(TAD)、反符合环探测器(RAD)及底部反符合探测器(BAD)。为安放电子学部件，在RAD底面与BAD顶面之间预留1 cm的空间。由于TAD对低能γ射线有很强的阻止本领，会显著降低低能γ射线的探测效率，因此， 4π结构更适用于测量发射高能γ射线的强源。准4π结构可以兼顾低能γ射线测量，在其TAD中间设计一个开孔，可使能谱上康普顿边缘及其附近小范围的高能区无法有效反符合，从而形成前沿更陡的康普顿边沿峰区。开孔直径越小，峰区宽度越窄；当不开孔时，就变成了4π结构设计，此时的康普顿边缘基本上被反符合剔除。

为使低能逃逸γ射线实现良好的反符合效果，需要尽可能减薄主探测器和反符合探测器的封装材料，且应使用低原子序数元素组成的材料。本文采用金属铍作为主探测器的外壳和反符合探测器的内壳材料，金属铍的厚度均选为0.3 mm。

对反符合探测器的各个部分进行结构优化设计，使各个部分均能将康普顿抑制因子降低到设定的康普顿抑制因子之内，从而保证整个系统的康普顿抑制因子满足设计要求。

(a)4π structure

(b)Quasi-4π structure

首先，对RAD进行设计。设置RAD高度为主探测器边长的5倍，即5 cm，将主探测器置于RAD的中心位置。假定放射源距离RAD上表面为3 cm，则主探测器对662 keV γ射线的效率约为10-4量级，可用于活度为108Bq的强放射源测量，如果测量更强的放射源，则可以适当增大放射源与RAD上表面之间的距离。图1(a)中，在来自主探测器的所有能够水平散射的γ射线中，A点的散射角最大，为84.4°。以A点计算得到1 525 keV和662 keV γ射线对应的散射γ射线能量分别为413 keV和305 keV，因此，在设计时，RAD的厚度要同时满足将413 keV γ射线衰减到10%以下、将305 keV γ射线衰减到2%以下的要求。经计算，RAD的厚度需为20 mm，考虑设计余量，可取为25 mm，则RAD外径至少应为70 mm。此时，若γ射线在A点散射，则穿越RAD最大长度的γ射线散射角为40°，1 525 keV和662 keV γ射线对应的散射γ射线能量分别为898 keV和508 keV，穿越BGO的长度约为34 mm。由于满足指标要求所需穿越BGO的长度为45 mm，因此，需要将RAD外径增大到90 mm。计算表明，若γ射线在B点散射，散射角为58.7°时，1 525 keV和662 keV γ射线的衰减量也能满足指标要求。对图1(b)可同理进行分析设计。

其次，对TAD进行设计。图1(a)中，当主探测器的尺寸、位置及RAD的高度、内径均确定后，TAD接收到的来自主探测器的康普顿散射γ射线的散射角最小值为134.7°，1 525 keV和662 keV γ射线对应的散射γ射线能量分别为251 keV和206 keV。计算表明，TAD的厚度为7 mm即可满足衰减要求，考虑设计余量，可取为8 mm。对于图1(b)的准4π结构，当TAD外径尺寸设定为40 mm时，TAD接收到的来自主探测器的康普顿散射γ射线的散射角最小值为134.4°，由图1(a)的分析结果可知，TAD的厚度为8 mm可以满足设计需求。

最后，对BAD进行设计。若设RAD外径为90 mm，厚度为50 mm，则图1中，当γ射线在A点散射时，BAD接收到的散射γ射线的散射角最大值约为40°。此时，1 525 keV和662 keV γ射线对应的散射γ射线能量分别为898 keV和508 keV，穿越BGO的距离约35 mm。经计算，此时的阻止能力不能满足指标要求。当γ射线在B点散射时，BAD接收到的散射γ射线的散射角最大值为48.4°。此时，1 525 keV和662 keV γ射线对应的散射γ射线能量分别为761 keV和461 keV，穿越BGO的距离约27 mm。经计算，此时的阻止能力也不能满足指标要求。当BAD外径增加到100 mm时，虽然对于A点和B点的阻止本领仍不能完全满足技术指标，但这2个点属于极端情况，发生的总体概率不大，对康普顿抑制因子的影响较小，因此，本文将BAD的外径设定为100 mm。对于向下的散射，γ射线的散射角趋近于0°时，散射γ射线的能量几乎没有损失。计算表明，若BAD同时满足将662 keV γ射线衰减到2%以下、将1 525 keV γ射线衰减到10%以下的指标要求，则BAD底部的厚度应为64 mm。考虑到BAD主要是抑制低能康普顿坪，而能量低于50 keV的本底不是本文重点关注的能区，所以，选定BAD底部的厚度为60 mm即可。

2.3屏蔽体设计

由图1可见，反符合探测器的晶体尺寸较大，具有较高的探测效率，强放射源发射的高强度γ射线会导致输入计数率过大，偶然符合概率显著增加。为了克服该缺点，需要设计带有准直功能的外部屏蔽体。以4π结构的反康普顿探测系统为例，设计的屏蔽体结构，如图2所示。

图2与4π结构反康普顿探测系统匹配的屏蔽体结构Fig.2Shield design matching the anti-Comptondetection system with 4π-structure

图2中，外部屏蔽体采用铅或钨合金，外部尺寸控制为φ20 cm×20 cm，采用三段式设计，兼顾屏蔽效果和便携性。同时，考虑到屏蔽体上会激发出X射线，增加偶然符合概率，因此，从外到内依次设计了Cu，Al及有机玻璃(PMMA) 3层结构。Cu层厚度为3 mm，可将80 keV的X射线强度衰减到1%以下。Al层厚度为1 mm，可将Cu的7.5 keV X射线强度衰减到1%以下。PMMA层厚度为1 mm，可将Al的1.4 keV X射线强度衰减到1%以下。该设计可以显著降低反符合探测器的计数率，减小偶然符合的概率。同时，可以根据实际使用情况增加顶部准直孔长度，有效控制进入探测器系统的γ射线强度，使各探测器工作在合适的计数率范围内，减小偶然符合概率。根据图2设计估算，4π结构反康普顿探测系统的总体质量约为70 kg，远小于传统的反康普顿谱仪系统质量(大于1 000 kg)，便于移动携带。

3模拟计算

采用Geant4程序对本文设计的2种结构探测系统的能谱进行了模拟计算。假定主探测器和反符合探测器的封装材料均为厚度为0.3 mm的Be，将前置放大器电路部分等效为厚度为2 mm 的C。CZT探测器材料密度选为4.78 g·cm-3，Cd，Zn，Te的质量份额分别为0.410 2， 0.042 1， 0.547 7。能峰半高宽按照全能峰能量的1%计算。BGO的相关参数均采用Geant4材料库中的参数值。模拟计算得到662 keV和1 525 keV γ射线在2种结构探测系统上的能谱，分别如图3至图6所示。

图34π结构探测系统上662 keV γ射线的模拟能谱Fig.3Calculation spectrum of 662 keV γ-ray (4π structure)

由图3和图4可见，对于662 keV γ射线，4π结构探测系统及准4π结构探测系统均表现出了较好的康普顿抑制效果，图4中存在一个明显的康普顿边沿峰，这与第2.2节的分析相符。

图4准4π结构探测系统上662 keV γ射线的模拟能谱Fig.4Calculation spectrum of 662 keV γ-ray (quasi-4π structure)

图54π结构探测系统上1 525 keV γ射线的模拟能谱Fig.5Calculation spectrum of 1 525 keVγ-ray (4π structure)

图6准4π结构探测系统上1 525 keV γ射线的模拟能谱Fig.6Calculation spectrum of 1 525 keV γ-ray (quasi-4π structure)

由图5和图6可见，对于1 525 keV γ射线，4π结构探测系统及准4π结构探测系统的模拟能谱，均表现为双逃逸峰比较明显、单逃逸峰被淹没的现象，其主要原因是主探测器较小，对正电子湮没产生的511 keV γ射线的阻止本领较小，逃逸概率显著增大。图6中存在康普顿边沿峰，进一步验证了第2.2节的分析结果。

根据康普顿抑制因子的计算原则，选取50～484 keV能区，积分计算662 keV γ射线的康普顿抑制因子；选取50～1 313 keV能区，积分计算1 525 keV γ射线的康普顿抑制因子，计算结果如表1所列。

表1康普顿抑制因子的计算结果Tab.1Compton suppression factors calculatedby two system structures

由表1可见，总体上讲，对于同一能量的γ射线，准4π结构探测系统与4π结构探测系统得到的康普顿抑制因子差别不大，这与第2.2节的分析吻合，且对于1 525 keV γ射线，2种探测系统的康普顿抑制因子差别更小一些，这主要是由于不同TAD探测器对高、低能反散射峰的抑制能力不同造成的。表1中计算的大部分技术指标高于相应的设计指标，这与各个系统结构中各个方向上留有的设计余量相关。

4小结

本文通过分析光子与探测器的基本作用过程，明确了反康普顿系统设计中应重点关注率先与主探测器相互作用的γ光子，并针对强放射源，讨论了反符合探测器设计时需要注意的关键环节；以CZT探测器为主探测器，BGO闪烁体为反符合探测器，设计了4π结构和准4π结构2种反康普顿探测系统；系统的整体外部尺寸可控制在φ20 cm×20 cm以内，总体质量约为70 kg，便携性显著增强。模拟计算表明，对于662 keV γ射线，4π结构和准4π结构反康普顿探测器系统的康普顿抑制因子分别为63和51；对于1 525 keV γ射线，4π结构和准4π结构反康普顿探测器系统的康普顿抑制因子分别为29和26。