基于N型同轴HPGe探测器获取过滤X射线注量谱

2022-04-25周红召刘海侠宋明哲李志远

原子能科学技术 2022年4期

周红召，刘海侠,*，宋明哲，孙涛，李志远

(1.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205;2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

依照ISO 4037-1标准[1]建立的过滤X射线参考辐射可开展X/γ剂量(率)仪能量响应和剂量校准等实验。平均能量、分辨率以及空气比释动能到辐射实用量(周围剂量当量、定向剂量当量和个人剂量当量)的转换系数是过滤X射线参考辐射的重要参数，这些参数的推荐值由ISO 4037-1和ISO 4037-3标准[2]给出。实际工作中，为满足部分实验特殊需求，需建立标准以外的参考辐射(如平均能量约130 keV的窄谱射束)。由于缺少推荐值，在建立这些参考辐射时需获取射束的注量谱，以计算平均能量、分辨率和转换系数等参数。

X射线注量谱通常用探测器测量X射线得到脉冲幅度谱，建立探测器响应矩阵，并开展解谱计算来得到[3]。由于X射线能量较低，一般采用入射端窗较薄的半导体探测器进行测量。Nogueira等[4]用HPGe探测器测量了诊断X射线的脉冲幅度谱，并用剥谱法获得了注量谱。Hakanen等[5]用平面HPGe探测器测量了N-10～N-60窄谱射束的脉冲幅度谱，并进行了解谱计算。Fritz等[6]用CdZnTe探测器测量了3种高压下的过滤X射线脉冲幅度谱。Kurková等[7]用CdTe探测器测量了N-60～N-150窄谱射束脉冲幅度谱，并用解析方法建立的响应矩阵计算了注量谱。Teng等[8]用PIPS探测器获取了L-20和L-30低空气比释动能射束以及N-15～N-30窄谱射束的注量谱。

本文采用HPGe探测器测量N-40～N-250窄谱系列参考辐射，使用Geant4[9-11]模拟探测器对放射源的响应并用实测能谱进行验证，建立其响应矩阵，并通过MAXED[12]软件开展解谱计算，进而计算空气比释动能到周围剂量当量H*(10)和个人剂量当量HP(10)的转换系数，并与ISO 4037-3推荐值进行对比，验证注量谱获取方法的准确性。

1 脉冲幅度谱测量

用于过滤X射线脉冲幅度谱测量的是Canberra公司GR1039型N型同轴HPGe探测器。电子学系统采用Canberra-Inspector2000型数字化8k多道分析器，能谱测量分析软件为Genie2000。将HPGe探测器置于屏蔽准直体内以降低散射影响。入射端采用2 cm铅准直器，开孔直径1 mm，距准直器中心1 cm。使用中国原子能科学研究院计量测试部的N-40～N-250窄谱系列过滤X射线参考辐射进行测量。通过三维激光定位装置将探测器前表面固定在距离X光机焦点2.5 m处，并保证探测器轴向与射束轴向重合。测量结果示于图1。

图1 窄谱系列X射线脉冲高度谱Fig.1 Pulse height spectra of narrow series filtered X-ray reference radiation

2 响应矩阵建立

2.1 探测器建模

Geant4软件具有开源、使用灵活、计算效率高和图形引擎优异等优点，其对光子-电子耦合输运的计算准确性已得到了广泛验证[13-15]。图2为Geant4软件所建HPGe探测器几何模型。绿色为HPGe晶体，黄色为铝，外层淡绿色为聚乙烯。直径1 mm的平面源中心到探测器轴线距离1 cm，距探测器端窗表面15 cm。PhysicsList采用G4EmStandardPhysics_option4，通过获取每一步(step)产生的能量沉积以计算初始粒子(event)在探测器内的总能量沉积Ei。

图2 HPGe探测器几何模型Fig.2 HPGe detector geometric model

2.2 能量展宽

受载流子数量统计涨落和电子学噪声等影响，脉冲幅度谱全能峰具有一定展宽。由于Geant4无法计算载流子输运过程，采用Geant4计算探测器对单能光子的响应时，为得到与实际相符的脉冲幅度谱，需对沉积能量Edep进行高斯抽样，抽样标准差σ与脉冲幅度谱半高宽FWHM的关系见式(1)，FWHM可根据式(2)计算。

(1)

(2)

测量241Am、133Ba、152Eu、57Co、54Mn和60Co源能谱，计算主要峰位的FWHM，并用式(1)拟合，得到a=1.098 keV，b=0.019 81 keV1/2，c=0.000 495 5 keV-1，结果示于图3。根据拟合所得参数和入射光子能量通过式(1)、(2)计算σ。

图3 FWHM与能量拟合曲线Fig.3 Fitted curve of FWHM and energy

2.3 实验验证

利用建立的探测器模拟133Ba、57Co、152Eu和137Cs源的脉冲幅度谱，并与实测谱进行比较，如图4所示。其中实测谱已扣除本底，4个放射源分别以80.998、122.061、121.782、661.657 keVγ射线全能峰峰高进行归一化。由图4可知，采用Geant4所建模型对133Ba、57Co、152Eu和137Cs放射源的脉冲幅度谱模拟结果与实测结果在峰位、FWHM以及各分支γ射线的相对峰高等方面吻合较好，验证了Geant4所建模型及能谱计算方法的准确性。

图4 Geant4模拟与实测放射源脉冲幅度谱对比Fig.4 Comparison of pulse height spectra between Geant4 simulation and experimental measurement

2.4 响应矩阵

使用Geant4所建模型计算响应矩阵，即探测器对各单能光子的响应。以一定间隔选取部分计算结果并绘制三维图，建立的响应矩阵如图5所示。根据光子能量和分辨率，将入射光子分为4～45、20～125、40～310 keV 3段，分别间隔0.2、0.5、1 keV，以分别对应N-40、N-120和N-300以下的过滤X射束。