用于核法医学的多重符合实验装置，配备硅条探测器和康普顿抑制的高纯锗（HPGe）探测器

《Journal of Environmental Radioactivity》：Multi-coincidence set-up for nuclear forensics with Si-strip and Compton-suppressed HPGe detectors

检测系统开发及环境样本中放射性同位素识别研究 摘要：开发了结合单侧硅strip检测器（SSSD）、高纯锗（HPGe）COMPEX探测器模块及反康普顿屏蔽（ACS）的系统，实现α-β-γ射线 coincidence分析，显著提升低活度环境样本检测灵敏度，成功识别Th-232衰变链多代次放射性同位素，验证其在欧洲光源（ESS）等核设施环境监测中的应用潜力。

　　在当前的环境监测和核物理研究中，高精度的辐射探测系统扮演着至关重要的角色。这类系统不仅需要具备出色的能量分辨率和灵敏度，还应能有效处理复杂的信号背景，从而实现对放射性核素的精确识别。为此，一项结合了单面硅条探测器（SSSD）和高纯度锗探测器（HPGe）模块及其反康普顿屏蔽（ACS）的综合探测系统在瑞典隆德大学得到了开发与应用。该系统主要用于对环境样本中的α、β和γ射线进行同步测量，显著提升了对放射性核素识别的准确性。

### 一、研究背景与意义

放射性核素的检测对于理解环境中的辐射水平、评估潜在健康风险以及监控核设施的安全性至关重要。特别是在涉及核设施的运行和事故应急响应的情况下，这种能力尤为关键。以欧洲中子源（ESS）为例，该设施作为全球重要的中子散射实验平台，其运行过程中会生成多种放射性核素，包括来自天然衰变链（如232Th）的产物。因此，对这些核素的精确检测不仅有助于评估正常运行时的环境影响，还为潜在事故的应急响应提供了数据支持。

ESS的运营许可要求其必须通过源监测和环境监测来确保放射性物质排放对公众的辐射影响控制在合理范围内。这涉及对放射性物质在空气、土壤、水等环境介质中的分布和浓度进行评估。同时，由于ESS的运行可能带来一系列复杂且多样化的放射性核素，特别是像148Gd这样的α发射体，其在空气中的存在形式可能会对工作人员和公众构成潜在风险。因此，开发一种能够有效识别这些核素的高灵敏度探测系统具有重要的现实意义。

### 二、探测系统设计与工作原理

该探测系统的核心是将单面硅条探测器与高纯度锗探测器相结合，辅以反康普顿屏蔽，以减少背景干扰并提高信号清晰度。单面硅条探测器具有32条平行条带，覆盖面积为60×60毫米，厚度为1.0毫米，条带间距为75微米。这种设计使得探测器能够以较高的效率捕捉低能电子和α粒子等信号。而高纯度锗探测器则由四个立方形晶体组成，尺寸为50×50×50毫米，能够提供高能量分辨率的γ射线谱。此外，反康普顿屏蔽由28个掺杂锗的BGO晶体组成，用于抑制康普顿背景并提高检测的准确性。

为了实现高灵敏度的同步测量，该系统还采用了多同步数据采集机制。这一机制允许系统在不同的探测器之间捕捉信号，并通过时间关联分析来区分不同的辐射事件。例如，当α或β粒子被硅条探测器捕捉时，系统会记录随后的γ射线事件，并通过时间窗口筛选，以确定这些事件是否为同步事件。这种同步方法不仅提高了对核素的识别能力，还显著增强了对复杂环境样本中低浓度放射性物质的检测效果。

### 三、数据采集与处理

为了实现这一目标，系统采用了多种数据采集模块，包括用于信号处理的CSP-32和MSCF-16模块，以及用于时间记录的CAEN V775模块。这些模块能够提供高分辨率的时间信息，并确保信号的准确记录。此外，系统还采用了采样ADC模块（如SIS3302）来记录来自高纯度锗探测器的信号，这些信号通过时间同步处理后，可以用于后续的分析。

数据采集系统通过一个基于VME的PC平台进行控制，运行的软件为Multi-Branch System（MBS），该系统能够处理大量数据并提供高效的分析功能。所有采集的数据都以列表模式存储，便于后续的离线分析。在测量过程中，系统能够根据粒子的能量阈值自动触发数据采集，并通过时间信号来确保事件的同步记录。这种设计使得系统能够在复杂的环境样本中保持高效率和高精度。

### 四、实验方法与环境样本

为了验证该探测系统的性能，研究团队采集了一种典型的环境样本——来自通风空间的氡子体。这种样本通过使用F&J Model DF-12L-400M-Li-MSB系统采集，时间长达19.5小时，采样流量为每分钟10升。在采集过程中，系统持续监测氡浓度，并记录其在样本中的分布情况。最终，样本被放置在距离硅条探测器约1毫米的位置，并进行为期七天的测量。

通过这种样本采集方法，系统能够检测到不同放射性核素的衰变路径，并根据其能量特征进行识别。例如，对于来自232Th衰变链的核素，系统能够区分其在衰变过程中的不同能量特征，并利用这些特征进行识别。这种分析方法不仅适用于氡子体，还可推广至其他环境样本，包括自然和人为来源的放射性核素。

### 五、数据分析与结果

在数据处理阶段，研究团队使用了Go4分析框架，该框架基于ROOT软件，能够高效处理和分析高维数据。通过对采集数据的校准，系统能够区分不同能量的γ射线事件，并进一步分析其同步特性。例如，在207Bi校准源的测试中，系统能够识别出γ射线的康普顿背景，并通过反康普顿屏蔽和回溯算法将其从信号中分离出来，从而提高信号与噪声的比值。

对于环境样本的分析，系统通过同步事件识别，将不同核素的衰变路径和能量特征分离出来。例如，212Bi的β衰变会引发212Po的γ射线发射，而208Tl的α衰变则会引发其子体的γ射线发射。通过这种方式，系统能够识别出不同核素的衰变过程，并据此评估其在环境中的分布和浓度。

### 六、研究意义与未来展望

该研究的成果表明，结合单面硅条探测器和高纯度锗探测器的同步探测系统在环境监测中具有显著优势。它不仅能够提高对放射性核素的识别能力，还能有效减少背景干扰，提高检测的准确性。此外，该系统在复杂环境样本中的应用潜力巨大，为未来的环境监测和核设施安全评估提供了可靠的技术支持。

展望未来，研究团队计划对现有系统进行升级，以进一步提高其性能。例如，将单面硅条探测器替换为双面硅条探测器（DSSD），以减少死层厚度并提高探测效率。此外，团队还计划增加另一个高纯度锗探测器模块，以进一步提高对γ射线的检测能力。这些改进将使系统能够更全面地分析环境样本中的放射性核素，并提供更精确的数据支持。

### 七、结论

综上所述，结合单面硅条探测器和高纯度锗探测器的同步探测系统在环境监测和核物理研究中展现出巨大的潜力。其高能量分辨率、高灵敏度和良好的背景抑制能力，使得该系统能够有效识别和分析环境样本中的放射性核素。通过实际应用和进一步优化，该系统有望成为未来环境监测和核设施安全评估的重要工具。