使用Geant4模型估算HPGe探测器的死层厚度

《Radiation Measurements》：Geant4 Model to Estimate the Dead Layer Thickness of the HPGe Detector

高纯锗（HPGe）探测器通过Geant4蒙特卡洛模拟优化死层厚度（实测1.05mm，较厂商数据偏厚0.35mm），验证模型采用点源（152Eu）和体积混合源（125Eu+232Th），全峰效率测量误差小于5%，证实模型可用于效率校正及几何修正。

　　

Kafa Al-Khasawneh|Yasser Alsenjlawi|Hadeel Abu-Hejleh|Muflih Alkarazneh

约旦研究与培训反应堆，约旦

摘要

开发了一种高纯度锗（HPGe）探测器的仿真模型。根据全峰检测效率的测量结果修改了探测器的参数，并调整了死层厚度，以达到超过5%的匹配度。使用点源和扩展体积源对Geant4模型进行了验证。验证过程表明，所开发的Geant4模型适用于全峰检测效率的计算以及任何额外的几何和符合性校正。

引言

在约旦研究与培训反应堆（JRTR）的中子活化分析实验室（NAA），使用高纯度锗（HPGe）探测器来测量辐照样品的活性；这是因为其具有高分辨率和可接受的检测效率[1]。因此，准确理解探测器性能对于精确测量活性至关重要[1][2]。为了进行活性测量，必须详细进行能量校准和全峰检测效率的计算。实验上，这是通过使用覆盖感兴趣能量范围的多线伽马射线标准来完成的，并且可以通过拟合测量数据来推断全能量谱的效率响应[2][3]。在许多实际情况下，使用这种方法计算出的活性需要校正符合性效应；如果这些标准的几何形状和密度与测量样品不同，则必须估计并应用几何校正因子和自吸收校正因子[4][5][6][7]。如今，蒙特卡洛方法被广泛用于研究HPGe探测器的响应，并估计几何校正因子、自吸收校正因子和符合性校正因子[8][9][10][11][12][13][14]。蒙特卡洛方法的一个例子是Geant4（Geometry AND Tracking），它是在CERN开发的一个多用途面向对象的仿真工具包，用于准确模拟粒子与物质的相互作用，覆盖广泛的能量范围[15]。

为了构建一个可靠的Geant4仿真模型，需要准确了解探测器的制造参数。一个重要的参数是死层厚度，这在考虑低能伽马射线时非常重要。死层是锗晶体外表面的一层薄层，已知其不均匀且对伽马辐射不敏感[16][17][18]。这层厚度的大小取决于锗晶体、杂质水平和制造工艺。由于温度和操作效应，死层厚度会随时间增加[1]，并且可以通过X射线或伽马射线扫描放射成像来实际测量[19]。也可以通过将测量得到的探测器效率值与仿真值进行比较来确定死层厚度。然而，这种方法无法展示死层的不均匀性[19][20][21][22][23][24][25]。

在JRTR的NAA实验室，使用同轴P型HPGe探测器来测量中子辐照后的样品活性。根据样品活性，指定了三个不同的测量位置：SN03、SN05和SN07，分别距离探测器端盖80毫米、160毫米和200毫米。本研究的目的是使用Geant4为HPGe探测器开发一个简单的蒙特卡洛模型，以估计面向被计数样品的锗晶体外表面的死层厚度。通过将三个计数位置的实验检测效率与仿真模型得到的结果进行比较来估计死层厚度。此外，还使用点源和体积混合源对仿真模型进行了验证，以达到大约5.0%的精度。

部分摘录

HPGe探测器系统与校准源

NAA实验室的HPGe探测器是ORTEC GEM系列，P型同轴结构，相对效率为40%，在1.33 MeV时的能量分辨率为1.85 keV。制造商提供的HPGe组件如图1所示，其标称尺寸列在表1中[26]。

为了进行效率校准，使用了一组能量范围从59.54 keV到1332.5 keV的点源。所有使用的点源均由Erikt和Zegliers提供，不确定性为3%（2σ）

验证

基于伽马射线能量和样品几何形状对Geant4模型和死层厚度进行了验证。在这方面，在三个计数位置对¹⁵²Eu点源进行了计数。选择了121 keV、344 keV和1048 keV的伽马线进行比较，因为它们的伽马发射相对较高且能量范围较广。表2显示了测量值（M），该值是根据参考源的直接测量计算得出的

结论

构建了一个简单的Geant4模型来计算P型同轴HPGe探测器的检测效率。通过将Geant4的计算结果与实验结果进行比较来估计外层死层厚度。测量得到的死层厚度为1.05毫米，比制造商数据中提到的标称值厚0.35毫米。然后使用两个源（¹²⁵Eu点源和体积混合源）对获得的死层厚度进行了验证，以进行三次测量

作者贡献声明

Kafa Al-Khasawneh：撰写——原始草稿、验证、监督、方法论、概念化。Yasser Alsenjlawi：撰写——审阅与编辑、验证。Hadeel Abu-Hejleh：撰写——审阅与编辑、验证。Muflih Alkarazneh：撰写——审阅与编辑、验证

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢约旦研究与培训反应堆（JRTR）的工作人员为样品测量过程提供的便利。