基于蒙特卡洛模拟的60Co源γ-γ角关联符合相加谱精确计算方法研究

针对γ能谱分析中符合相加效应导致的峰计数失真问题，研究人员通过改进PENELOPE蒙特卡洛程序，建立了一种考虑γ-γ角关联的符合相加谱计算方法。该方法通过卷积单独模拟的光子相互作用概率谱，成功重建了60Co源的符合相加谱，为复杂衰变核素的能谱校正提供了普适性解决方案。

　　

在核物理与辐射探测领域，γ能谱分析是揭示物质组成和核反应机制的关键技术。然而，当放射性核素通过级联衰变发射多个γ光子时，这些光子可能因符合相加效应（Coincidence Summing）在探测器中同时沉积能量，导致特征光峰计数率异常——或丢失真实计数，或产生虚假峰。这种现象对⁶⁰Co等常见放射源（发射1173.2 keV和1332.5 keV级联γ射线）的定量分析造成显著干扰。传统蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟因逐粒子追踪的局限性，难以直接模拟符合相加过程，而现有校正方法往往忽略γ光子间的角关联（Angular Correlation）这一物理本质。

为解决这一难题，来自（阿根廷）国立科尔多瓦大学辐射光谱实验室的研究团队创新性地开发了一种基于PENELOPE程序包的MC模拟方法。该方法通过分步模拟单能γ光子的相互作用概率谱，再结合角关联函数进行卷积计算，首次实现了对⁶⁰Co源符合相加谱的精确重建。相关成果发表于《Applied Radiation and Isotopes》，为复杂衰变核素的能谱解析提供了新范式。

关键技术方法包括：1）使用PENELOPE程序分别模拟1173.2 keV（E₁）和1332.5 keV（E₂）光子的空间分布与相互作用概率；2）依据核衰变理论构建γ-γ角关联函数；3）通过坐标变换将E₂光子发射方向与E₁关联；4）对概率谱进行卷积运算生成符合相加谱。实验验证采用直径2.5 cm、活性1.63 kBq的⁶⁰Co源与HPGe探测器系统。

【理论】
研究阐明了级联γ光子角关联的物理机制：对于⁶⁰Co的β^-衰变（终态核自旋为4⁺→2⁺→0⁺），其角关联函数W(θ)=1+0.102P₂(cosθ)+0.0091P₄(cosθ)，其中P_n为勒让德多项式。这一特性导致光子对的空间分布呈现各向异性。

【计算方法论】
创新点在于将符合相加谱表达为单能光子作用概率的卷积积分：S_sum(E)=∫P₁(E')P₂(E-E')dE'，其中P_i通过MC模拟获得。为保持物理真实性，E₂光子发射方向需满足与E₁的角关联约束。

【蒙特卡洛模拟】
模拟中记录E₁光子的初始位置和方向矢量，E₂光子则从同一点发射，但其方向根据角关联函数随机抽样。通过修改PENELOPE的penmain子程序实现该逻辑。

【仪器与实验】
实测使用0.4 mm铝屏蔽的⁶⁰Co源，与模拟结果对比显示：1173.2 keV峰计数因符合相加损失约12%，而1332.5 keV峰附近出现明显的相加连续谱，验证了方法的准确性。

【结论与意义】
该研究建立了首个考虑角关联的符合相加谱计算框架，其优势在于：1）适用于任意几何形状放射源；2）可扩展至三光子级联情形；3）为HPGe探测器能效校准提供新工具。作者特别指出，忽略角关联会导致相加谱计算偏差达8%，这在核医学示踪剂定量、环境放射性监测等领域具有重要应用价值。致谢中提及Edgardo Bonzi博士对英文文稿的贡献，体现了跨国科研合作的必要性。