基于Geant4蒙特卡罗模拟的Mazinger高纯锗γ能谱仪真符合相加效应校正研究及其在天然与人工放射性核素分析中的应用

本刊推荐：为解决高探测效率γ能谱仪Mazinger因反符合配置导致的真符合相加（TCS）效应显著问题，研究人员通过Geant4蒙特卡罗模拟计算了228Ac、134Cs等核素的TCS校正因子（最高达1200%），成功实现活度准确测定，对低本底放射性分析具有重要意义。

　　

在环境监测、核安全监管和放射性医学等领域，准确测定放射性核素的活度至关重要。高纯锗（HPGe）γ能谱仪因其出色的能量分辨率而被广泛应用，但高探测效率系统常面临一个棘手问题——真符合相加（True-Coincidence-Summing, TCS）效应。当核素同时发射多个γ光子时，这些光子可能在探测器内发生符合事件，导致能谱峰计数失真，活度测定值严重偏低。传统的点源低效率测量方法难以适用于复杂几何和高效率系统，而理论计算又因系统配置复杂而充满挑战。

由西班牙萨拉曼卡大学离子辐射与年代测定实验室的D. Romero-Fuentes、R. Rivas-Gómez和B. Quintana-Arnés组成的研究团队，针对自主研制的高效低本底γ能谱系统Mazinger，开展了深入的TCS效应校正研究。Mazinger系统由两个HPGe探测器、两个NaI(Tl)反康普顿环以及塑料闪烁体反缪子 veto 探测器构成，采用全反符合模式工作。这种设计虽能有效降低本底，却加剧了TCS效应，因为任何在符合时间窗内多探测器同时触发的事件都会被剔除。研究人员利用Geant4蒙特卡罗模拟工具，成功实现了对Mazinger的精确建模和TCS校正因子的计算，并对多种天然和人工放射性核素进行了验证。该研究成果发表在《Applied Radiation and Isotopes》上，为高效γ能谱系统的准确活度测定提供了重要技术支撑。

研究主要采用了以下关键技术方法：首先通过实验获取效率刻度数据，并基于Geant4构建包括探测器、屏蔽体和放射源的完整模型；利用模拟计算全能峰效率，并通过与实验数据对比验证模型的准确性；采用立方B样条拟合方法建立能量-效率校准曲线；通过模拟核素衰变和光子发射，计算各特征γ射线的TCS校正因子；最后将校正因子应用于实际样品活度测定，并与参考值进行统计学比较。

1. 引言

Mazinger系统是一种高效低本底γ能谱仪，由两个HPGe探测器和多个反符合探测器组成。其反符合配置虽然有效抑制了本底，但导致TCS效应显著增强，使得传统校正方法不再适用。本研究通过Geant4模拟，旨在建立适用于该系统的TCS校正方法。

2. 方法

研究人员通过四个步骤完成研究：实验数据采集与模拟实现、全能峰效率计算与验证、核素衰变数据验证、TCS校正因子计算与验证。实验中使用了多种校准源（如¹³³Ba、¹⁵²Eu等），并在模拟中详细构建了探测器和屏蔽体的几何模型。通过模拟单能光子和核素衰变，分别计算无TCS影响的效率和实际探测效率，进而推导出校正因子。不确定性分析考虑了计数统计和强度偏差。

3. 结果与讨论

模拟效率与实验值高度吻合（平均偏差约1.09%），验证了模型的可靠性。能量-效率校准曲线在32–1520 keV范围内拟合良好（χ2=3.967）。TCS校正因子计算显示，对于多γ发射核素（如¹³⁴Cs的563 keV峰校正因子达12.528），校正后的活度值与参考值一致性显著提高（如²¹⁴Bi校正后t统计量仅为0.216）。唯有⁶⁰Co因高能γ射线和反符合环模拟偏差出现轻微过校正。讨论指出，TCS效应导致计数统计误差增大，是活度准确定量的内在挑战。

4. 结论

本研究成功实现了Mazinger系统的Geant4建模和TCS效应校正，解决了反符合配置下活度测定低估的问题。校正因子最高达1200%，应用后显著提升了多种核素（如²²⁸Ac、¹⁵²Eu等）活度测量准确性。该方法为高效γ能谱系统的标准化分析提供了可靠解决方案，对环境放射性监测和核技术应用具有重要意义。