LBr3(Ce)伽马射线光谱学中与距离相关的真正符合总和的实验验证与蒙特卡罗评估

《Radiation Measurements》：Experimental Validation and Monte Carlo Evaluation of Distance-Dependent True Coincidence Summing in LaBr 3(Ce) Gamma-Ray Spectrometry

　　

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  使用RayXpert和EFFTRAN确定了LaBr₃(Ce)探测器的TCS校正因子，涵盖了不同的源到探测器距离。
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  应用TCS校正后，在4厘米的距离处，实验效率与蒙特卡洛模拟结果之间的吻合度在3%以内，这是TCS效应最大的距离。
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  TCS效应随距离的增加而系统性地减小，在8厘米及以上的距离时可以忽略不计。
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  观察到TCS的幅度严重依赖于衰变方案的复杂性。
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  对于大多数能量，校正后的实验效率与蒙特卡洛模拟结果之间的吻合度在1%以内。

引言

伽马射线光谱技术在环境放射性、核安全、医学物理和工业应用中得到了广泛使用。定量伽马射线测量的准确性在很大程度上取决于探测器的性能和效率校准的可靠性（Lopes等人，2026年；Hila等人，2026年）。传统的无机闪烁探测器，如NaI(Tl)和CsI(Tl)，虽然具有较高的检测效率，但能量分辨率相对较低；而半导体高纯锗(HPGe)探测器虽然提供了更好的能量分辨率，但需要低温冷却，并且采购和运营成本较高（Uyar，2023年）。Van Loef等人（2001年）报告了LaBr₃(Ce)卓越的闪烁性能，包括其高光产额（约63,000光子/MeV）、快速衰变时间（约16纳秒）和优异的能量分辨率（在662 keV时约为2.8%），这表明它作为高分辨率伽马射线光谱探测器的潜力。自那时起，LaBr₃(Ce)探测器因无需低温冷却即可提供高光谱性能而成为HPGe探测器的有力竞争者（Tain等人，2015年；Hasan等人，2021年）。

尽管有这些优势，但使用LaBr₃(Ce)探测器进行的定量测量仍然受到真实符合叠加（TCS）的影响，特别是在计数几何结构较近的情况下。TCS发生在同一核衰变过程中发射的两个或多个级联伽马射线在采集系统的分辨时间内被检测到时，导致事件被合并或分开计算（Vidmar等人，2014年）。因此，测得的全能量峰面积与其真实值不符，从而导致活性测定和探测器效率校准出现系统误差。在低水平环境放射性测量中，准确的效率校准尤为重要，因为即使是小的系统误差也会显著影响放射性核素的定量精度（Debertin和Helmer，1988年）。叠加效应的幅度主要取决于放射性核素的衰变方案、探测器效率以及探测器所张的立体角，而这些都与源到探测器的距离直接相关。蒙特卡洛粒子模拟已成为评估探测器响应和计算符合叠加效应的重要工具（Knezevic等人，2022年；?elik等人，2015年）。一旦开发出准确的探测器模型，就可以为不同的测量几何结构计算校正因子，而无需进行大量的实验测量。这种方法减少了实验工作量，同时提供了对几何依赖性TCS效应的系统评估（Hila等人，2026年；?elik等人，2026年）。

尽管基于蒙特卡洛的方法已被广泛用于伽马射线光谱学中的真实符合叠加（TCS）校正（Vidmar等人，2011年；Lépy等人，2010年；Dhibar等人，2016年），但系统研究LaBr₃(Ce)闪烁探测器TCS校正因子与距离依赖性的研究仍然较少（Dhibar等人，2016年）。?elik等人（2015年）在EGS4蒙特卡洛软件包中开发了一种基于Mortran的代码，用于计算不同源到探测器距离下¹³⁴Cs的TCS校正因子，验证了蒙特卡洛方法的有效性，并展示了TCS校正因子与距离的依赖性。最近，?elik（2026年）系统研究了²¹⁴Bi HPGe探测器中TCS校正因子与探测器几何结构的依赖性。尽管这些研究涉及HPGe探测器，但它们为理解测量几何结构如何影响TCS效应提供了宝贵见解，并强调了在中等分辨率探测器（如LaBr₃(Ce)）中需要特定的几何校正因子的必要性。鉴于这些发现，源到探测器的距离和探测器几何结构显然都影响TCS效应，这突显了需要针对具体使用的探测器评估TCS的重要性。结合实验验证和蒙特卡洛模拟的全面评估在广泛的源到探测器距离范围内仍较为有限（Agarwal等人，2011年；Lépy等人，2024年）。

在本研究中，使用实验测量和蒙特卡洛模拟（针对多个点伽马射线源）研究了LaBr₃(Ce)闪烁探测器的真实符合叠加校正因子。实验测量在4厘米和10厘米的源到探测器距离下进行。为了确保所有放射性核素的计数几何结构相同，使用了一个定制的塑料定位器来在整个测量过程中保持恒定的源位置和立体角。这些实验数据用于验证蒙特卡洛探测器模型，随后该模型被用来计算2到10厘米范围内、间隔为2厘米的源到探测器距离的TCS校正因子。这种结合实验和计算的方法能够系统地评估真实符合叠加效应与距离的依赖性，并为超出实验范围的其他测量几何结构提供可靠的校正因子。

部分片段

理论

真实符合叠加（TCS）是伽马射线光谱学中的一种现象，当来自同一放射性衰变的两条或更多级联伽马射线在采集系统的分辨时间内被检测到时发生（Gilmore，2008年）。这些符合的光子不会作为单独的全能量事件记录，而是产生一个对应于沉积能量总和的单个脉冲。因此，单个全能量峰的强度会减小（即发生事件分离）。

实验设置

在本研究中，使用了配备LaBr₃(Ce)闪烁晶体和Hamamatsu R6231光电倍增管(PMT)的SGC BriLance 380系列探测器进行伽马射线光谱测量。LaBr₃(Ce)探测器及其组件的尺寸见表1。

这些尺寸的RayXpert建模如图1所示。数据采集(DAQ)系统包括Canberra Model 3102D高压电源和Canberra Model 2025 AFT光谱放大器。

结果与讨论

图2展示了来自RayXpert模拟的样本光谱。该图显示了单能（参考）和衰变源（受TCS影响）配置下的模拟计数率(CPS)与能量的关系。从这些光谱中提取的全能量峰计数率用于使用方程（1）计算光峰效率和TCS校正因子，蒙特卡洛模拟中未启用高斯能量展宽(GEB)选项。

结论

本研究通过实验测量和RayXpert及EFFTRAN软件的蒙特卡洛模拟系统研究了LaBr₃(Ce)闪烁探测器的真实符合叠加（TCS）效应。

图2中的实验光谱与图3中的RayXpert模拟光谱之间的差异是由于模拟中未应用高斯能量展宽(GEB)所致。由于本研究的主要目标是准确

CRediT作者贡献声明

Ege Can Karanfil：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、方法论、数据分析。Senem Zümrüt Demirel：撰写 – 审稿与编辑、软件、数据分析。?brahim Demirel：撰写 – 审稿与编辑、初稿编写、软件、资源管理、方法论、数据分析

利益冲突

声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

在本研究中，使用了市售的licensed RayXpert? 3D蒙特卡洛建模软件（许可证编号：259603270，用户：UNIV TURKIYE）进行模拟。该软件是由IAEA通过IAEA RER 0049技术合作项目为安卡拉大学核科学研究所购买的。作者还感谢AU NBE研究所提供的基础设施和测量设备，这些对于实现研究目标至关重要。

?brahim Demirel|Senem Zümrüt Demirel|Ege Can Karanfil