对GEANT4模型在2英寸×1.5英寸NaI(Tl)伽马探测器上的全面验证：效率校准与衰减测量

《Applied Radiation and Isotopes》：Comprehensive Validation of a GEANT4 Model for 2″×1.5″ NaI(Tl) Gamma Detector: Efficiency Calibration and Attenuation Measurements

NaI(Tl)探测器通过GEANT4蒙特卡洛模型验证，实验与模拟在能谱线位置、相对强度及效率曲线（MAE=2.03%，R2=0.952）和铅、铜、铝吸收体质量衰减系数方面高度吻合，证实仅电磁物理过程的模型即可满足辐射防护、仪器校准等应用需求。

　　

Fatima Ezzahra Arhouni|Mohammed Hakkar|Saad Ouakkas|Maged Ahmed Saleh Abdo|Aziz Boukhair

摩洛哥El Jadida的Chouaib Doukkali大学核、原子、分子、机械与能量物理实验室，邮编24000

摘要

掺铊的碘化钠（NaI(Tl)仍然是伽马射线光谱学和辐射监测应用中广泛采用的闪烁体材料。本研究对基于GEANT4的蒙特卡洛模型进行了全面的实验验证，该模型用于2英寸×1.5英寸的圆柱形NaI(Tl)探测器。该模拟框架使用标准伽马射线源（⁶⁰Co、²²Na、¹³⁷Cs、²⁴¹Am和¹⁵²Eu）在59.5-1408 keV能量范围内进行了基准测试。系统评估了铝、铜和铅吸收体的关键探测器性能参数，包括能量校准线性、半高宽（FWHM）分辨率、绝对和内在探测效率以及质量衰减系数。实验结果与模拟结果之间的统计比较显示，决定系数R² = 0.952，效率曲线的平均绝对误差为2.03%，这证明了仅使用电磁物理过程就能可靠地再现探测器响应。这些发现建立了一个可重复的验证协议，可用于核仪器、辐射防护和教育实验室环境中效率校准、屏蔽设计和质量保证，尤其是在无法获取广泛校准源的情况下。

引言

核仪器和剂量学的发展需要使用基础研究领域开发的现代技术。闪烁体在核物理中非常常见，并且被广泛用于辐射防护。掺铊的碘化钠晶体（NaI(Tl)是最常用的伽马射线探测闪烁体材料[1]。NaI(Tl)晶体的密度为3.67 g/cm³，有效原子序数Z_eff约为50。商业化的2英寸×1.5英寸NaI(Tl)探测器在662 keV（¹³⁷Cs）时的能量分辨率通常≤7.5% FWHM。由于这些特性，加上室温操作、机械坚固性和成本效益，NaI(Tl)被广泛应用于不需要高能量分辨率的伽马射线光谱学应用[2]、[3]。准确解释探测器的光谱性能，包括能量校准的线性、能量分辨率（FWHM）、光峰探测效率（绝对和内在效率）、峰到康普顿比以及光谱线形状，对于准确测量辐射至关重要。其中，探测器的效率在伽马射线的定量分析中非常重要[4]，因为它直接将观测到的计数率与源的活性相关联。效率通常通过实验确定或使用经验函数在宽能量范围内建模[5]。由于标准源价格昂贵，且从放射性源获得的能量峰数量有限，因此使用复杂的模拟工具也变得必不可少，以考虑粒子与物质的相互作用[6]、[7]。许多这些模拟代码基于蒙特卡洛方法，这些方法利用随机过程在实验不可能、难以进行或成本高昂的情况下提供非常精确的信息[8]、[9]、[10]。此外，由于计算机设备已经变得相当便宜，它们成为资源有限的小团队或实验室的研究重点。

先前的研究使用了不同的蒙特卡洛模拟方法对NaI(Tl)探测器进行了建模。Hurtado等人（2014年）首次尝试使用GEANT4对反向电极锗探测器（REGe）进行建模，以改进其效率校准程序[11]。Mouhti等人（2017年）使用MCNP4C代码进行了蒙特卡洛模拟，以评估球形和圆柱形NaI探测器的绝对效率，并得出结论，MCNP4C代码可以成功用于建模NaI(Tl)闪烁体的响应函数[12]。Yavuzkanat等人（2019年）使用基于Geant4的GATE模拟程序对NaI(Tl)探测器进行了模拟[13]，Tekin等人（2022年）使用蒙特卡洛N-Particle eXtended（MCNPX）对标准NaI(Tl)探测器进行了建模；该模型被证明是获取基本伽马射线屏蔽参数（如质量衰减系数）的有效工具[14]。

然而，许多现有的验证研究仅关注单一性能指标（例如仅效率或仅衰减），使用的能量范围有限（<500 keV或>1 MeV），或缺乏多指标的全面统计验证。虽然存在几个针对NaI(Tl)的GEANT4基准测试，但很少有研究在现实实验室条件下同时验证能量校准、分辨率、效率曲线和衰减系数，并进行定量不确定性分析。

本研究通过使用五个标准源（包括多线发射体¹⁵²Eu）在59.5-1408 keV范围内同时基准测试五个探测器性能指标（能量校准、FWHM分辨率、绝对/内在效率、光谱形状和质量衰减系数），提供了一个统一的验证框架。我们报告了定量一致性指标（R²、MAE），以实现可重复性和与未来研究的比较。我们的目标是证明，仅使用电磁物理过程（不涉及光子传输），GEANT4可以在辐射防护、质量保证和教育环境中实现足够的准确性，而在这些环境中无法进行完整的实验表征。

实验程序

实验在摩洛哥El Jadida的Chouaib Doukkali大学科学学院的核物理实验室进行，使用了一个商用2英寸×1.5英寸的圆柱形NaI(Tl)闪烁体探测器，该探测器与双碱光电倍增管（PMT）集成在一起。根据制造商的规格，探测器由直径38.1毫米、高度50.8毫米的NaI(Tl)晶体组成（密度=3.67 g/cm³

NaI(Tl)探测器的模拟

NaI(Tl)探测器的模拟使用了GEANT4代码（版本10.7.p01）的蒙特卡洛模拟方法进行，该代码在核仪器中的辐射-物质相互作用、辐射防护和医学物理领域已成为不可或缺的工具[16]。能够在日益复杂的数值模型中包含大量物理过程，使这些模型更加精确、可靠和具有预测性。它们还允许获取

结果与讨论

为了验证模拟探测器的一致性，使用了GEANT4代码来再现实验结果。下面展示了实验结果与模拟结果之间的比较。

图7显示了¹³⁷Cs、⁶⁰Co和²²Na源的实验光谱与GEANT4模拟光谱的比较。对于每种同位素，模拟光谱都根据其主伽马线对应的实验光峰高度进行了归一化（¹³⁷Cs为662 keV，²²Na为1173 keV等）

结论

本研究旨在使用标准准点伽马源（⁶⁰Co、²²Na、¹³⁷Cs、²⁴¹Am和¹⁵²Eu）在511–1332.5 keV能量范围内，验证GEANT4模型的2英寸×1.5英寸NaI(Tl)探测器。模拟光谱高保真地再现了实验光峰位置和相对强度。绝对和内在探测效率的定量比较显示，平均绝对误差（MAE）为2.03%，决定系数R² =

CRediT作者贡献声明

Fatima Ezzahra ARHOUNI：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件、资源、方法论、数据管理、概念化。Saad Ouakkas：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、概念化。Mohammed Hakkar：撰写 – 审稿与编辑、数据管理、概念化。Aziz Boukhair：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据管理、概念化。Maged Ahmed Saleh Abdo：撰写 – 审稿与编辑、数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

资金来源

本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。