使用 PHITS 和 MCNP5 对高纯锗探测器效率进行带有真符合累加修正的优化蒙特卡洛建模

《Applied Radiation and Isotopes》：Optimized Monte Carlo Modeling of HPGe Detector Efficiency with True Coincidence Summing Corrections Using PHITS and MCNP5

　　

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  优化的HPGe几何参数与测量效率之间的偏差约为2%。
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  改进的死层厚度和晶体间距提升了0-9厘米范围内的蒙特卡洛模拟精度。
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  PHITS的关联发射模型与P-TReCK-TCS的平均偏差在0.3%以内。
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  Co-60的TCS校正因子对几何简化不敏感。
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  经验证的蒙特卡洛工作流为重复校准提供了一种经济高效的替代方案。

引言

高纯锗（HPGe）探测器凭借其卓越的能量分辨率和高峰康比，在伽马射线能谱分析中仍然是黄金标准，即使在复杂光谱中也能精确识别和定量微量放射性核素 [1]、[2]、[3]。它们在环境放射性监测、核保障核查、医用同位素识别以及其他需要高精度伽马射线测量的应用中不可或缺 [4]、[5]、[6]、[7]。放射性核素的精确量化从根本上依赖于对探测器全能量峰效率（FEPE）的准确了解，FEPE定义为入射伽马射线将其全部能量沉积在探测器灵敏体内并被记录在相应全能量峰中的概率。在传统实践中，FEPE通过在若干特征伽马射线能量上使用认证放射性标准源进行实验测定，并利用这些离散测量数据构建能量依赖的效率校准曲线。尽管这种方法仍是准确性的参考标准，但受限于高昂的成本、严格的法规要求、放射性标准源的有限半衰期，以及标准要求与样品基体和测量几何密切匹配的需求。这些限制降低了灵活性，并显著增加了在各种测量场景中效率校准的成本 [1]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

因此，蒙特卡洛（MC）模拟已作为一种强大且经济高效的补充（或替代）实验校准的方法而兴起。一旦建立了详细的探测器模型并经过测量验证，蒙特卡洛方法即可快速、灵活地预测几乎所有能量、几何条件或样品基体下的FEPE [1]、[8]、[10]、[13]、[14]、[15]。MCNP、PHITS、Geant4和FLUKA等广泛使用的通用输运程序在精确了解探测器几何结构的前提下，均可实现高精度的预测 [16]、[17]、[18]、[19]。然而，由于不可避免的制造公差（例如晶体在端盖内的定位导致晶体与窗口距离不同）和老化效应（例如前死层的逐渐增厚），制造商指定的尺寸往往与实际探测器存在差异 [20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。这些差异可能严重降低模拟效率，尤其是在低能量或近距离几何条件下。因此，反复优化探测器模型直至模拟效率与实验数据匹配已成为常规做法。一个经过良好优化的模型可以放心地用于常规校准和临时情况，大幅减少了对多种物理标准源的需求。

基于蒙特卡洛的效率建模中持续存在的挑战是如何正确处理真实符合求和（TCS）。在伽马射线能谱分析中，准确的效率计算从根本上依赖于评估放射性源在探测器灵敏体积所张的几何立体角，并考虑光子在中间吸收体和样品基体中的衰减 [29]、[30]、[31]。在源至探测器距离较短的情况下——通常用于最大化低活度或环境样品的几何效率和计数效率——TCS效应更加显著，因为来自单次衰变的多个级联光子在系统分辨时间内被探测到的概率增加，从而扭曲光峰计数并产生求和峰 [1]、[8]、[30]、[31]、[32]、[33]。传统的蒙特卡洛模拟将发射的光子独立处理且不保留其衰变关联，无法考虑TCS效应，导致对Co-60、Ba-133和Eu-152等级联发射体的FEPE产生系统性高估。虽然专用软件如GESPECOR [8]、[34] 长期以来一直提供TCS效应的严格处理，但现代通用程序如PHITS [35] 和Geant4 [36]、[37]、[38] 现在也包含了放射性衰变关联辐射发射的原生功能或成熟的扩展功能。然而，这些功能尚未被普遍采用，许多工作流仍依赖于非关联光子源。通过原生关联衰变或P-TReCK-TCS [39] 等互补简化工具（适用于点源和小面积圆盘源），整合空间校正和符合求和校正，可使模型在各种样品几何条件下实现精确的效率预测，而无需依赖重复的物理标准源校准。

在本研究中，使用PHITS和MCNP5对ORTEC GEM系列HPGe探测器进行了建模，TCS效应通过PHITS的关联发射功能直接处理，或在MCNP5中通过P-TReCK-TCS生成的校正因子间接处理。首先通过调整前死层厚度和晶体至窗口距离来优化探测器几何参数，以匹配在多个源至探测器距离下获得的实验FEPE数据。随后将该优化模型在两种程序中实现，模拟从接触几何（0厘米）到源至探测器距离9厘米的探测器响应，考虑到符合求和效应，实现了更广泛的实验验证，并允许对Co-60的两种不同TCS效应处理方法进行定量比较。结果表明，通过几何参数优化和适当的TCS处理可以实现准确的HPGe效率建模，支持可靠的探测器表征，同时减少了对物理校准标准源的依赖。

章节摘要

实验

使用了一个多核素点源校准标准源（Eckert & Ziegler），该标准源为圆盘形，活性沉积物直径约3毫米，底座圆盘直径为25.4毫米，用于实验伽马射线能谱采集和效率校准。该源包含Cs-137（3.13 kBq）、Co-60（3.72 kBq）和Am-241（3.77 kBq），每种核素的声明活度标准不确定度约为1.2%。该源的层状结构从上到下依次为铂支撑箔（0.0254毫米）、聚酰亚胺薄膜

探测器模型优化

HPGe探测器模型中的前死层厚度和晶体至端盖窗口距离基于实验FEPE数据进行了迭代优化，如图4所示。死层厚度利用Am-241的59.5千电子伏伽马射线进行细化，该射线平均自由程短，对亚毫米至毫米级层的优化高度敏感。来自Cs-137和Co-60的高能伽马射线与该层的相互作用较小，因此对于

结论

本研究成功开发并验证了一个ORTEC GEM系列p型同轴HPGe探测器的蒙特卡洛模型，使用PHITS和MCNP5，在所研究的放射性核素和几何条件下实现了约2.1%的平均相对偏差，对Co-60在使用PHITS和MCNP5后分别为2.0%和1.7%，前提是适当处理了真实符合求和效应。通过优化关键几何参数，具体将前死层厚度设定为1.3毫米并

CRediT作者贡献声明

Joseph Michael D. Racho：撰写–审阅与编辑、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式化分析、概念化。Arvin M. Jagonoy：撰写–审阅与编辑、验证、资源、方法论、调查、形式化分析、概念化。Alvie A. Astronomo：撰写–审阅与编辑、监督、软件、方法论、形式化分析、概念化。Deo Angelo T. Gealone：撰写–初稿，

数据可用性

数据应要求提供。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本工作的准备过程中，作者使用了由xAI开发的AI工具Grok，以提高论文的易读性。使用该工具后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对出版物内容承担全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作主要由DOST-菲律宾工业、能源与新兴技术研发委员会（DOST-PCIEERD）资助和监管，项目编号：1213067，2025年。

Deo Angelo T. Gealone|Charlotte V. Balderas|Frederick C. Hila|Mary Margareth T. Bauyon|Joseph Michael D. Racho|Arvin M. Jagonoy|Alvie A. Astronomo