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1、HPGe 伽马谱仪的源峰探测实验结果分析本实验通过对标准源伽马能谱的测量得出HPGe伽马谱仪的源峰探测效率， 同时也对HPGe伽马谱仪的源峰探测效率进行了 MCNP模拟，模拟的结果表明 由于厂商给出的探测器尺寸不够精确从而导致了模拟结果和实验结果相差很大， 通过调节探测器的死层，铝包层，距离等参数使模拟结果与实验值的趋势相同。 在双对数坐标下同时也可以看出在能量大于 200keV 效率与能量大致成线性关 系，同时由此给出效率随能量变化关系形式，通过origin8计算给出拟合结果。4.1 实验过程4.1.1 标准源实验使用的标准源分别是60Co, 137Cs, 133Ba和152Eu，其中152
2、Eu和133Ba 所包含的射线能量较多基本覆盖了从能量几十keV到MeV的能量范围，是较为 理想的效率刻度标准源。源的半径为1mm，源的活度、质量等具体信息见表4.1。表 4.1 标准源详细信息表核素源号质量g活度Bq/mg误差（1 0）活度Bq活度uCi日期Eu-1515#0.0383185.0.6%132193.5732000-524092-25Co-606#0.091925.50.3%847632.291200-6-5915Cs-13Cs101相对扩展不2.2%1.07E2014-172-3确定度(k=2)51-05Ba-1303092相对扩展不2.0%2.13E2012-033确定度(
3、k=2)48-074.1.2 实验实验对标准源进行了 5cm，15cm，25cm 三个距离的测量工作，同时对本底 也进行了测量，通过测量获得了效率刻度源的能谱图。测量详细过程如表 4.2。 测量中为确保统计误差在 1%以内，全能峰的计数保持在 104 以上。表 4.2 测量明细表距离标准源存谱文件名5 cmEu-152存 Eu-152-5cm1206124115cm存 Eu-152-10cm1206124825cm存 Eu-152-15cm120613005 cmCs-137存 Cs-137-5cm1206133715cm存 Cs-137-10cm1206132525cm存 Cs-137-15
4、cm120613125 cmBa-133存 Ba-133-5cm1206142115cm存 Ba-133-10cm1206140925cm存 Ba-133-15cm120613575 cmCo-60存 Co-60-5cm1206143415cm存 Co-60-10cm1206144125cm存 Co-60-15cm120614535 cm本底存 bendi5cm1206142815cm存 bendi5cm1206150425cm存 bendi5cm12061453有机玻璃套筒J图 4.1 测量装置示意图進图 4.1 为测量装置示意图，其中图中右侧的有机玻璃套筒是为了方便源的放 置而设计的，主要
5、是为了放置源位置的错动以减少源位置的误差，套筒的对光子 的散射可以忽略不计。杜瓦瓶中装有液氮，通过铜棒对HPGe晶体进行制冷。其 中探头部分也集成了前置放大器、偏压线路等。从杜瓦瓶前端线路出来脉冲信号 经过放大器、多道分析器进入到PC机中形成能谱图形。4.2效率计算与MCNP模拟4.2.1 源的活度计算实验日期为 2014 年 12月 6日，由此可根据放射源的原活度计算出实验时源的活度。表 4.3 源的活度计算核素源号半衰期活度A0日期日期与实验日期Eu-15215#1年573i3Bq922000.5.25间隔修5d=14.534yCo-606#5.2714847632000.6.1514y+
6、174d=14.477yCs-137Cs1012-330.171.07E52014.11.0531d=0.0849yBa-13303092310.512.13E42012.08.072y+121d=2.332yA = A e -九t,尢=0T4.1)12所以各个源的活度为：A(Co-60)=12638BqA(Cs-137)=1.0679E5BqA(Eu-152)=62938BqA(Ba-133)=1.8265E4Bq4.2.2 效率计算在效率计算中主要使用了 ORTEC MAESTRO-32 读谱软件，该软件连同多道 缓冲器(MCB )和计算机对多道分析器进行了仿真，具有强大的功能和灵活性。
7、多道缓冲器主要的功能是进行脉冲幅度分析，计算机操作系统作为显示设备用于 数据归档。 MAESTRO 软件在这些部件之间形成相互联系的桥梁，通过软件的用 户界面和计算机硬件可以读取多道缓冲器的内容。在该软件的用户界面中能够显 示实验所测量得到的能谱并进行多种操作比如寻峰，计算峰面积，显示所关心的 区域的相关信息等等。在本次计算中由于需要计算探测器的探测效率，所以主要 使用了软件的寻峰功能和计数率的计算。寻峰和峰面积的计算使用了软件的内置 函数来扣除康普顿背景，净计数率的计算时净计数除以活时间，若死时间过大则 会导致数据的不可靠应尽量避免。如图4.1 所示为一个能谱的峰，其计数包含两 个部分，一个
8、是净计数An和康普顿背景B，总计数Ag为两部分的和。q为第i 道的计数， l 为峰的下限道址， h 为峰的上限道址15。背景的计数如下定义：B 二(因 C + 工 C ) h -】+ 1(4.1)-! i - h - 2 i6总计数由下式确定：A 二工C(4.2)gii = l图 4.2 能谱分析图修正的峰总计数是所有峰道址的总计数之和但是不包括峰道址之外的背景 计数：A-t 3cagii-l+3(4.3)则净面积的计算公式为：A - A B(h - l - 5)nag(h - l + 1)( 4.4)净面积的的不确定度是由修正的峰总计数的不确定度的平方根总和以及修 正的背景的权重误差所决定的
9、。背景的不确定度的权重是由修正峰宽度和用来计 算修正背景的道址数的比率来确定。所以净峰面积的不确定度为：Ih - l - 5 h - l - 5b A = ；A + B（6）（1）（4.5）Allag6h l + 1使用 ORTEC MAESTRO-32 读谱软件对测得的能谱进行寻峰可以得到放射 源的全能峰净计数率npi，为减少统计误差，对于强度很小的能量点不进行计算。 通过分析选取 13 个能量点为（keV）： 80.94、121.88、125.01、276.72、303.19、 356.4、 384.22、 444.87、 662、 779.17、 867.65、 964.35、 1112
10、.34。根据公式（2.2） 可以计算出探测器的源峰探测效率。在寻峰过程中可以看到有偶然符合相加效 应，即60Co的能谱图中可以观察到2.5MeV能量处有一个计数峰，由此可以推 测出该峰即是放射源的1.17MeV和1.33MeV能量偶然符合相加效应所引起的即 和峰效应，当距离增大时和峰效应逐渐消失。MCNP 模拟中主要是厂商给出的高纯锗尺寸与实际尺寸不相符，所以在模拟 过程中需要改变探测器的某些参数，特别是死层的影响，死层是由于 Li 在扩散 中形成的非灵敏部分，由于是 Li 在 Ge 晶体中的扩散形成的所以其密度大致和 Ge 晶体相当，所以具有较大的吸收系数，特别在低能情况下尤为敏感。在低能
11、区可以看到探测效率随着能量的降低有一个很大的衰减，这是由于死层厚的较大 所导致的。另外，由于实验中源的位置未能得到精确测量，所以在模拟过程中虽 然得到模拟和实验的效率相差不多，但是模拟和实验的源距离探头的距离不同， 在表格中所标的距离分别就是实验和模拟中的放射源距离探头的距离。模拟使用E8能量间隔卡，将能量分成512个间隔去为每个间隔计数，使用 F8脉冲幅度卡来统计每一次在晶体灵敏区中的能量损失，模拟粒子数为1E7个, 基本能达到统计误差在 1%以内。在模拟中的源是单能的，全能峰也没有经过高 斯展宽处理，所以模拟出的全能峰几乎没有展宽。其输出文件（见附录2）中的 能谱概率部分即为光子在Ge晶体
12、中的能量损失在相应能量区间中的个数占总的 光子发射数的份额，由源峰探测效率的计算公式来看，全能峰相应能量处的份额 即为源峰探测效率。同时使用 mode p e 即光子电子耦合输运过程，为节约计算 时间，电子在铅砖中的输运过程略去，即将其权重设为0。另外，在模拟中铅室 以外的空间部分光子的输运过程对效率的影响极小，所以在这一部分中将其设置 为真空，并且光子和电子的权重俱设置为0，在计算中涉及到这一部分的光子和 电子将不予计算，从而提高计算时间，同时也不会影响效率的计算。在实验过程 中由于源位置的测量的不精确，所以在模拟中仅仅为了表现探测器探测效率的一 种趋势并且和实验效率的趋势做一个对比，在数值
13、上和实验值并无严格意义上的 对比关系。从模拟值和实验值可以看到，通过对探测器死层的调整，可以得到模 拟值和实验值几乎相同的变化趋势。实验和模拟结果如表 4.4、表 4.5 和表 4.6 所示：序号E(keV)实验效率（5cm）实验误差MCNP(6.5cm)MCNP误差180.970.021331.36E-040.022284.72E-052121.920.036389.63E-050.036016.00E-053245.030.029371.96E-040.030455.52E-054276.740.02883.31E-040.028095.30E-055303.230.026661.82E-
14、040.02625.12E-056356.420.024238.65E-050.023424.84E-057384.250.023672.25E-040.022184.71E-058444.370.019143.17E-040.019924.46E-0596620.015612.43E-050.014843.85E-0510779.190.013028.59E-050.013173.63E-0511867.650.011951.82E-040.012253.50E-0512964.350.011247.98E-050.011473.39E-05131112.340.010357.10E-050.010313.21E-051412000.009833.13E-051513000.009293.05E-051614000.008812.97E-051715000.008352.89E-05序号E(keV)实验效率（15
