反射層對NaI(Tl)閃爍體探測器探測效率的影響

袁 航 單 偉 趙夢薇 鄭 曉 鐘思潔

（核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

1 引言

閃爍體探測器作為一種常見的輻射探測設(shè)備，其探測機(jī)理是當(dāng)入射粒子（例如γ）進(jìn)入閃爍體中后，經(jīng)歷了光電效應(yīng)（探測的主要貢獻(xiàn)）、康普頓散射、電子—空穴對的形成等各種作用以及閃爍體內(nèi)部的微觀轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生一些能量比輻射低很多的光子， 由于發(fā)射的光微弱以至于無法通過肉眼觀察， 需要由光電倍增管的光陰極將其轉(zhuǎn)換為光電子再進(jìn)行倍增放大從而對入射粒子進(jìn)行探測。

NaI (Tl)作為一種重要的無機(jī)鹵化物閃爍體，由于它良好的特性 （3.67 g/cm3） 以及較高的發(fā)光效率（38 光子/keV），在輻射探測方面具有靈敏體積大、探測效率高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，同時(shí)由于NaI （Tl）閃爍體探測器具有操作簡單、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，使得該閃爍體探測器廣泛使用在核物理試驗(yàn)， 輻射監(jiān)測、油井勘探、醫(yī)療成像系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域[1]。

Monte Carlo 方法作為一種以概率論為指導(dǎo)的數(shù)值模擬方法，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為核物理研究方面的重要工具M(jìn)onte Carlo 方法被廣泛地應(yīng)用于探測器的研究中， 在之前的研究中探測距離、閃爍體的大小、入射的方向等均會影響到探測器的探測效率[2-9]。

在本次的模擬中， 使用Monte Carlo 方法計(jì)算了NaI (Tl)閃爍體探測器在不同反射層及不同反射層厚度下對探測效率的響應(yīng)，計(jì)算出了絕對探測效率和全能峰探測效率。 模擬了氧化鋁粉末 （Al2O3）、 鈦白粉（TiO2）作為反射層材料時(shí)的探測效率，同時(shí)使用一種使用較為廣泛的反射層材料——氧化鎂粉末（MgO）來作為參考，并基于此次的模擬結(jié)果，平衡反射層厚度對絕對探測效率以及全能峰探測效率的影響，對閃爍體探測器的反射層材料以及反射層厚度提出了優(yōu)化建議。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 MCNP 模型

在使用 Monte Carlo 方法 NaI （Tl）閃爍體探測器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，γ 放射源的能量被設(shè)定為662keV。

在模擬中考慮NaI （Tl）閃爍體探測器實(shí)際使用的情況，本文中所建立的NaI （Tl）閃爍體探測器的模型是一個(gè)封裝后的模型。 對于閃爍體的反射層，選擇使用氧化鎂粉末、氧化鋁粉末和二氧化鈦粉末來進(jìn)行對比，同時(shí)反射層的厚度從0.1 cm 到0.3 cm 以0.02 cm為間隔進(jìn)行遞增。 模擬的參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 MCNP 模擬所需參數(shù)

表2 反射層材料厚度

2.2 MCNP 模型

閃爍體探測器的探測效率反應(yīng)了閃爍體探測器探測輻射粒子的能力。 本文中采用探測器的絕對探測效率以及全能峰效率來反應(yīng)NaI （Tl）閃爍體探測器探測對入射粒子探測的性能。

絕對探測效率考慮的是對放射源所發(fā)射出的所有粒子，探測器測量到的計(jì)數(shù)值，計(jì)算公式如下所示：

式中，N 為NaI (Tl)閃爍體探測器受到入射粒子激發(fā)所產(chǎn)生的微弱脈沖計(jì)數(shù)；N0為放射源在探測時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的粒子總數(shù)。

NaI （Tl）閃爍體探測器的全能峰效率考慮的是對放射源所發(fā)射出的所有粒子，NaI （Tl）閃爍體探測器能譜中全能峰的計(jì)數(shù)，計(jì)算公式如下所示：

式中，N全能為 NaI （Tl）閃爍體探測器受到入射粒子激發(fā)， 在全能峰處的微弱脈沖計(jì)數(shù)；N0為放射源在探測時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的粒子總數(shù)。

圖1 NaI(Tl)閃爍體的MCNP 模型

3 結(jié)果與討論

根據(jù)圖1 和圖2 建立的探測器模型， 使用Monte Carlo 方法進(jìn)行了模擬計(jì)算得出了探測器的能譜。 模擬所得結(jié)果使用公式（1）和公式（2）來進(jìn)行計(jì)算 NaI （Tl）閃爍體探測器的絕對探測效率和全能峰探測效率，使用公式（3）計(jì)算探測器的相對探測效率，計(jì)算所得結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 仿真計(jì)算示意圖

圖3 不同反射層厚度下的絕對探測效率

由圖3 可知， 在不同反射層厚度的情況下，NaI(Tl)閃爍體探測器的相對探測銷量（絕對探測效率）會隨著反射層厚度的增加而有所起伏并有所提升，從0.1 cm 時(shí)的0.819%到0.3 cm 時(shí)的0.841%；同時(shí)使用MgO 粉末作為反射層時(shí)的絕對探測效率與使用Al2O3粉末的相比，在0.1 cm 反射層厚度的情況下相對探測效率低了0.003；與此同時(shí)，使用TiO2粉末時(shí)在絕對探測效率上要比使用其他兩種材料有所提升（0.001%）。由圖3 可見，增加反射層厚度能帶來更高的絕對探測效率， 在絕對探測效率的表現(xiàn)上，MgO 粉末、Al2O3粉末與TiO2粉末均可作為反射層材料，且會隨著反射層厚度的增加而提升絕對探測效率，同時(shí)使用TiO2粉末時(shí)的絕對探測效率要比使用其他兩種材料時(shí)略高。

在本文的模擬中使用的是 662 keV 的 γ 放射源，662 keV 處全能峰效率更能體現(xiàn)出模擬計(jì)算中NaI （Tl）閃爍體探測器對于該能量的入射γ 粒子的探測能力。

圖4 不同反射層厚度下的全能峰探測效率

由圖4 可知，使用不同反射層材料時(shí)探測器的相對探測效率（全能峰效率）是隨著反射層厚度的變化而變化的。 在圖4 中相對探測效率（全能峰效率）是隨著閃爍體反射層厚度的增加而減少， 從0.1 cm 時(shí)0.329%到0.3 cm 時(shí)的 0.327%；在 0.26 cm 的反射層厚度時(shí)， 使用 MgO 粉末作其全能峰探測效率為0.334%， 而使用Al2O3粉末時(shí)其全能峰探測效率是0.333%，使用TiO2粉末時(shí)為0.331%。 而其余反射層厚度范圍內(nèi)，使用MgO 粉末和Al2O3粉末時(shí)的全能峰探測效率基本上是一樣的，而使用TiO2粉末時(shí)全能峰探測效率要低于其他兩種材料。 根據(jù)上述不同的厚度下全能峰效率可知，MgO 粉末、Al2O3粉末與TiO2粉末均可作為反射層材料， 且會隨著反射層厚度的增加而降低全能峰探測探測效率， 同時(shí)使用TiO2粉末時(shí)的全能峰探測效率要比使用其他兩種材料時(shí)略低。

4 結(jié)論

通過 Monte Carlo 方法對 NaI （Tl）閃爍體探測器進(jìn)行了計(jì)算， 改變不同反射層材料的厚度計(jì)算出了NaI （Tl）閃爍體探測器的相對探測效率。 發(fā)現(xiàn)探測效率是會隨著反射層的增加而產(chǎn)生不同的變化， 根據(jù)絕對探測效率以及全能峰效率在不同反射層厚度下的具體結(jié)果， 同時(shí)為了平衡在不同反射層厚度下NaI （Tl）閃爍體探測器的絕對探測效率以及全能峰效率，本文建議在使用 MgO 粉末與 Al2O3粉末作為 NaI （Tl）閃爍體探測器的反射層材料時(shí)，在條件允許的情況下應(yīng)使用較薄的反射層厚度，例如0.1cm。