適于強(qiáng)源測量的便攜式反康普頓γ探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雪松，倪建忠，余功碩，梁建峰，長孫永剛，張小林

(西北核技術(shù)研究所，西安710024)

反康普頓γ譜儀以優(yōu)秀的本底抑制性能在中子活化分析[1]、環(huán)境監(jiān)測[2-3]、基礎(chǔ)物理研究[4]及錒系元素分析[5]等對(duì)本底抑制要求較高的測量領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。反康普頓γ測量技術(shù)可以有效抑制γ測量中的固有康普頓坪區(qū)，顯著降低高能γ射線對(duì)低能γ射線的干擾，提高測量水平。反康普頓譜儀的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化一直是研究的重點(diǎn)之一。Niu等針對(duì)錐狀反符合探測器結(jié)構(gòu)，考查了主探測器與反符合探測器的相對(duì)位置對(duì)反康普頓效果的影響[6]。周春林等研究了測量源與主探測器的相對(duì)位置對(duì)反康普頓效果的影響，獲得了最優(yōu)位置[7]。Britton等采用蒙特卡羅方法模擬評(píng)估了3種不同無機(jī)閃爍體作為反符合探測器的優(yōu)劣[8]。目前，實(shí)驗(yàn)室使用的反康普頓γ譜儀普遍采用高純鍺探測器作為主探測器、環(huán)形碘化鈉閃爍體作為反符合探測器，加上外部屏蔽體后，設(shè)備龐大厚重，無法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式應(yīng)用。曾國強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一款高效緊湊的反康普頓譜儀[9]，但該設(shè)計(jì)僅對(duì)反符合電子學(xué)系統(tǒng)及多道譜儀進(jìn)行了高效緊湊的數(shù)字化改造，未對(duì)探測器部分進(jìn)行便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中國原子能科學(xué)研究院李立華等公開了“一種提高反康譜儀康普頓抑制因子的布局結(jié)構(gòu)”專利技術(shù)[10]，該結(jié)構(gòu)采用側(cè)面開口設(shè)計(jì)，可有效提高康普頓抑制因子，但主探測器采用高純鍺，使便攜性受到較大限制。便攜式反康普頓γ探測系統(tǒng)的相關(guān)研究報(bào)道較少。

反康普頓γ譜儀普遍用于測量弱放射源，主要目的是降低天然環(huán)境本底γ射線產(chǎn)生的康普頓平臺(tái)。在強(qiáng)放射環(huán)境下，若要獲得某些核素強(qiáng)度相對(duì)較弱的特征峰信息，就需要克服來自強(qiáng)放射源自身γ射線形成的康普頓平臺(tái)本底。反康普頓γ探測系統(tǒng)在強(qiáng)反射源測量中的典型應(yīng)用是在束測量實(shí)驗(yàn)，如瞬發(fā)γ中子活化分析及帶電離子束轟擊靶核的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所重離子加速器HIRFL末端配備的探測器系統(tǒng)[11]、CERN(European Organization for Nuclear Research)中心ATLAS探測器大裝置上配備的Gamma Sphere測量系統(tǒng)及其升級(jí)的GRETA系統(tǒng)[12]、英國和法國聯(lián)合研制的Eurogam在線測量裝置[13]等均使用了反康普頓γ探測系統(tǒng)。近年來，在核勘測、核事故和核應(yīng)急等領(lǐng)域中，強(qiáng)放射環(huán)境下的核素識(shí)別和定量技術(shù)對(duì)便攜式反康普頓γ譜儀的需求日益提高。碲化鎘(CdTe)、碲鋅鎘(CZT)、溴化鑭(LaBr3)等可工作于常溫的高分辨率探測器的出現(xiàn)，為便攜式反康普頓γ譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了必要的主探測器條件。

本文從分析γ射線與物質(zhì)相互作用的能量沉積過程入手，針對(duì)強(qiáng)放射源的測量，設(shè)計(jì)便攜式反符合探測器新結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了能譜模擬計(jì)算驗(yàn)證。

1γ射線能量沉積的關(guān)鍵過程分析

對(duì)于反符合設(shè)計(jì)，如果γ射線首先在反符合探測器上發(fā)生能量沉積，逃逸的散射γ射線又在主探測器上發(fā)生能量沉積，理論上講，該事件一定能被反符合剔除掉；如果逃逸的散射γ射線未在主探測器上沉積能量，則對(duì)主探測器能譜不會(huì)有任何貢獻(xiàn)，故在實(shí)際設(shè)計(jì)反符合系統(tǒng)時(shí)，不需考慮該過程，僅需要考慮那些首先在主探測器上發(fā)生部分能量沉積的γ射線的后續(xù)行為，即如果γ射線在逃逸后能有效地被反符合探測器阻止，則能夠被反符合剔除掉；否則，將形成康普頓本底。

γ射線與物質(zhì)相互作用的3種主要過程為光電效應(yīng)、康普頓散射效應(yīng)及電子對(duì)效應(yīng)。這3種效應(yīng)均對(duì)測量的γ能譜有貢獻(xiàn)。光電效應(yīng)會(huì)在主探測器上形成X射線逃逸峰(Eγ-Ek)，此峰可通過反符合過程進(jìn)行剔除。電子對(duì)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生單、雙逃逸峰，還會(huì)產(chǎn)生最高能量為1 022 keV的連續(xù)康普頓散射本底，這些也可以通過反符合過程進(jìn)行剔除。康普頓散射效應(yīng)形成康普頓散射本底的3個(gè)關(guān)鍵過程為：

3)康普頓散射先在主探測器上發(fā)生過程1)，逃逸γ射線接著在反符合探測器上發(fā)生康普頓散射過程2)，最后又回到主探測器上沉積能量。該過程主要以大角度散射為主，沉積能量處于背散射峰附近能區(qū)，疊加過程1)后，會(huì)增加中能區(qū)的康普頓坪。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜式反康普頓γ探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括探測器的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及屏蔽體設(shè)計(jì)3個(gè)部分。

2.1探測器的選取

選取主探測器需要兼顧分辨率、效率及實(shí)驗(yàn)保障條件。目前，CZT探測器對(duì)662 keV γ射線的分辨率可達(dá)1%，其平均原子序數(shù)約為50，密度約為5.8 g·cm-3，具有較高的探測效率。同時(shí)，CZT探測器是一款室溫探測器，不需要特別的實(shí)驗(yàn)保障條件。綜合各種因素，本文選擇CZT探測器作為主探測器。強(qiáng)放射源測量對(duì)于探測效率的要求不高，因此，1 cm×1 cm×1 cm的正方體狀CZT探測器基本上可以同時(shí)兼顧便攜性和分辨率要求。

反符合探測器需要體積小、效率高。無機(jī)閃爍體BGO晶體的平均原子序數(shù)約為74，密度約為7.1 g·cm-3，對(duì)γ射線的阻止本領(lǐng)很強(qiáng)，可作為反符合探測器。BGO具有較短的發(fā)光衰減時(shí)間，可以顯著提高脈沖通過率，對(duì)于強(qiáng)放射源測量，可有效避免探測器因計(jì)數(shù)率過高而癱瘓。綜合各種因素，本文選擇BGO探測器作為反符合探測器。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

康普頓抑制因子是反康系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一。目前，以高純鍺探測器為主探測器的反康探測系統(tǒng)中，用137Cs 662 keV γ射線測試的康普頓抑制因子通常為3～10[2,10,14-15]。因?yàn)榻^大部分常規(guī)放射性核素發(fā)射的γ射線能量主要集中在1.6 MeV以下，所以，本文選擇137Cs 662 keV γ射線及42K 1 525 keV γ射線的能譜作為模擬考核能譜，設(shè)定其康普頓抑制因子指標(biāo)分別為50和10。

反符合探測器設(shè)計(jì)為4π結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)，將主探測器置于反符合探測器內(nèi)。圖1為探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。反符合探測器分為頂部反符合探測器(TAD)、反符合環(huán)探測器(RAD)及底部反符合探測器(BAD)。為安放電子學(xué)部件，在RAD底面與BAD頂面之間預(yù)留1 cm的空間。由于TAD對(duì)低能γ射線有很強(qiáng)的阻止本領(lǐng)，會(huì)顯著降低低能γ射線的探測效率，因此， 4π結(jié)構(gòu)更適用于測量發(fā)射高能γ射線的強(qiáng)源。準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)可以兼顧低能γ射線測量，在其TAD中間設(shè)計(jì)一個(gè)開孔，可使能譜上康普頓邊緣及其附近小范圍的高能區(qū)無法有效反符合，從而形成前沿更陡的康普頓邊沿峰區(qū)。開孔直徑越小，峰區(qū)寬度越窄；當(dāng)不開孔時(shí)，就變成了4π結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此時(shí)的康普頓邊緣基本上被反符合剔除。

為使低能逃逸γ射線實(shí)現(xiàn)良好的反符合效果，需要盡可能減薄主探測器和反符合探測器的封裝材料，且應(yīng)使用低原子序數(shù)元素組成的材料。本文采用金屬鈹作為主探測器的外殼和反符合探測器的內(nèi)殼材料，金屬鈹?shù)暮穸染x為0.3 mm。

對(duì)反符合探測器的各個(gè)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各個(gè)部分均能將康普頓抑制因子降低到設(shè)定的康普頓抑制因子之內(nèi)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的康普頓抑制因子滿足設(shè)計(jì)要求。

(a)4π structure

(b)Quasi-4π structure

首先，對(duì)RAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)置RAD高度為主探測器邊長的5倍，即5 cm，將主探測器置于RAD的中心位置。假定放射源距離RAD上表面為3 cm，則主探測器對(duì)662 keV γ射線的效率約為10-4量級(jí)，可用于活度為108Bq的強(qiáng)放射源測量，如果測量更強(qiáng)的放射源，則可以適當(dāng)增大放射源與RAD上表面之間的距離。圖1(a)中，在來自主探測器的所有能夠水平散射的γ射線中，A點(diǎn)的散射角最大，為84.4°。以A點(diǎn)計(jì)算得到1 525 keV和662 keV γ射線對(duì)應(yīng)的散射γ射線能量分別為413 keV和305 keV，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，RAD的厚度要同時(shí)滿足將413 keV γ射線衰減到10%以下、將305 keV γ射線衰減到2%以下的要求。經(jīng)計(jì)算，RAD的厚度需為20 mm，考慮設(shè)計(jì)余量，可取為25 mm，則RAD外徑至少應(yīng)為70 mm。此時(shí)，若γ射線在A點(diǎn)散射，則穿越RAD最大長度的γ射線散射角為40°，1 525 keV和662 keV γ射線對(duì)應(yīng)的散射γ射線能量分別為898 keV和508 keV，穿越BGO的長度約為34 mm。由于滿足指標(biāo)要求所需穿越BGO的長度為45 mm，因此，需要將RAD外徑增大到90 mm。計(jì)算表明，若γ射線在B點(diǎn)散射，散射角為58.7°時(shí)，1 525 keV和662 keV γ射線的衰減量也能滿足指標(biāo)要求。對(duì)圖1(b)可同理進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

其次，對(duì)TAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1(a)中，當(dāng)主探測器的尺寸、位置及RAD的高度、內(nèi)徑均確定后，TAD接收到的來自主探測器的康普頓散射γ射線的散射角最小值為134.7°，1 525 keV和662 keV γ射線對(duì)應(yīng)的散射γ射線能量分別為251 keV和206 keV。計(jì)算表明，TAD的厚度為7 mm即可滿足衰減要求，考慮設(shè)計(jì)余量，可取為8 mm。對(duì)于圖1(b)的準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)，當(dāng)TAD外徑尺寸設(shè)定為40 mm時(shí)，TAD接收到的來自主探測器的康普頓散射γ射線的散射角最小值為134.4°，由圖1(a)的分析結(jié)果可知，TAD的厚度為8 mm可以滿足設(shè)計(jì)需求。

最后，對(duì)BAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。若設(shè)RAD外徑為90 mm，厚度為50 mm，則圖1中，當(dāng)γ射線在A點(diǎn)散射時(shí)，BAD接收到的散射γ射線的散射角最大值約為40°。此時(shí)，1 525 keV和662 keV γ射線對(duì)應(yīng)的散射γ射線能量分別為898 keV和508 keV，穿越BGO的距離約35 mm。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)的阻止能力不能滿足指標(biāo)要求。當(dāng)γ射線在B點(diǎn)散射時(shí)，BAD接收到的散射γ射線的散射角最大值為48.4°。此時(shí)，1 525 keV和662 keV γ射線對(duì)應(yīng)的散射γ射線能量分別為761 keV和461 keV，穿越BGO的距離約27 mm。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)的阻止能力也不能滿足指標(biāo)要求。當(dāng)BAD外徑增加到100 mm時(shí)，雖然對(duì)于A點(diǎn)和B點(diǎn)的阻止本領(lǐng)仍不能完全滿足技術(shù)指標(biāo)，但這2個(gè)點(diǎn)屬于極端情況，發(fā)生的總體概率不大，對(duì)康普頓抑制因子的影響較小，因此，本文將BAD的外徑設(shè)定為100 mm。對(duì)于向下的散射，γ射線的散射角趨近于0°時(shí)，散射γ射線的能量幾乎沒有損失。計(jì)算表明，若BAD同時(shí)滿足將662 keV γ射線衰減到2%以下、將1 525 keV γ射線衰減到10%以下的指標(biāo)要求，則BAD底部的厚度應(yīng)為64 mm。考慮到BAD主要是抑制低能康普頓坪，而能量低于50 keV的本底不是本文重點(diǎn)關(guān)注的能區(qū)，所以，選定BAD底部的厚度為60 mm即可。

2.3屏蔽體設(shè)計(jì)

由圖1可見，反符合探測器的晶體尺寸較大，具有較高的探測效率，強(qiáng)放射源發(fā)射的高強(qiáng)度γ射線會(huì)導(dǎo)致輸入計(jì)數(shù)率過大，偶然符合概率顯著增加。為了克服該缺點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)帶有準(zhǔn)直功能的外部屏蔽體。以4π結(jié)構(gòu)的反康普頓探測系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)的屏蔽體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2與4π結(jié)構(gòu)反康普頓探測系統(tǒng)匹配的屏蔽體結(jié)構(gòu)Fig.2Shield design matching the anti-Comptondetection system with 4π-structure

圖2中，外部屏蔽體采用鉛或鎢合金，外部尺寸控制為φ20 cm×20 cm，采用三段式設(shè)計(jì)，兼顧屏蔽效果和便攜性。同時(shí)，考慮到屏蔽體上會(huì)激發(fā)出X射線，增加偶然符合概率，因此，從外到內(nèi)依次設(shè)計(jì)了Cu，Al及有機(jī)玻璃(PMMA) 3層結(jié)構(gòu)。Cu層厚度為3 mm，可將80 keV的X射線強(qiáng)度衰減到1%以下。Al層厚度為1 mm，可將Cu的7.5 keV X射線強(qiáng)度衰減到1%以下。PMMA層厚度為1 mm，可將Al的1.4 keV X射線強(qiáng)度衰減到1%以下。該設(shè)計(jì)可以顯著降低反符合探測器的計(jì)數(shù)率，減小偶然符合的概率。同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際使用情況增加頂部準(zhǔn)直孔長度，有效控制進(jìn)入探測器系統(tǒng)的γ射線強(qiáng)度，使各探測器工作在合適的計(jì)數(shù)率范圍內(nèi)，減小偶然符合概率。根據(jù)圖2設(shè)計(jì)估算，4π結(jié)構(gòu)反康普頓探測系統(tǒng)的總體質(zhì)量約為70 kg，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的反康普頓譜儀系統(tǒng)質(zhì)量(大于1 000 kg)，便于移動(dòng)攜帶。

3模擬計(jì)算

采用Geant4程序?qū)Ρ疚脑O(shè)計(jì)的2種結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)的能譜進(jìn)行了模擬計(jì)算。假定主探測器和反符合探測器的封裝材料均為厚度為0.3 mm的Be，將前置放大器電路部分等效為厚度為2 mm 的C。CZT探測器材料密度選為4.78 g·cm-3，Cd，Zn，Te的質(zhì)量份額分別為0.410 2， 0.042 1， 0.547 7。能峰半高寬按照全能峰能量的1%計(jì)算。BGO的相關(guān)參數(shù)均采用Geant4材料庫中的參數(shù)值。模擬計(jì)算得到662 keV和1 525 keV γ射線在2種結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)上的能譜，分別如圖3至圖6所示。

圖34π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)上662 keV γ射線的模擬能譜Fig.3Calculation spectrum of 662 keV γ-ray (4π structure)

由圖3和圖4可見，對(duì)于662 keV γ射線，4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)及準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)均表現(xiàn)出了較好的康普頓抑制效果，圖4中存在一個(gè)明顯的康普頓邊沿峰，這與第2.2節(jié)的分析相符。

圖4準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)上662 keV γ射線的模擬能譜Fig.4Calculation spectrum of 662 keV γ-ray (quasi-4π structure)

圖54π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)上1 525 keV γ射線的模擬能譜Fig.5Calculation spectrum of 1 525 keVγ-ray (4π structure)

圖6準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)上1 525 keV γ射線的模擬能譜Fig.6Calculation spectrum of 1 525 keV γ-ray (quasi-4π structure)

由圖5和圖6可見，對(duì)于1 525 keV γ射線，4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)及準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)的模擬能譜，均表現(xiàn)為雙逃逸峰比較明顯、單逃逸峰被淹沒的現(xiàn)象，其主要原因是主探測器較小，對(duì)正電子湮沒產(chǎn)生的511 keV γ射線的阻止本領(lǐng)較小，逃逸概率顯著增大。圖6中存在康普頓邊沿峰，進(jìn)一步驗(yàn)證了第2.2節(jié)的分析結(jié)果。

根據(jù)康普頓抑制因子的計(jì)算原則，選取50～484 keV能區(qū)，積分計(jì)算662 keV γ射線的康普頓抑制因子；選取50～1 313 keV能區(qū)，積分計(jì)算1 525 keV γ射線的康普頓抑制因子，計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1康普頓抑制因子的計(jì)算結(jié)果Tab.1Compton suppression factors calculatedby two system structures

由表1可見，總體上講，對(duì)于同一能量的γ射線，準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)與4π結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)得到的康普頓抑制因子差別不大，這與第2.2節(jié)的分析吻合，且對(duì)于1 525 keV γ射線，2種探測系統(tǒng)的康普頓抑制因子差別更小一些，這主要是由于不同TAD探測器對(duì)高、低能反散射峰的抑制能力不同造成的。表1中計(jì)算的大部分技術(shù)指標(biāo)高于相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，這與各個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)方向上留有的設(shè)計(jì)余量相關(guān)。

4小結(jié)

本文通過分析光子與探測器的基本作用過程，明確了反康普頓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注率先與主探測器相互作用的γ光子，并針對(duì)強(qiáng)放射源，討論了反符合探測器設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；以CZT探測器為主探測器，BGO閃爍體為反符合探測器，設(shè)計(jì)了4π結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)2種反康普頓探測系統(tǒng)；系統(tǒng)的整體外部尺寸可控制在φ20 cm×20 cm以內(nèi)，總體質(zhì)量約為70 kg，便攜性顯著增強(qiáng)。模擬計(jì)算表明，對(duì)于662 keV γ射線，4π結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)反康普頓探測器系統(tǒng)的康普頓抑制因子分別為63和51；對(duì)于1 525 keV γ射線，4π結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)4π結(jié)構(gòu)反康普頓探測器系統(tǒng)的康普頓抑制因子分別為29和26。