基于N型同軸HPGe探測(cè)器獲取過(guò)濾X射線(xiàn)注量譜

周紅召，劉海俠,*，宋明哲，孫 濤，李志遠(yuǎn)

(1.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205;2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

依照ISO 4037-1標(biāo)準(zhǔn)[1]建立的過(guò)濾X射線(xiàn)參考輻射可開(kāi)展X/γ劑量(率)儀能量響應(yīng)和劑量校準(zhǔn)等實(shí)驗(yàn)。平均能量、分辨率以及空氣比釋動(dòng)能到輻射實(shí)用量(周?chē)鷦┝慨?dāng)量、定向劑量當(dāng)量和個(gè)人劑量當(dāng)量)的轉(zhuǎn)換系數(shù)是過(guò)濾X射線(xiàn)參考輻射的重要參數(shù)，這些參數(shù)的推薦值由ISO 4037-1和ISO 4037-3標(biāo)準(zhǔn)[2]給出。實(shí)際工作中，為滿(mǎn)足部分實(shí)驗(yàn)特殊需求，需建立標(biāo)準(zhǔn)以外的參考輻射(如平均能量約130 keV的窄譜射束)。由于缺少推薦值，在建立這些參考輻射時(shí)需獲取射束的注量譜，以計(jì)算平均能量、分辨率和轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)。

X射線(xiàn)注量譜通常用探測(cè)器測(cè)量X射線(xiàn)得到脈沖幅度譜，建立探測(cè)器響應(yīng)矩陣，并開(kāi)展解譜計(jì)算來(lái)得到[3]。由于X射線(xiàn)能量較低，一般采用入射端窗較薄的半導(dǎo)體探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。Nogueira等[4]用HPGe探測(cè)器測(cè)量了診斷X射線(xiàn)的脈沖幅度譜，并用剝譜法獲得了注量譜。Hakanen等[5]用平面HPGe探測(cè)器測(cè)量了N-10～N-60窄譜射束的脈沖幅度譜，并進(jìn)行了解譜計(jì)算。Fritz等[6]用CdZnTe探測(cè)器測(cè)量了3種高壓下的過(guò)濾X射線(xiàn)脈沖幅度譜。Kurková等[7]用CdTe探測(cè)器測(cè)量了N-60～N-150窄譜射束脈沖幅度譜，并用解析方法建立的響應(yīng)矩陣計(jì)算了注量譜。Teng等[8]用PIPS探測(cè)器獲取了L-20和L-30低空氣比釋動(dòng)能射束以及N-15～N-30窄譜射束的注量譜。

本文采用HPGe探測(cè)器測(cè)量N-40～N-250窄譜系列參考輻射，使用Geant4[9-11]模擬探測(cè)器對(duì)放射源的響應(yīng)并用實(shí)測(cè)能譜進(jìn)行驗(yàn)證，建立其響應(yīng)矩陣，并通過(guò)MAXED[12]軟件開(kāi)展解譜計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算空氣比釋動(dòng)能到周?chē)鷦┝慨?dāng)量H*(10)和個(gè)人劑量當(dāng)量HP(10)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并與ISO 4037-3推薦值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證注量譜獲取方法的準(zhǔn)確性。

1 脈沖幅度譜測(cè)量

用于過(guò)濾X射線(xiàn)脈沖幅度譜測(cè)量的是Canberra公司GR1039型N型同軸HPGe探測(cè)器。電子學(xué)系統(tǒng)采用Canberra-Inspector2000型數(shù)字化8k多道分析器，能譜測(cè)量分析軟件為Genie2000。將HPGe探測(cè)器置于屏蔽準(zhǔn)直體內(nèi)以降低散射影響。入射端采用2 cm鉛準(zhǔn)直器，開(kāi)孔直徑1 mm，距準(zhǔn)直器中心1 cm。使用中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部的N-40～N-250窄譜系列過(guò)濾X射線(xiàn)參考輻射進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)三維激光定位裝置將探測(cè)器前表面固定在距離X光機(jī)焦點(diǎn)2.5 m處，并保證探測(cè)器軸向與射束軸向重合。測(cè)量結(jié)果示于圖1。

圖1 窄譜系列X射線(xiàn)脈沖高度譜Fig.1 Pulse height spectra of narrow series filtered X-ray reference radiation

2 響應(yīng)矩陣建立

2.1 探測(cè)器建模

Geant4軟件具有開(kāi)源、使用靈活、計(jì)算效率高和圖形引擎優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)光子-電子耦合輸運(yùn)的計(jì)算準(zhǔn)確性已得到了廣泛驗(yàn)證[13-15]。圖2為Geant4軟件所建HPGe探測(cè)器幾何模型。綠色為HPGe晶體，黃色為鋁，外層淡綠色為聚乙烯。直徑1 mm的平面源中心到探測(cè)器軸線(xiàn)距離1 cm，距探測(cè)器端窗表面15 cm。PhysicsList采用G4EmStandardPhysics_option4，通過(guò)獲取每一步(step)產(chǎn)生的能量沉積以計(jì)算初始粒子(event)在探測(cè)器內(nèi)的總能量沉積Ei。

圖2 HPGe探測(cè)器幾何模型Fig.2 HPGe detector geometric model

2.2 能量展寬

受載流子數(shù)量統(tǒng)計(jì)漲落和電子學(xué)噪聲等影響，脈沖幅度譜全能峰具有一定展寬。由于Geant4無(wú)法計(jì)算載流子輸運(yùn)過(guò)程，采用Geant4計(jì)算探測(cè)器對(duì)單能光子的響應(yīng)時(shí)，為得到與實(shí)際相符的脈沖幅度譜，需對(duì)沉積能量Edep進(jìn)行高斯抽樣，抽樣標(biāo)準(zhǔn)差σ與脈沖幅度譜半高寬FWHM的關(guān)系見(jiàn)式(1)，F(xiàn)WHM可根據(jù)式(2)計(jì)算。

(1)

(2)

測(cè)量241Am、133Ba、152Eu、57Co、54Mn和60Co源能譜，計(jì)算主要峰位的FWHM，并用式(1)擬合，得到a=1.098 keV，b=0.019 81 keV1/2，c=0.000 495 5 keV-1，結(jié)果示于圖3。根據(jù)擬合所得參數(shù)和入射光子能量通過(guò)式(1)、(2)計(jì)算σ。

圖3 FWHM與能量擬合曲線(xiàn)Fig.3 Fitted curve of FWHM and energy

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用建立的探測(cè)器模擬133Ba、57Co、152Eu和137Cs源的脈沖幅度譜，并與實(shí)測(cè)譜進(jìn)行比較，如圖4所示。其中實(shí)測(cè)譜已扣除本底，4個(gè)放射源分別以80.998、122.061、121.782、661.657 keVγ射線(xiàn)全能峰峰高進(jìn)行歸一化。由圖4可知，采用Geant4所建模型對(duì)133Ba、57Co、152Eu和137Cs放射源的脈沖幅度譜模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在峰位、FWHM以及各分支γ射線(xiàn)的相對(duì)峰高等方面吻合較好，驗(yàn)證了Geant4所建模型及能譜計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

圖4 Geant4模擬與實(shí)測(cè)放射源脈沖幅度譜對(duì)比Fig.4 Comparison of pulse height spectra between Geant4 simulation and experimental measurement

2.4 響應(yīng)矩陣

使用Geant4所建模型計(jì)算響應(yīng)矩陣，即探測(cè)器對(duì)各單能光子的響應(yīng)。以一定間隔選取部分計(jì)算結(jié)果并繪制三維圖，建立的響應(yīng)矩陣如圖5所示。根據(jù)光子能量和分辨率，將入射光子分為4～45、20～125、40～310 keV 3段，分別間隔0.2、0.5、1 keV，以分別對(duì)應(yīng)N-40、N-120和N-300以下的過(guò)濾X射束。

圖5 響應(yīng)矩陣示意圖Fig.5 Sketch map of response matrix

3 解譜計(jì)算

解譜計(jì)算使用MAXED軟件完成。該軟件由德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)開(kāi)發(fā)，采用最大熵算法[16]進(jìn)行迭代計(jì)算。使用時(shí)需在輸入文件(*.inp)中指定脈沖幅度譜(*.phs)、響應(yīng)矩陣(*.rsp)和預(yù)置譜(*.flu)的路徑，并設(shè)定卡方值和最大迭代次數(shù)作為迭代終止條件。

預(yù)置譜是迭代計(jì)算的初始解，是對(duì)注量譜的推斷。隨著預(yù)置譜與注量譜相似水平的提升，迭代計(jì)算收斂到最優(yōu)解的可能性增加，但計(jì)算結(jié)果的可信度降低。因此，通常預(yù)置譜只對(duì)注量譜進(jìn)行最低限度的推斷，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

除N-80和N-100外，預(yù)置譜采用各能量點(diǎn)相對(duì)注量均為1的均衡譜，即不對(duì)注量譜作猜測(cè)。對(duì)于N-80和N-100，由于鎢靶特征X射線(xiàn)的存在，過(guò)濾X射線(xiàn)注量譜在59.310 keV和69.090 keV附近出現(xiàn)凸起，因此預(yù)置譜在這兩個(gè)能量附近的相對(duì)注量改為3。解譜計(jì)算結(jié)果示于圖6。

圖6 解譜所得窄譜X射線(xiàn)注量譜Fig.6 Unfolded fluence spectra of narrow series filtered X-ray reference radiation

(3)

表計(jì)算值與推薦值比較Table 1 Comparison between calculated and recommended and hpK

4 小結(jié)