基于Geant4的开发及其CsI(TI)谱仪模拟

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随着科学技术的不断快速发展,核能在医疗,工业,能源等领域应用越来越广泛,但核安全和环境中的核辐射也受到越来越到的关注。大多数的核素都有可能放射出特定能量大小的伽马射线,不同核素所放射出的伽马射线能量也不相同,但能量高的伽马射线其穿透能力比较强,所以对于探测研究环境中的伽马射线的能谱具有很重要的意义。其中,NaI(TI)晶体探测器也成为测量放射性物质辐射大小最基本的仪器,其具有探测效率高,成本比不高,使用方便等优点,在核辐射监测中被广泛采用。NaI(TI)晶体探测器绘制的伽马谱图是表征所探测的结果,谱图的的精确性直接取决于探测器的探测效率,从而探测器的探测效率是决定了探测器探测环境中所含辐射物质的优良性。本文采用蒙特卡罗方法研究闪烁体探测器NaI(TI)晶体,该方法能够直接从实际的物理角度出发,比较真实的模拟物理过程,其还具有强大的几何处理能力和截面处理能力。通过Geant4模拟程序包对能量大小为478,661.62,834.56,1114,1332.48,1367.9kev的7Be,137Cs,54Mn,65Zn,60Co,Z4Na为点源的核素进行了探测模拟,设置在不同位置进行探测。根据计算得到的数据矩阵拟合出探测器对不同能量的点源处于不同距离的探测效率函数,峰总比,能量分辨率,响应函数等一些基本指标,结合相应的实验数据对所计算得的值进行了对比,探测的结果与实际闪烁体探测器探测到的结果较为一致,验证了程序的可行性,在实验条件有限的情况下为为研究探测器探测效率提供了可靠的参考数据。由于探测器最终收集的是伽马射线在晶体中相互作用所产生的光子数目,收集光子数目的多与少直接影响了闪烁体探测器的各项探测指标。而光子的收集是由与闪烁体探测器晶体后端相连的光电倍增管收集,所以我们分析Nal(TI)晶体的形状不同会对光子的数目收集产生影响。接着针对NaI(TI)闪烁体探测器晶体的形状进行了进一步的模拟研究。结合蒙特卡罗模拟与Geant4,我们建立一个设计和优化闪烁探测器系统完整的模拟概念。完整的模拟框架包括一个实际的闪烁探测器系统的基本组成部分,并包括所有相关的物理过程,从伽马射线与闪烁体材料相互作用到以数字方式处理由采样ADC产生的探测器信号的。在完整的模拟中,个别物理因素会影响检测器系统的性能,例如闪烁体的几何形状,表面光洁度,闪烁器衰减时间,闪烁产率,PMT单电子反应(SER)和前端电响应,都将考虑进去。完整的模拟的主要目的是要了解在一个闪烁探测器系统中的物理过程和各个基本成分的相关参数如何影响其性能。在模拟中,我们设置了四组不同形状的NaI(TI)晶体,除了晶体的形状不同之外,其余的条件都相同,并且在相同的条件下进行探测,晶体都采用特氟龙材料包裹。通过对统计到的数据进行对比分析,我们发现晶体形状的不同对于光电倍增管收集伽马射线产生的光子数目具有一定的影响,这为闪烁体探测器晶体形状的设计提供了理论指导。
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