李雪松，倪建忠，余功碩，梁建峰，長孫永剛，張小林

(西北核技術研究所，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]、基礎物理研究[4]及錒系元素分析[5]等對本底抑制要求較高的測量領域中應用廣泛。反康普頓γ測量技術可以有效抑制γ測量中的固有康普頓坪區(qū)，顯著降低高能γ射線對低能γ射線的干擾，提高測量水平。反康普頓譜儀的幾何結構優(yōu)化一直是研究的重點之一。Niu等針對錐狀反符合探測器結構，考查了主探測器與反符合探測器的相對位置對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位置對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估了3種不同無機閃爍體作為反符合探測器的優(yōu)劣[8]。目前，實驗室使用的反康普頓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，設備龐大厚重，無法實現(xiàn)移動式應用。曾國強等設計了一款高效緊湊的反康普頓譜儀[9]，但該設計僅對反符合電子學系統(tǒng)及多道譜儀進行了高效緊湊的數(shù)字化改造，未對探測器部分進行便攜式結構設計。中國原子能科學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構”專利技術[10]，該結構采用側面開口設計，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)的相關研究報道較少。

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。在強放射環(huán)境下，若要獲得某些核素強度相對較弱的特征峰信息，就需要克服來自強放射源自身γ射線形成的康普頓平臺本底。反康普頓γ探測系統(tǒng)在強反射源測量中的典型應用是在束測量實驗，如瞬發(fā)γ中子活化分析及帶電離子束轟擊靶核的相關實驗。中國科學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、核事故和核應急等領域中，強放射環(huán)境下的核素識別和定量技術對便攜式反康普頓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)設計提供了必要的主探測器條件。

本文從分析γ射線與物質相互作用的能量沉積過程入手，針對強放射源的測量，設計便攜式反符合探測器新結構，并進行了能譜模擬計算驗證。

1γ射線能量沉積的關鍵過程分析

對于反符合設計，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，則對主探測器能譜不會有任何貢獻，故在實際設計反符合系統(tǒng)時，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射線與物質相互作用的3種主要過程為光電效應、康普頓散射效應及電子對效應。這3種效應均對測量的γ能譜有貢獻。光電效應會在主探測器上形成X射線逃逸峰(Eγ-Ek)，此峰可通過反符合過程進行剔除。電子對效應會產(chǎn)生單、雙逃逸峰，還會產(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行剔除?？灯疹D散射效應形成康普頓散射本底的3個關鍵過程為：

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，會增加中能區(qū)的康普頓坪。

2系統(tǒng)設計

便攜式反康普頓γ探測系統(tǒng)設計主要包括探測器的選取、結構設計及屏蔽體設計3個部分。

2.1探測器的選取

選取主探測器需要兼顧分辨率、效率及實驗保障條件。目前，CZT探測器對662 keV γ射線的分辨率可達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，CZT探測器是一款室溫探測器，不需要特別的實驗保障條件。綜合各種因素，本文選擇CZT探測器作為主探測器。強放射源測量對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γ射線的阻止本領很強，可作為反符合探測器。BGO具有較短的發(fā)光衰減時間，可以顯著提高脈沖通過率，對于強放射源測量，可有效避免探測器因計數(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結構設計

康普頓抑制因子是反康系統(tǒng)最關鍵的技術指標之一。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]。因為絕大部分常規(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，設定其康普頓抑制因子指標分別為50和10。

反符合探測器設計為4π結構或準4π結構，將主探測器置于反符合探測器內(nèi)。圖1為探測系統(tǒng)設計圖。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)。為安放電子學部件，在RAD底面與BAD頂面之間預留1 cm的空間。由于TAD對低能γ射線有很強的阻止本領，會顯著降低低能γ射線的探測效率，因此， 4π結構更適用于測量發(fā)射高能γ射線的強源。準4π結構可以兼顧低能γ射線測量，在其TAD中間設計一個開孔，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；當不開孔時，就變成了4π結構設計，此時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。

對反符合探測器的各個部分進行結構優(yōu)化設計，使各個部分均能將康普頓抑制因子降低到設定的康普頓抑制因子之內(nèi)，從而保證整個系統(tǒng)的康普頓抑制因子滿足設計要求。

(a)4π structure

(b)Quasi-4π structure

首先，對RAD進行設計。設置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662 keV γ射線的效率約為10-4量級，可用于活度為108Bq的強放射源測量，如果測量更強的放射源，則可以適當增大放射源與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點的散射角最大，為84.4°。以A點計算得到1 525 keV和662 keV γ射線對應的散射γ射線能量分別為413 keV和305 keV，因此，在設計時，RAD的厚度要同時滿足將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)計算，RAD的厚度需為20 mm，考慮設計余量，可取為25 mm，則RAD外徑至少應為70 mm。此時，若γ射線在A點散射，則穿越RAD最大長度的γ射線散射角為40°，1 525 keV和662 keV γ射線對應的散射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。計算表明，若γ射線在B點散射，散射角為58.7°時，1 525 keV和662 keV γ射線的衰減量也能滿足指標要求。對圖1(b)可同理進行分析設計。

其次，對TAD進行設計。圖1(a)中，當主探測器的尺寸、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射線對應的散射γ射線能量分別為251 keV和206 keV。計算表明，TAD的厚度為7 mm即可滿足衰減要求，考慮設計余量，可取為8 mm。對于圖1(b)的準4π結構，當TAD外徑尺寸設定為40 mm時，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)的分析結果可知，TAD的厚度為8 mm可以滿足設計需求。

最后，對BAD進行設計。若設RAD外徑為90 mm，厚度為50 mm，則圖1中，當γ射線在A點散射時，BAD接收到的散射γ射線的散射角最大值約為40°。此時，1 525 keV和662 keV γ射線對應的散射γ射線能量分別為898 keV和508 keV，穿越BGO的距離約35 mm。經(jīng)計算，此時的阻止能力不能滿足指標要求。當γ射線在B點散射時，BAD接收到的散射γ射線的散射角最大值為48.4°。此時，1 525 keV和662 keV γ射線對應的散射γ射線能量分別為761 keV和461 keV，穿越BGO的距離約27 mm。經(jīng)計算，此時的阻止能力也不能滿足指標要求。當BAD外徑增加到100 mm時，雖然對于A點和B點的阻止本領仍不能完全滿足技術指標，但這2個點屬于極端情況，發(fā)生的總體概率不大，對康普頓抑制因子的影響較小，因此，本文將BAD的外徑設定為100 mm。對于向下的散射，γ射線的散射角趨近于0°時，散射γ射線的能量幾乎沒有損失。計算表明，若BAD同時滿足將662 keV γ射線衰減到2%以下、將1 525 keV γ射線衰減到10%以下的指標要求，則BAD底部的厚度應為64 mm?？紤]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關注的能區(qū)，所以，選定BAD底部的厚度為60 mm即可。

2.3屏蔽體設計

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，強放射源發(fā)射的高強度γ射線會導致輸入計數(shù)率過大，偶然符合概率顯著增加。為了克服該缺點，需要設計帶有準直功能的外部屏蔽體。以4π結構的反康普頓探測系統(tǒng)為例，設計的屏蔽體結構，如圖2所示。

圖2與4π結構反康普頓探測系統(tǒng)匹配的屏蔽體結構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，采用三段式設計，兼顧屏蔽效果和便攜性。同時，考慮到屏蔽體上會激發(fā)出X射線，增加偶然符合概率，因此，從外到內(nèi)依次設計了Cu，Al及有機玻璃(PMMA) 3層結構。Cu層厚度為3 mm，可將80 keV的X射線強度衰減到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射線強度衰減到1%以下。該設計可以顯著降低反符合探測器的計數(shù)率，減小偶然符合的概率。同時，可以根據(jù)實際使用情況增加頂部準直孔長度，有效控制進入探測器系統(tǒng)的γ射線強度，使各探測器工作在合適的計數(shù)率范圍內(nèi)，減小偶然符合概率。根據(jù)圖2設計估算，4π結構反康普頓探測系統(tǒng)的總體質量約為70 kg，遠小于傳統(tǒng)的反康普頓譜儀系統(tǒng)質量(大于1 000 kg)，便于移動攜帶。

3模擬計算

采用Geant4程序對本文設計的2種結構探測系統(tǒng)的能譜進行了模擬計算。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%計算。BGO的相關參數(shù)均采用Geant4材料庫中的參數(shù)值。模擬計算得到662 keV和1 525 keV γ射線在2種結構探測系統(tǒng)上的能譜，分別如圖3至圖6所示。

圖34π結構探測系統(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，對于662 keV γ射線，4π結構探測系統(tǒng)及準4π結構探測系統(tǒng)均表現(xiàn)出了較好的康普頓抑制效果，圖4中存在一個明顯的康普頓邊沿峰，這與第2.2節(jié)的分析相符。

圖4準4π結構探測系統(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結構探測系統(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4π結構探測系統(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，對于1 525 keV γ射線，4π結構探測系統(tǒng)及準4π結構探測系統(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，對正電子湮沒產(chǎn)生的511 keV γ射線的阻止本領較小，逃逸概率顯著增大。圖6中存在康普頓邊沿峰，進一步驗證了第2.2節(jié)的分析結果。

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

表1康普頓抑制因子的計算結果Tab.1Compton suppression factors calculatedby two system structures

由表1可見，總體上講，對于同一能量的γ射線，準4π結構探測系統(tǒng)與4π結構探測系統(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探測器對高、低能反散射峰的抑制能力不同造成的。表1中計算的大部分技術指標高于相應的設計指標，這與各個系統(tǒng)結構中各個方向上留有的設計余量相關。

4小結

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)設計中應重點關注率先與主探測器相互作用的γ光子，并針對強放射源，討論了反符合探測器設計時需要注意的關鍵環(huán)節(jié)；以CZT探測器為主探測器，BGO閃爍體為反符合探測器，設計了4π結構和準4π結構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)，總體質量約為70 kg，便攜性顯著增強。模擬計算表明，對于662 keV γ射線，4π結構和準4π結構反康普頓探測器系統(tǒng)的康普頓抑制因子分別為63和51；對于1 525 keV γ射線，4π結構和準4π結構反康普頓探測器系統(tǒng)的康普頓抑制因子分別為29和26。