Simulation of Factors Affecting the Detection Efficiency of the Full Energy Peak of Lanthanum Bromide Detector

Guangming Dai^*, Zhiquan Zhou, Quan Yuan, Guanghui Liao, Dashun Yan

College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu, China.

DOI: 10.4236/oalib.1109208                

Abstract

Monte Carlo software MCNP and Geant4 were used to study the factors affecting the detection efficiency of the lanthanum bromide detector, mainly including the thickness of the detector al shell and the size of the crystal. The results of the two softwares were compared. The results show that only the thickness of the front Al shell increases the detection efficiency of the full energy peak, and the side al shell has little effect on the detection efficiency of the full energy peak; The increase of the radius length of the lanthanum bromide crystal will also increase the detection efficiency of the full energy peak. Comparing the results of MCNP and Geant4 simulation, it is found that the relative error of the two data is within 1%.

Keywords

Monte Carlo Simulation, Full Energy Peak Detection Efficiency, Influencing Factors

1. 前言

溴化镧探测器由于具有光产额高、能量分辨率好、温度系数绝对值小、衰减时间短、非线性响应小等优点，在辐射测量领域得到了广泛的应用 [1] [2] [3]。蒙特卡罗软件作为一款通用粒子输运模拟软件，由于其具有灵活的几何处理能力以及元素和介质材料数据齐全等特点广泛应用于核辐射探测方面的模拟 [4]。钟丁生等人利用蒙特卡罗软件MCNP对溴化镧探测器几何因素对发光效率和能谱的探测效率的影响进行分析 [5]。杨体波等人利用MCNP软件对溴化镧探测效率的影响因素进行了模拟，还进行了无源全能峰探测效率刻度，并与理论计算结果和实测结果进行了对比 [6]。本文利用MCNP和Geant4分别对溴化镧探测器的探测效率的影响因素进行分析，通过建立相同模型，对比二者的测量结果误差，验证两个软件的准确性。

2. 理论基础及模型建立

2.1. 理论基础

全能峰探测效率 ${\epsilon }_p$ 定义为γ谱全能峰下包含的计数与放射源在相同时间内发射的γ射线计数的比值 [6]，如公式1所示：

${\epsilon }_p=\frac{全能峰的计数}{放射源发出的\gamma 射线数}$ (1)

利用MCNP软件进行模拟时，通过输出文件读出归一化的概率即可得到全能峰探测效率。利用Geant4软件进行模拟时，通过root统计在溴化镧闪烁体晶体里面的能量沉积得到全能峰计数，然后用全能峰计数除以模拟时总的粒子数(放射源发出的γ射线数)就可以得到全能峰探测效率。

2.2. 模型建立

在MCNP和Geant4中构建的探测器模型如图1~3所示。以探测器Al壳左前端圆心为原点(0, 0, 0)，点源位置设置为(−5, 0, 0)，源距离探测器为5 cm (源距也可以设置成其他的距离，源距比较近的时候，探测效率会增加；比较远时，探测效率会减小，因为γ射线在空气中也会发生衰减，设置为5 cm只是为了控制变量，在研究探测器其他参数对全能峰探测效率影响时，源距都是保持不变的)。模拟能量为0.662 MeV的¹³⁷Cs源，溴化镧晶体直径为3.18 cm，晶体长度为10.16 cm，晶体外面包裹一层MgO反射层，其厚度为0.05 cm，最外层为Al壳，其前端厚度为0.1 cm，侧端厚度为0.25 cm，右侧前端为SiO₂光导，厚度为0.2 cm。在利用MCNP软件模拟时，计数卡采用F8脉冲计数卡，将能量划分为1024道来记录γ射线的能量分布。利用Geant4软件进行模拟时，通过使用root来统计我们想要的信息，模拟运输的粒子数都设置为5 × 10⁷。

Figure 1. Lanthanum bromide detector

图1. 溴化镧探测器

Figure 2. Model of lanthanum bromide detector in MCNP

图2. 溴化镧探测器在MCNP中的模型

Figure 3. Model of lanthanum bromide detector in Geant4

图3. 溴化镧探测器在Geant4中的模型

3. 全能峰探测效率影响因素

3.1. 前端Al壳厚度的影响

研究前端Al壳厚度对全能峰探测效率的影响时，将放射源设置为¹³⁷Cs源，源距离探测器的距离设置为5 cm，MgO反射层厚度设置为0.05 cm，侧端Al壳厚度设置为0.25 cm，模拟时保持其他条件不变只改变前端Al壳的厚度(0.05 cm, 0.10 cm, 0.15 cm, 0.20 cm, 0.25 cm, 0.30 cm, 0.35 cm, 0.40 cm)，结果如表1和图4所示。

Figure 4. Shows the influence of Al shell thickness of MCNP and Geant4 simulation front-end on the detection efficiency of full energy peak

图4. 左右分别为MCNP和Geant4模拟前端Al壳厚度对全能峰探测效率的影响

Table 1. Effect of front Al shell thickness on detection efficiency of full energy peak

由表1和图4可知，MCNP和Genat4模拟的结果非常接近，两者结果之间的误差保持在1%以内。前端Al壳的厚度会影响全能峰探测效率；并且随着前端Al壳厚度的增加导致全能峰探测效率降低，这是因为随着Al壳厚度增加，γ射线在Al壳中发生了反应沉积了更多的能量，使得到达溴化镧晶体表面γ射线就更少，被溴化镧晶体探测到的γ射线就更少，所以随着前端Al厚度的增加全能峰探测效率减小。

3.2. 侧端Al壳厚度的影响

模拟侧端Al壳厚度对全能峰探测效率的影响时，将放射源设置为¹³⁷Cs源，源距离探测器的距离设置为5 cm，MgO反射层厚度设置为0.05 cm，前端Al壳厚度设置为0.1 cm，模拟时保持其他条件不变只改变侧端Al壳的厚度(0.05 cm, 0.10 cm, 0.15 cm, 0.20 cm, 0.25 cm, 0.30 cm, 0.35 cm, 0.40 cm)，结果如表2和图5所示。

Table 2. Effect of side Al shell thickness on detection efficiency of full energy peak

Figure 5. Shows the influence of the thickness of Al shell at the simulated side end of MCNP and Geant4 on the detection efficiency of full energy peak

图5. 左右分别为MCNP和Geant4模拟侧端Al壳厚度对全能峰探测效率的影响

由表2和图5可以看出，MCNP和Geant4的模拟结果非常符合，两者结果的误差在1%以内。当前端Al壳、MgO反射层等其他参数保持一定时，只改变侧端Al壳的厚度对全能峰探测效率影响不大，这是因为放射源位置设置在溴化镧探测器正前端，γ射线主要通过探测器正前端进去溴化镧晶体，所以侧端的Al壳厚度对于溴化镧探测器的全能峰探测效率影响不大。

3.3. MgO反射层对全能峰探测效率的影响

模拟MgO反射层对全能峰探测效率的影响时，将放射源设置为¹³⁷Cs源，源距离探测器的距离设置为5 cm，前端Al壳厚度设置为0.1 cm，侧端Al壳厚度设置为0.25 cm，模拟了MgO反射层的前端厚度分别为0.01 cm、0.03 cm、0.05 cm、0.07 cm、0.1 cm、0.15 cm、0.2 cm、0.4 cm的情况，模拟结果如表3和图6所示。

Table 3. Effect of thickness of MgO reflection layer on detection efficiency of full energy peak

Figure 6. Shows the influence of the thickness of the simulated MgO reflection layer of MCNP and Geant4 on the detection efficiency of the full energy peak

图6. 左右分别为MCNP和Geant4模拟MgO反射层厚度对全能峰探测效率的影响

从表3和图6中可以看出，MCNP和Geant4的模拟结果也非常符合，两者的结果之间的误差，一直保持在1%以内。而且随着MgO反射层的厚度的增加，全能峰探测效率随之下降，其趋势呈一条直线，在保证MgO反射层起到反射目的的情况下，为了提高探测器的探测效率，可以适当减小MgO反射层的厚度，所以MgO反射层的厚度一般取0.05 cm。

3.4. 晶体尺寸对全能峰探测效率的影响

溴化镧晶体尺寸大小对全能峰探测效率的影响主要包括两部分：晶体长度的影响和晶体半径的影响，将放射源设置为¹³⁷Cs源，源距离探测器的距离设置为5 cm，前端Al壳厚度设置为0.1 cm，侧端Al壳厚度设置为0.25 cm，MgO反射层厚度设置为0.05 cm，分别模拟了不同晶体长度为2.54 cm、5.08 cm、7.62 cm、10.16 cm，不同晶体半径为1.59 cm、3.81 cm、4.77 cm、6.36 cm、7.95 cm、9.54 cm、11.13 cm的情况，模拟结果如图7所示。

Figure 7. Shows the influence of MCNP and Geant4 simulated lanthanum bromide crystal size on the detection efficiency of full energy peak

图7. 左右分别为MCNP和Geant4模拟溴化镧晶体尺寸对全能峰探测效率的影响

从图7可以看出MCNP和Geant4模拟结果几乎一致，在放射源设置为¹³⁷Cs源，源距离探测器的距离设置为5 cm的情况下，随着晶体半径的不断增加，全能峰探测效率也逐渐增加，但是半径较小时的增加速率大于半径较大时的增加速率。这是因为当晶体半径较小时，点源相对探头的立体角较小，几何效率较低；随着晶体半径的增加，点源相对探头的立体角增加，几何效率逐渐增加，从而全能峰探测效率也随之增加；当半径增加到某个数值后，再增加半径，由于其立体角的变化很小，此时全能峰探测效率的变化也较小。同时也可以看到，当晶体半径一定时，随着晶体长度的增加，全能峰探测效率也会增加。晶体长度的增加会使得γ射线与晶体发生反应的概率增加，更容易使其能量全部沉积于晶体中，进而提高全能峰探测效率。从图中可以发现增加溴化镧晶体半径比增加晶体长度对探测效率的提升更加显著，所以我们想要提高溴化镧探测器的全能峰探测效率时，应尽量增加晶体半径大小以提高探测效率。

4. 结语

运用MCNP5软件和Geant4软件研究了溴化镧探测器Al壳厚度、MgO 反射层厚度、晶体长度和晶体半径对全能峰探测效率的影响(溴化镧探测器主要由Al、MgO、溴化镧晶体构成，本文主要模拟的是构成探测器材料的尺寸对全能峰探测效率的影响，通过这个模拟可以根据实际情况选择材料的尺寸)，模拟结果表明：当其他参数保持一定时，随着前端Al壳厚度的增加，会使全能峰探测效率降低；随着侧端Al壳厚度的增加，全能峰探测效率几乎不变；随着MgO厚度的增加也会导致全能峰探测效率降低；随着溴化镧晶体半径和长度的增加，全能峰探测效率都会增加，但是随着晶体半径和晶体长度的尺寸越来越大，全能峰探测效率增加的越来越慢。通过MCNP软件和Geant4软件的模拟结果表明，两者的结果非常符合，误差保持在1%以内。

溴化镧探测器全能峰探测效率影响因素模拟

摘要：用蒙特卡罗软件MCNP和Geant4研究了溴化镧探测器的探测效率的影响因素，主要包括探测器Al壳厚度、晶体尺寸大小，并将两个软件的结果进行对比。结果表明：只有前端Al壳厚度增加会增加全能峰探测效率，侧端Al壳对全能峰探测效率影响不大；溴化镧晶体的半径长度增加，也会增加全能峰探测效率。MCNP和Geant4模拟的结果对比发现，两者的数据相对误差在1%以内。

关键词：蒙特卡罗模拟，全能峰探测效率，影响因素

Conflicts of Interest

The authors declare no conflicts of interest.

References

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