基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟

1、 南华大学船山学院毕业设计(论文)题 目 基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟 专业名称 核工程与核技术 指导教师 廖伶元 指导教师职称 讲师 班 级 核技01班 学 号 20109530164 学生姓名 张健新 2014年 5 月 16 日 南华大学船山学院毕业设计（论文）任务书专 业： 核工程与核技术 题 目：基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟 起 止 时 间： 2013.12.20-2014.5.25 学 生 姓 名： 张健新 班 级： 核技01班 指 导 老 师： 廖伶元 系/室 主 任： 王振华 2013 年 12 月 20 日论文 (设计) 内容及要求：一、毕业设计（论文

2、）原始依据MCNP程序能运用蒙特卡罗方法模拟计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题，我们通过MCNP对高纯锗探测器进行建模模拟，并对所模拟的高纯锗探测器的探测效率进行模拟计算并与实际实验数据相比较。二、毕业设计（论文）主要内容1、介绍射线及其探测方法的基本理论2、对半导体探测器的基本工作原理进行介绍，重点介绍高纯锗探测器的工作原理3、运用MCNP对厂家给出数据进行对高纯锗探测器进行建模，模拟出其探测效率，并与实验得出探测效率相比较4、数据分析，得出结论；三、毕业设计（论文）基本要求1、根据设计任务书设计内容，作出设计进度安排，写出开题报告；2、撰写毕业设计（论

3、文），篇幅不少于1.5万字，图表数据完整；3、收集查找资料，参考资料不少于六本；4、按毕业设计（论文）规范要求，打印装订成册两本；四、毕业设计（论文）进度安排1、2014年1月到2014年3月 搜集，阅读文献。2、2014年4月 学习使用MCNP并进行模拟3、2014年5月 完成论文五、主要参考文献1 凌球 郭兰英编著.核辐射探测M.北京:原子能出版社,20022 张虎,罗降,张全虎,何彬.  核探测器的发展和现状A. 第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（1）C. 2008 3 张建芳 . 高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟A. 2009指导老师： 年 月 日南

4、华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目 基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟设计（论文）题目来源 其它设计（论文）题目类型 软件仿真起止时间2013年12月-2014年5月一、 设计（论文）依据及研究意义：MCNP程序能运用蒙特卡罗方法模拟计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题。高纯锗探测器具有能量分辨率大，探测效率高，制作周期较短等特点，并且克服了传统半导体探测器必须在低温下工作这一致命缺陷，因此高纯锗探测器具有良好的发展前景。本论文致力于通过MCNP对高纯锗探测器进行建模模拟，并对所模拟的高纯锗探测器的探测效率进行模拟计算并与实际实验数据

5、相比较，证明MCNP程序仿真能为现实实验提供科学的参考，甚至在一定程度下能代替现实实验，推动科学实验的发展二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）1、主要研究内容：1、学习研究射线及其探测方法的基本理论2、对半导体探测器的基本工作原理进行介绍，重点介绍高纯锗探测器的工作原理3、运用MCNP对厂家给出数据进行对高纯锗探测器进行建模，模拟出其探测效率，并与实验得出探测效率相比较4、数据分析，得出结论；2、 预期目标：12月20日-1月15日 收集相关资料，学习射线、半导体探测器方面相关知识2月15日-3月15日 翻阅文献，对高纯锗探测器及探测效率进行深入学习3月15日-4月1

6、5日 收集相关资料，学习并掌握使用MCNP,并对高纯锗探测器进行MCNP模拟，得出数据4月12日-5月25日 完成报告。3、 设计（论文）的研究重点及难点：重点：1、学习高纯锗探测器的基本原理2、外国所生产的高纯锗探测器的尺寸数据的获得；3、运用MCNP对所得的数据进行建模，并运行所编写程序，得出与相关数据四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：1、研究方法：通过阅读相关文件与运用MCNP进行程序仿真相结合的方法，研究问题。2、 步骤：12月20日-1月10日 收集资料，完成开题报告；3 月1日-3 月5日 完成题纲；3月6日-4月15日 参考资料，完成论文框架；4月16日-5月5日 完成

7、论文初稿；5月6日-5月25日 完成论文定稿、装订。五、进行设计（论文）所需条件：1、 参考资料：1 凌球 郭兰英编著.核辐射探测M.北京:原子能出版社,20022 张虎,罗降,张全虎,何彬.  核探测器的发展和现状A. 第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集（1）C. 20083 朱传新,陈渊,郭海萍,牟云峰,王新华,安力.  高纯锗探测器探测效率研究J. 核电子学与探测技术. 2006(02)4 张建芳 . 高纯锗探测器探测效率的MCNP模拟A. 20092、通过维普网、中国知网等文献库获取资料。六、指导教师意见：签名： 年 月 日南华大学船

8、山学院毕业设计（论文）基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟摘要：本文从最基本的开始，先对射线及其探测方法的基本理论进行了简单的介绍，然后对各种探测器包括闪烁探测器、气体探测器、半导体探测器的产生、发展过程进行了简单的介绍并对半导体探测器的基本工作原理进行了探讨。接下来对本文需要重点研究的高纯锗探测器进行了原理讲解和对ORTEC公司所生产的P型单端同轴型高纯锗探测器的结构材料尺寸数据进行整理，最后对MCNP基础和其程序运行原理进行介绍。这些种种的理论介绍都为我们后面所进行的模拟提供依据。接下来通过厂家给出的结构材料尺寸数据进行运用MCNP对高纯锗探测器进行模拟，并运用源峰探测效率对我们需要研

9、究的探测效率进行计算。通过模拟得出数据后通过对数据的分析整理，得出结论但同时也存在误差，文章最后还对误差进行了分析和提出了自己的假设。关键词：高纯锗探测器；探测效率； MCNP模拟The MCNP Simulation of HPGe Detector EfficiencyAbstract：In this paper, starting from the most basic, the first basic theory of gamma rays and its detection method is introduced. And then in this paper introduce

10、s the production and development process of the detector and introduces the basic principle of semiconductor detector. This paper mainly introduces the basic principle of the high parity germanium detectors and sorts out the data of the ORTEC companys P-type coaxial HPGe detector. Finally, introduce

11、d the foundation of MCNP and this program principle. The introduction of these theories provide a basis for the next simulation. Then through the structure and size of materials data from the manufacturers to uses are the MCNP to simulate the HPGe detector. Then Using the source peak detection effic

12、iency to calculate the detection efficiency what our need. We reached the conclusion through the collation of data and find the mistake. Finally, the errors are analyzed and we put forward some hypothesis.Key words：high parity germanium detectors； detection efficiency ；MCNP simulation目 录1 研究的背景及其基本概

13、述11.1研究的背景与意义11.2如今的研究现状21.3.本研究工作的任务和目标22 射线的探测原理42.1光电效应(Photoelectric effect)42.2康普顿散射（Compton scattering）52.3电子对效应（Electronpaireffect）63 高纯锗探测器的基本原理73.1半导体探测器的基本原理73.2高纯锗探测器的基本原理93.3探测效率的意义104 MCNP的基础124.1MCNP的基础124.2 MCNP的程序结构运行125 高纯锗探测器的MCNP模型建立与探测效率的模拟145.1MCNP模型的建立145.2 MCNP模型建立与计算155.3输入文件

14、inp的编写与分析166 数据的处理与分析206.1数据的处理206.2数据的分析和问题的假设237 结论25参考文献26致 谢27附录一28iiMCNP程序能运用蒙特卡罗方法对三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子、电子光子等输运问题进行模拟计算。高纯锗探测器具有能量分辨率大，探测效率高，制作周期较短等特点，并且克服了传统的半导体探测器必须在低温下工作这一致命缺陷，使高纯锗探测器的适用范围广度得到了很大的提高，因此高纯锗探测器具有良好的发展前景。本论文致力于通过MCNP对高纯锗探测器进行建模模拟，并对所模拟的高纯锗探测器的探测效率进行模拟计算，得出其探测效率并与实际实验数据所求的探

15、测效率相比较，得出结论。通过结论证明高纯锗的探测效率能通过MCNP进行求解，从而进一步证明MCNP程序仿真能为现实实验提供科学的参考，甚至在一定程度下能代替现实实验，推动科学实验的发展。1 研究的背景及其基本概述1.1研究的背景与意义半导体探测器是上个世纪60年代发展迅速起来的一种新型的核辐射探测器，半导体探测器的探测介质也就是其探测灵敏区域为半导体材料，尽管其采用了更加先进的新型半导体探测介质，但是半导体探测器的基本工作原理与闪烁探测器和气体探测器基本相同。1时间在推移，半导体探测器在时间的长河中快速的研制与发展，先后研制出PN结型半导体探测、锂漂移型半导体探测器、高纯锗探测器、化合物半导体

16、探测器和特殊类型半导体探测器等等。2基于半导体探测器的特殊探测介质和其与其他探测器工作原理的不尽相同，半导体探测器比闪烁探测器和气体电离探测器的能量分辨率都高得多。半导体探测器与闪烁探测器和气体探测器有所不同，半导体探测器中的探测灵敏区为半导体，并且一般定义为理想的半导体，所谓的理想的半导体，就是不含其他杂质的半导体，可是，根据现今的科学技术水平，得出理想的半导体暂时是比较困难的，因此为了提高半导体探测器的探测效率等技术指标，必须对其探测介质及其中半岛体进行晶体的进一步提纯和对杂质进行处理。同时，早期的半导体探测器还存在着工作条件苛刻、生产制作周期过长等不可忽略的缺陷，这些缺陷在一定程度上制约

17、了半导体探测器的发展，因此，我们迫切发展和研究一种新型的半导体材料探测器，这种探测器要保留着传统探测器的能量分辨率高的优点意外，还要对生产周期过长、需要低温保存等缺陷进行克服改进。在这个背景下，通过科学的研究高纯锗（HPGe）探测器诞生了。1.2如今的研究现状半导体探测器中因为两极间加有反向的偏置电压，因而在半导体中产生了场强。当带电粒子或者其他核辐射进入到探测介质后，它们的能量有所亏损，进而形成电子-空穴对。这些产生的电子空穴对在反向偏压产生的电场的作用下，分别漂移向半导体两端的电极，收集电极上就会感应出电荷，经过外电路的放大器的处理下，产生电压脉冲，这就是半导体探测器的基本工作原理。射线具

18、有穿透力强这一特性，对射线进行探测时要求探测器有更宽大的探测灵敏区。PehI的研究证实了锂离子的漂移，为研究制造更高的探测分辨率的Ge（Li）探测器提供了理论依据。但是，这种探测器存在着需要在液氮低温下工作才能对射线和X射线进行探测这一缺陷。后来HPGe探测器的诞生，因为它可以液氮低温和室温之间反复循环、在室温中保存和运输，所以HPGe探测器取代了传统的Ge（Li）探测器。同时，HPGe探测器还有工艺简单，制造周期短，耐中子辐射损伤等这些优点，因此，HPGe探测器得到了很快的发展和更加广泛的应用。3高纯锗探测器适用范围广，在高能物理、天体物理、安全检测、核医学、工业和军事等各个领域都有着广泛的

19、利用。过去的几十年间，有许多国家的许多实验室都对高纯锗探测器进行了研究。近几年，我国的高纯锗探测器的研究和制作工艺技术也走向成熟，慢慢赶上了世界的先进化水平。我国在新型高纯锗探测器在粒子物理、天体物理领域特别是高纯锗探测器在暗物质直接探测、双衰变等极地本底的重要基础前缘研究方面的应用都取得了很大的成果。我国就在最近建成了世界最深的垂直岩石覆盖的中国锦屏地下实验室，并且在这地下实验室进行了一系列的相关地下实验。近日我国自主研制的最新型高纯锗探测器谱仪在我国第十三届核工业展览会上成功面世。这一探测器谱仪的成功面世标志这我国在这一方向研究领域的研究获得新的突破，将改变我国在高端核测量仪器的生产制作方

20、面长期依赖国外公司的局面。同时，就算我们能在外国高纯锗探测器方面买来产品，但是外国对其生产技术和参数都会有所保留，因此该产品的研制成功，将是对我国高性能高纯锗探测器的研究发展产生巨大的贡献。1.3.本研究工作的任务和目标高纯锗探测器主要对射线和X射线进行探测与测量，高纯锗探测器具有探测效率高、能量分辨率高和探测射线范围较广等特点，在各个实际领域中都得到较广泛的利用。我们对一个高纯锗探测器的好与坏进行衡量，高纯锗探测器的探测效率是一个极为重要的技术指标。探测效率是指在一定的条件下，探测器所探测到的辐射粒子数与在这一时间段内放射源所发射的辐射粒子数之比。探测效率反映了辐射源发出的粒子被探测器探测到

21、的几率，关系到探测器的物理探测的结果的准确程度，所以一个探测器的探测效率关系到一个探测器的好坏，具有很大的研究意义。通常来说，我们要对一个探测器的探测效率进行研究，会通过现实实验从而得到其全能峰效率的。但是在现实实验的过程中，难免会有一些现场干预因素而产生误差。所以在实验中得出的数据后，我们还需要进行后期数据处理和误差排除处理理论计算，这无疑是一项非常复杂和繁琐的工作。同时在经过后处理的数据也难免有一些无法排除的误差，无法精确求解。因此，我们可以通过蒙特卡罗的方法和采取一些实验建模的方法进行模拟计算，再与实验得出的数据进行分析和比较，同时根据科学的理论判断运用这个模拟方法在进行探测器的探测效率

22、的计算是否可行，并对存在于两者之间的误差进行分析讨论研究。通过这样的计算机实验建模的方法，能够对现实实验中那些不稳定的干扰因素和不可避免的干扰因素进行了排除，使实验在理想的工况下进行，从而得出的数据更加准确，更加具有科学性。在模拟过程中，我们还能对一些现场条件不允许的条件进行模拟，对实验的危险性进行了规避，降低了实验的风险，推动了科学实验的发展。在本项研究当中，运用MCNP的建模模拟，对高纯锗探测器的探测效率进行模拟。模拟当中，按照探测器生产厂家给出的探测器尺寸和材料数据转变为MCNP的输入文件并通过MCNP进行建模，并且使研究探测器探测效率时的所实验的实验环境和实验条件尽可能地在MCNP中得

23、到重现。在本研究中，先在现实实验中用高纯锗探测器对距离探测器探测窗15cm的标准放射源进行探测，得出其全能峰谱图，求出峰面积，并计算出源峰的探测效率。然后，运用MCNP进行建模，在相同的条件下进行模拟，同样测出源峰探测效率，画出能谱图，计算源峰探测效率。最后把这两种探测方法所得出的探测效率进行比较分析，得出结论。2 射线的探测原理在各种核跃迁中，从原子核中发出的各种核辐射，包括辐射、辐射、辐射和中子辐射等都统称为核辐射。其中，辐射和X辐射都是电磁辐射，辐射是核跃迁或者粒子湮没过程中发出的电磁辐射。它们通常被称为光子，具有明显的粒子性。通常应用的射线是由放射源而产生的，辐射大多数都是母体进行了或

24、者衰变后，原子核仍然处于较高的激发态，然后这些较高激发态的原子核不能长期为此高激发态而退激到较低态或者基态时发出的。X射线其根本属性为电磁辐射，这些电磁辐射是由原子核核外电子从较高的能级跃迁到低能级是产生的，这些产生的电磁辐射就叫特征X射线。辐射和X辐射都通常被称为光子，根据电动-量子力学知识，光子的能量为： (2-1)在使用探测器对射线和X射线进行探测时，因为射线和X射线自身的特殊性从而射线和X射线不能跟物质发生直接的电离和激发效应，所以射线和X射线不能像带电粒子那样被直接探测到。为了使射线和X射线能被探测到，我们需要使他们所发生光电效应、康普顿散射、电子对的产生而产生次级电子，通过这些次级

25、电子与物质进行电离或激发效应，从而使射线和X射线被探测到。42.1光电效应(Photoelectric effect) 当光子通过物质时，光子跟物质发生相互作用，光子被原子吸收后而发射出轨道电子的现象，就叫光电效应。光电效应是由德国物理学家赫兹在1887年所发现，后来经物理学家爱因斯坦进行正确解释。光电效应的示意图如下图： 图2.1 光电效应的示意图根据光子能量的公式，光子的能量只与光子的频率有关，并成正比。当物体发生光电效应时，光子进入到物体内，物体的自由电子吸收了一个光子的能量，如果光子的能量大于或者等于这一物体的相关能量的阈值（称为逸出功），则这自由电子就有了一定的能量，从而从物质中逃脱

26、逸出，称为光电子。如果光电子的能量比逸出功小，自由电子无法逃逸，电子会把从光子中吸收的能量重新给会光子，电子能量回到吸收光子能量前，电子不逸出。电子会吸收光子的能量，但在吸收的过程中遵循一个非全有即全无的判据，即光子的能量全部被电子吸收用来进行逸出，如果电子吸收的能量能克服的逸出功，则大于剩下的能量将成为光电子射出后电子的动能，所以根据能量守恒定律，得到光电子的能量为： （i=K,，L，M，） (2-2)式子中Bi为第i壳层的电子的结合能，其数值可按以下公式进行计算 对于K层 对于L层 (2-3) 对于M层 2.2康普顿散射（Compton scattering） 入射光子的能量hv接近或者超

27、过mec2时，光子与轨道电子相碰，光子被电子所散射，使其的运动方向发生改变，并且损失能量，电子获得能量从而从原子中飞出去，这就叫康普顿散射。从原子中获得能量而飞出去的电子风味康普顿电子。康普顿散 射示意图如下图： 图2.2 康普顿散射示意 康普顿散射发生概率最大是在束缚力较小的外层电子，这些外层电子的结合能与光子的能量hv相比之下远小得多，可以忽略，因此可以认为这些电子为“自由电子”。同时，这些电子外轨道上的运动速度远小于光速，因此康布顿散射可以近似看作光子与静止的“自由电子”之间发生弹性碰撞，利用动量能量守恒定律，可以得到康普顿散射所涉及的方程： (2-4)式中为反冲电子速度，。2.3电子对

28、效应（Electronpaireffect） 当入射的光子能量足够大时（大于1.02MeV）, 光子经过与其相互作用的物质的原子核的附近时，在核库伦场的作用下，与原子核发生电磁相互作用，光子消失从而产生一个电子和一个正电子（称为电子对），这种过程就叫电子对效应。根据能量守恒和动量守恒定律，光子与原子核发生电子对效应时，因为原子核的质量相对来说很大，所以反冲能量很小，可以忽略。因此入射光子的能量的一部分转化为电子和正电子的静止质量能（2 mec2=1.02MeV）外，其余就转化为电子的动能5，即 (2-5)其中，电子之间的动能是任意分配的，它的动能从0到（hv-2 mec2）之间都是有可能的。3

29、 高纯锗探测器的基本原理3.1半导体探测器的基本原理半导体探测器是上个世纪60年代发展迅速起来的一种新型的核辐射探测器，半导体探测器的探测介质也就是其探测灵敏区域为半导体材料。一般的物质根据导电性能来分，可以分为绝缘体、半导体、导体。半导体的存在形式一般是以晶体形式存在的，而如今一般把晶体分为单晶体和多晶体。单晶体是指晶体中的原子都是按照一定的规律整整齐齐地紧密排列起来的，而多晶体跟单晶体不一样，多晶体是由一些小晶体没有规律地堆放在一起形成的，半导体探测器中的灵敏区域所用的半导体一般是采用单晶体。在孤立的原子中，电子只能存在于固定的能级中，能级与能级间不能存在电子，称为禁带。而在单晶体中，原子

30、与原子之间因为规律整齐地紧挨着排列，原子与原子互相之间存在电磁力的作用，所以相应于孤立原子之间的能级就能分裂成许多十分靠近的新能级。由于晶体内原子数目非常多，它们之间也是紧紧挨着排列着，所以这些分裂的能级也是紧紧挨着，可以看作是连续的，这些连续的能级形成一个能带。上面所说的禁带，就是电子不能存在的地方，而禁带的宽窄，对物体的导电性有着直接的影响。由于导体之间不存在禁带，所以电子能自由移动，导电性能良好，绝缘体的禁带最宽，导电性能最差。而半导体的禁带相对来说比较窄，所以其导电性跟导体相比下较差，跟绝缘体相比较好。用于半导体探测器中的半导体材料的性能如下表: 材料原子序数介电常数密度(g/cm3)

31、禁带宽度（ev）平均电离能（ev）少数载流子寿命（us）俘获长度（mm）迁移率电子空穴Ge3215.75.330.665（300k）0.74（77K）2.80（300K）2.96（77K）10310339001900Si1411.72.331.16(77K)1.12(300K)3.76（300K）3.62（77K）1031031350480CdTe48,521.454.46611000100GaAs31,3312.55.301.454.350.1185001000HgI280,538.83.202.134.32511004 不含任何杂质的理想的半导体在没有外界的作用下，由于热激发作用下，导带中

32、会产生电子而满带中会产生空穴，其中所产生的电子的数目严格等于所产生的空穴的数目，这样子的半导体称为本征半导体。当半导体受到外界的作用时，如加热，光照，辐射等作用下，满带中的电子就会获得能量从满带激发穿越禁带到达导带，这些电子就跟自由电子一样，可以参与导电，这样就称为电子型导电。因为满带中的电子受到了激发进入了导带，满带中失去电子留下了空穴，这些空穴又很容易被相邻的电子所占据，电子的失去代表着又一个新的空穴的产生，这样子的效应一个接着一个发生在原子当中，产生的空穴就好像在移动，这样子空穴的移动也是电荷的定向移动，这就是所谓的空穴型导电。电子与空穴都被称为载流子，仅仅由热激发产生的载流子被称为本征

33、载流子。因为在本证半导体中电子与空穴的数量不多，这导致了本征半导体的导电性能较差，即使在受到一些外界作用因数下也不能算强，这样子的半导体不能很好地适用于我们的半导体探测中。因此我们为了使半导体的导电性能增加，会在半导体当中加入一定量的三价或者五价杂质，从而产生电子型半导体（N型半导体）或者空穴型半导体（P型半导体）。就是因为这些少量的杂质的加入，使半导体的导电性能得到本质性的改变，使其导电性能得到大幅的增加。通常来说，P型半导体所加入的杂质为五价的磷，而N型半导体加入的杂质为三价的硼。半导体中所加入五价的磷，会为半导体的导电贡献电子，这些杂质称之为“施主杂质”，而半导体当中加入三价的硼，硼会接

34、受满带的电子而留下空穴，这些杂质称之为“受主杂质”。对于这些加入了杂质的半导体，除了本征的电子-空穴对外，还有施主杂质提供的电子和受主杂质提供的空穴，因此，电子与空穴之间的浓度不再相等，而且相差很大。虽然这些加入的杂质的含量不高，但是它的能隙很小，也就是说只需很小的能量就可以产生大量的电子和空穴，也就是说杂质所提供的载流子远远多于本征载流子，所以半导体的导电能力得到了大幅度的加强。有了以上的这些基础知识，这就对下面的半导体探测器的基本工作原理的介绍，提供了很大的理论方便依据了。半导体探测器的工作原理类似于一般的气体电离室探测器。但是由于半导体探测器的灵敏区不是气体探测器的气体，而是掺入了一定杂

35、质的半导体，根据半导体的粒子排列比气体的粒子排列紧密得多，也就是当辐射粒子进入到半导体介质中，遇到半导体粒子的几率比在气体中遇到气体粒子的几率大得多，所以与辐射粒子相互作用的几率也大大增加。在气体中，通过30eV的平均电离能才能产生一个电子-空穴对，而在半导体中就仅仅只需消耗3ev的能量就能产生一个电子-空穴对，相比之下，半导体中产生一个电子空穴对所用的能量比气体中产生一个电子空穴对所用的能量少了一个数量级，这也是半导体探测器的能量分辨率能够远远大于气体探测器的其中基本原理了。同时，如果一辐射例子的能量为E，其能量完全损失在半导体探测器的探测介质内，所产生的电子空穴对数目为： (3-1) 半导

36、体探测器在工作时，还需要在探测器外加一电压，电压的方向使半导体探测器得到反向偏置，所以这电压也叫反向偏压。加入了反向偏压，半导体当中就存在了一定量的电场。当没有辐射粒子进入探测介质并与其作用时，由于电阻较大，漏电流很小。但是当需被探测的辐射粒子进入到探测器的灵敏区时，辐射粒子与探测器中的探测介质发生相互作用，辐射粒子的能量发生亏损，介质内就形成电子-空穴对，在外电场的作用下，电子和空穴分别向两电极发生漂移运动，从而在电极上面产生感应电荷，电荷在电容C的作用下形成电压脉冲，也就是探测器所探测到辐射粒子从而产生输出信号了。这就是半导体探测器的基本工作原理。 当然，半导体探测器的能进行正常工作也是必

37、须满足一定的条件的，要使探测器正常工作，必须满足一下几个条件的：探测介质本身必须有较高的电阻率，因为这样子在没有外界探测粒子进入探测介质并外加反向偏压，在强电场的作用下，漏电流比较小。当有辐射粒子进入探测介质中并与其发生相互作用后，产生的电流与漏电流相差较大，这就增大了探测器的探测灵敏度探测介质必须有足够长的载流子漂移长度，以便载流子能成功通过灵敏区达到电极产生感应电荷而不会在期间发生复合与俘获。3.2高纯锗探测器的基本原理 高纯锗探测器，也称之为HPGe探测器，它能对射线和X射线进行探测。HPGe探测器跟一般的半导体探测器的工作原理基本相同，简单来说，当带电粒子或者其他核辐射进入到探测介质后

38、，它们的能量有所亏损，进而形成电子-空穴对。这些产生的电子空穴对在反向偏压产生的电场的作用下，分别漂移向半导体两端的电极，产生感应电荷。这些感应电荷通过外电路的处理形成电压脉冲，这些电压脉冲的输出也就是其输出信号了6 。HPGe探测器就相当于加了反向偏压的巨大二极管，HPGe探测器的等效电路图如下图： 图3.1 HPGe探测器的等效电路图HPGe探测器根据探测介质的不同可以分为P型和N型，而根据结构特点的不同又可以分为平面型、双端同轴和单端同轴。平面型的高纯锗探测器一般能对中高能的带电粒子和300600KeV的X射线和低能射线进行探测，因为平面型探测器的灵敏区的厚度为1mm5mm之间，所以对射

39、线的探测，就不够了。因此，经过研究，制作成了同轴型的高纯锗探测器。同轴型的探测器的灵敏区能做到400cm3，就可以对能量低于10MeV的射线进行探测了。又因为单向同轴型能避免前表面漏电这一复杂问题，所以一般的高纯锗探测器生产厂家，大多都是生产P型单向同轴型高纯锗探测器，本文也主要对这种探测器进行模拟和研究。下图为P型单向同轴型探测器的几何形状示意图： 图3.2 P型单向同轴型探测器集合形状示意图3.3探测效率的意义一个探测器的好与不好，一般需要根据两个重要的技术参数指标，这两个技术参数指标分别为探测器的能量分辨率和探测器的探测效率。而探测效率，一般来说，对于不同的探测目的有不同的理解。总的来说

40、分为两大类：源的探测效率和本征探测效率。源的探测效率的定义为: 7 (3-2)从定义来看，源的探测效率为记录数与发射数的比值，也就是说，探测效率受到了射线在发射源到探测面之间的路程的一些干预因数的影响，同时，也与探测器的接受面大小，接收面和源点之间的夹角的关系的影响。通常我们为了保证科学的严谨性，为了更加好地对探测器的性能进行的研究，我们需要本征探测效率。本征探测效率的定义为： (3-3)从定义看，本征探测效率跟源探测效率比，本征探测效率就不受发射源跟探测器的几何关系影响了，因此，也更有严谨性。同时，根据探测的记录事件的性质的不同进行分类，探测效率也可以分为总效率和峰探测效率。总效率换而言之就

41、是探测器输出的全部脉冲，但是这常常存在着噪声和干扰，而这些噪声和干扰常常会给我们的实验带来不小的误差，因此我们在测量射线的探测效率，我们常常只记录全能峰对应的计数，这样子不但方便了探测，也可以较好地去除在探测期间周围事物所引起的噪声的干扰。峰探测效率也可以分为源峰探测效率和本征峰探测效率，他们的定义分别为： (3-4) (3-5)我们所研究的高纯锗探测器具有良好的能量分辨率，并且射线的全能峰也非常尖锐，十分清晰，也就是说，就算当同时有很多不同组的射线射入时，它们的全能峰也能很清晰地分辨，分成独立的一道道，然后峰面积也比较好求，这为我们的探测器探测效率的研究计算提供了巨大的方便，因此，我们在下文

42、的探测器探测效率研究和MCNP建模模拟时，我们所用的是源峰探测效率。4 MCNP的基础4.1MCNP的基础MCNP(Monte Carlo N Particle Transport Code)是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamos National Laboratory)开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题的通用软件包，也具有计算核临界系统（包括次临界和超临界系统）本征值问题的能力。该软件包通过FORTRAN语言编程实现。8MCNP目前可用于计算与电子、光子和电子相关的物理运输问题，在探测器的制作、探测器的探测效率的模

43、拟、反应堆的设计、核武器的研制以及医学保健物理方面都有很广方面的应用。MCNP所用到的基本方法是蒙特卡罗方法，简单来说，就是将一个事件通过蒙特卡罗思想变成某个事情发生的概率，然后通过特定的实验，求出这个事情的某一随机事件所发生的概率，或者得到这个随机事件的一些数学特征，然后将问题解决。蒙特卡罗解决问题时主要通过三个步骤：通过思想构造和描述某个概率的过程，这也是将一些没有随机概率的问题转变成具有随机概率的问题从构建出的概率模型中进行概率分布抽样，也就是通常所说的进行“模拟实验”，通过模拟实验产生随机数，这些随机数也是完成我们蒙特卡罗实验的基本工具建立各种估计量进行模拟，也就是我们确立了模型后，也

44、进行了抽样实验，最后要确立一个随机变量，作为问题的解。总括来说，MCNP是一种功能广泛、连续能量、通用几何、时间相关、耦合中子、光子、电子运输的蒙特卡罗方法系统。4.2 MCNP的程序结构运行MCNP的程序结构一般分为三大模块，分别为输入inp模块，运行模块、还有运行结束后的输出模块。运行模块中还包含材料说明截面库等东西。其中，MCNP的输入inp模块为基础模块，也是我们需要通过MCNP的运行来解决问题所输入的数据，简单来说，就是我们所建立的这个模型，通过我们对程序语言的编写，对模型的结构，大小，材料，所使用的放射源的种类，放射源的能量还有对计数栅源的描述和参与模拟的粒子数等方面的描述，对于输

45、入文件inp的编写，可类似于我们运用Mat lab，c+等软件的编程一说，也就是将我们所需描述的内容，转化为软件能够自动识别的计算机语言。而运行模块，就是MCNP开发人员所预先编写好的模块，这些模块所包含着对我们需要解决问题的运行过程和运行方法，这模块包含着我们对中子、光子、电子的计算与其运输方式的模拟。运行模块也就是MCNP的核心，是能够进行各种模拟的保证。输出模块就是输入的inp文件通过运行模块后，得出的结果的输出，也就是运行结构，就是输出模块了。总体的MCNP的程序结构运行图如下图： 图4.1 MCNP的程序结构运行图5 高纯锗探测器的MCNP模型建立与探测效率的模拟5.1MCNP模型的

46、建立我们实验模拟是以133Ba为射线放射源，放射源与探测器入射窗面的距离为15cm，求出源峰探测效率，绘出其MCNP模拟实验曲线，通过与现实实验得出的源峰探测效率曲线相比较，得出结论。9本文的MCNP模型建立是以ORTEC公司所生产的P型单端同轴型高纯锗探测器进行建模，其中根据探测器的使用说明书给出的数据为，晶体的直径为46.9mm，长度为55.6mm，冷指的长度为35mm，半径为3.01mm。探测器的结构尺寸材料如下表，其结构模拟图如下。 表5.1 高纯锗探测器结构尺寸表探测器结构尺寸（cm）材料晶体直径4.69Ge晶体长度5.56Ge冷指长度3.5B冷指半径0.301BMount Cup

47、底座厚度0.32AlMount Cup 壁厚1.276AlMount Cup 底座与晶体之间的空气厚度1AirAl壳厚度0.127AlAl壳与Mount Cup之间空气厚度1.3Air 图5.1 高纯锗探测器结构模型图5.2 MCNP模型建立与计算我们基于MCNP对高纯锗探测器的探测效率进行模拟，需根据以下的步骤进行模拟：对需要研究的高纯锗探测器的几何模型进行性模拟，其尺寸，结构，材料等方面的数据以厂家给出的相应数据为依据对射线的放射源进行描述，包括源的定义，能量箱的描述，粒子数的描述，源与探测器探头的空间位置的描述，还有计数栅元的描述对以上的模型转化为MCNP语言。我们通过对MCNP的输入文

48、件inp的编写，得到的MCNP模拟高纯锗探测器和放射源的几何机构图如下： 图5.2 MCNP所模拟高纯锗探测器几何结构图 图5.3 MCNP模拟高纯锗探测器Px截面图这是其在Px方向下截面下的截面图，图中能清楚地看到我们通过MCNP的模拟，对探测器的外壳、Mount Cup、探测介质、冷指和死层等都得到了不错的模拟，并且能够更加直观地现实出探测器的单向同轴型。同时我们在源卡计数卡中使用了比较特殊的F8脉冲能量计数卡进行探测器探测效率的模拟的计算，这也是根据与高纯锗探测器的高分辨率、射线的全能峰的尖锐性和互相干扰性较少、探测效率的计算方便而特意选取的，其得出的数据即为探测器对射线的全能峰的源峰探

49、测效率。5.3输入文件inp的编写与分析下面所给出的即为我们通过MCNP的模拟，对高纯锗探测器的探测效率的模拟的输入文件inp：reactor description based on like but trcl card *张健新*USCC Cell Cards *1 1 -2.7 (1 -2 -19):(11 -12 -19):(-19 18 2 -11) imp:p=1 $Al外壳2 2 -0.00124 (2 -3 -18):(10 -11 -18):(-18 17 3 -10) imp:p=1 $空气3 1 -2.7 (3 -4 -17):(9 -10 -17):(-17 16 4

50、-9) imp:p=1 $mount cup4 3 -0.53 (5 -8 -16 15):(4 -5 -16) imp:p=1 $Li死层5 5 -5.32 (5 -6 -15):(-8 6 14 -15) imp:p=1 $探测介质Ge6 4 -2.34 (6 -7 -14):(7 -8 13 -14) imp:p=1 $B冷指7 2 -0.00124 (4 -9 -16)#4 #5 #6 imp:p=1 $空气8 0 -20 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 imp:p=1 9 0 20 imp:p=0C Surface Cards *1 py 02 py 0.1273 py 1.4274 py 2.7035 py 2.8236 py 4.0137 py 4.01338 py 8.3839 py 9.38310 py 9.70311 py 11.00312 py 11.1313 cy 0.314 cy 0.300315 cy 2.34716 cy 2.46517 cy 3.74118 cy 5.04119 cy 5.16820 so 100MODE P