反射層對NaI(Tl)閃爍體探測器探測效率的影響

袁 航 單 偉 趙夢薇 鄭 曉 鐘思潔

（核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213）

1 引言

閃爍體探測器作為一種常見的輻射探測設備，其探測機理是當入射粒子（例如γ）進入閃爍體中后，經歷了光電效應（探測的主要貢獻）、康普頓散射、電子—空穴對的形成等各種作用以及閃爍體內部的微觀轉變，從而產生一些能量比輻射低很多的光子， 由于發射的光微弱以至于無法通過肉眼觀察， 需要由光電倍增管的光陰極將其轉換為光電子再進行倍增放大從而對入射粒子進行探測。

NaI (Tl)作為一種重要的無機鹵化物閃爍體，由于它良好的特性 （3.67 g/cm3） 以及較高的發光效率（38 光子/keV），在輻射探測方面具有靈敏體積大、探測效率高、價格低廉等特點，同時由于NaI （Tl）閃爍體探測器具有操作簡單、環境適應能力強的優點，使得該閃爍體探測器廣泛使用在核物理試驗， 輻射監測、油井勘探、醫療成像系統等眾多領域[1]。

Monte Carlo 方法作為一種以概率論為指導的數值模擬方法，經過半個多世紀的發展，現在已經成為核物理研究方面的重要工具Monte Carlo 方法被廣泛地應用于探測器的研究中， 在之前的研究中探測距離、閃爍體的大小、入射的方向等均會影響到探測器的探測效率[2-9]。

在本次的模擬中， 使用Monte Carlo 方法計算了NaI (Tl)閃爍體探測器在不同反射層及不同反射層厚度下對探測效率的響應，計算出了絕對探測效率和全能峰探測效率。 模擬了氧化鋁粉末 （Al2O3）、 鈦白粉（TiO2）作為反射層材料時的探測效率，同時使用一種使用較為廣泛的反射層材料——氧化鎂粉末（MgO）來作為參考，并基于此次的模擬結果，平衡反射層厚度對絕對探測效率以及全能峰探測效率的影響，對閃爍體探測器的反射層材料以及反射層厚度提出了優化建議。

2 實驗方法

2.1 MCNP 模型

在使用 Monte Carlo 方法 NaI （Tl）閃爍體探測器進行計算時，γ 放射源的能量被設定為662keV。

在模擬中考慮NaI （Tl）閃爍體探測器實際使用的情況，本文中所建立的NaI （Tl）閃爍體探測器的模型是一個封裝后的模型。 對于閃爍體的反射層，選擇使用氧化鎂粉末、氧化鋁粉末和二氧化鈦粉末來進行對比，同時反射層的厚度從0.1 cm 到0.3 cm 以0.02 cm為間隔進行遞增。 模擬的參數如表1 和表2 所示。

表1 MCNP 模擬所需參數

表2 反射層材料厚度

2.2 MCNP 模型

閃爍體探測器的探測效率反應了閃爍體探測器探測輻射粒子的能力。 本文中采用探測器的絕對探測效率以及全能峰效率來反應NaI （Tl）閃爍體探測器探測對入射粒子探測的性能。

絕對探測效率考慮的是對放射源所發射出的所有粒子，探測器測量到的計數值，計算公式如下所示：

式中，N 為NaI (Tl)閃爍體探測器受到入射粒子激發所產生的微弱脈沖計數；N0為放射源在探測時間內所發射的粒子總數。

NaI （Tl）閃爍體探測器的全能峰效率考慮的是對放射源所發射出的所有粒子，NaI （Tl）閃爍體探測器能譜中全能峰的計數，計算公式如下所示：

式中，N全能為 NaI （Tl）閃爍體探測器受到入射粒子激發， 在全能峰處的微弱脈沖計數；N0為放射源在探測時間內所發射的粒子總數。

圖1 NaI(Tl)閃爍體的MCNP 模型

3 結果與討論

根據圖1 和圖2 建立的探測器模型， 使用Monte Carlo 方法進行了模擬計算得出了探測器的能譜。 模擬所得結果使用公式（1）和公式（2）來進行計算 NaI （Tl）閃爍體探測器的絕對探測效率和全能峰探測效率，使用公式（3）計算探測器的相對探測效率，計算所得結果如圖2 和圖3 所示。

圖2 仿真計算示意圖

圖3 不同反射層厚度下的絕對探測效率

由圖3 可知， 在不同反射層厚度的情況下，NaI(Tl)閃爍體探測器的相對探測銷量（絕對探測效率）會隨著反射層厚度的增加而有所起伏并有所提升，從0.1 cm 時的0.819%到0.3 cm 時的0.841%；同時使用MgO 粉末作為反射層時的絕對探測效率與使用Al2O3粉末的相比，在0.1 cm 反射層厚度的情況下相對探測效率低了0.003；與此同時，使用TiO2粉末時在絕對探測效率上要比使用其他兩種材料有所提升（0.001%）。由圖3 可見，增加反射層厚度能帶來更高的絕對探測效率， 在絕對探測效率的表現上，MgO 粉末、Al2O3粉末與TiO2粉末均可作為反射層材料，且會隨著反射層厚度的增加而提升絕對探測效率，同時使用TiO2粉末時的絕對探測效率要比使用其他兩種材料時略高。

在本文的模擬中使用的是 662 keV 的 γ 放射源，662 keV 處全能峰效率更能體現出模擬計算中NaI （Tl）閃爍體探測器對于該能量的入射γ 粒子的探測能力。

圖4 不同反射層厚度下的全能峰探測效率

由圖4 可知，使用不同反射層材料時探測器的相對探測效率（全能峰效率）是隨著反射層厚度的變化而變化的。 在圖4 中相對探測效率（全能峰效率）是隨著閃爍體反射層厚度的增加而減少， 從0.1 cm 時0.329%到0.3 cm 時的 0.327%；在 0.26 cm 的反射層厚度時， 使用 MgO 粉末作其全能峰探測效率為0.334%， 而使用Al2O3粉末時其全能峰探測效率是0.333%，使用TiO2粉末時為0.331%。 而其余反射層厚度范圍內，使用MgO 粉末和Al2O3粉末時的全能峰探測效率基本上是一樣的，而使用TiO2粉末時全能峰探測效率要低于其他兩種材料。 根據上述不同的厚度下全能峰效率可知，MgO 粉末、Al2O3粉末與TiO2粉末均可作為反射層材料， 且會隨著反射層厚度的增加而降低全能峰探測探測效率， 同時使用TiO2粉末時的全能峰探測效率要比使用其他兩種材料時略低。

4 結論

通過 Monte Carlo 方法對 NaI （Tl）閃爍體探測器進行了計算， 改變不同反射層材料的厚度計算出了NaI （Tl）閃爍體探測器的相對探測效率。 發現探測效率是會隨著反射層的增加而產生不同的變化， 根據絕對探測效率以及全能峰效率在不同反射層厚度下的具體結果， 同時為了平衡在不同反射層厚度下NaI （Tl）閃爍體探測器的絕對探測效率以及全能峰效率，本文建議在使用 MgO 粉末與 Al2O3粉末作為 NaI （Tl）閃爍體探測器的反射層材料時，在條件允許的情況下應使用較薄的反射層厚度，例如0.1cm。