核工程与核技术毕业设计（论文）-几种不同规格HPGe探测器探测性能MCNP模拟.doc

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1、 毕业设计（论文）题 目：几种不同规格HPGe探测器探测性能MCNP模拟英文题：Several different specifications HPGe simulation detector performance MCNP学生姓名： 专 业：核工程与核技术班 级：指导教师： 摘 要高纯锗（HPGe）探测器是近几年来迅速发展的一种新型半导体探测器。这种探测器克服了Ge（Li）探测器存在的生产周期长、需在低温下保存等缺点。它的出现使得复杂核素的能谱定量分析成为现实。大大推动了核能谱学的发展。通过保持晶体的长度改变探测器晶体半径的大小，用光子和电子耦合输运MCNP程序的电子脉冲计数类型的能量展

2、宽模拟计算HPGe探测器的能谱。MCNP程序提供能峰高斯展宽的模拟方法也可以用于计算HPGe晶体对射线的探测效率等方面研究，对实验结果的可靠性和准确性提供依据。并通过MCNP计算，能量分辨率、峰康比、峰总比，与参考文献的实验结果符合较好，显示了MCNP用于模拟可行性。 论文通过MCNP的模拟，比较不同规格的HPGe探测器射线探测性能，比与参考文献的实验结果一致，说明MCNP模拟得到的数据时可靠的，而且MCNP程序完全可以代替实验。关键词：高纯锗探测器、 蒙特卡罗模拟、 探测性能AbstractHPGe is a high rapid development semiconductor dete

3、ctor in last few years. It overcomes the GE detectors (LI) detector long production cycle time and low temperatures storage, and so on disadvantage. It leads complex quantitative analysis of gamma spectrum radioisotope to realization. Immensely help the development of nuclear annihilation. MCNP prog

4、ram provides energy peak broadening Gaussian simulation method which can also be used to calculate the HPGe and to study the crystal on efficiency of -ray detection thus provide evidence on the reliability and accuracy of the experimental results. Calculated by MCNP of energy resolution, peak health

5、 and than the peak, and in good agreement with the experimental results of references, which showing the feasibility of MCNP to simulationBy MCNP simulation and comparison of the -ray functions of different specifications of the HPGe detector detection, this paper shows the reliablability of the sim

6、ulation data. Whats more, the MCNP program canCompletely replace the experiment.Keywords：HPGe detector、 Monte Carlo simulation、 Detection performance朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典目 录绪 论11 HPGe探测器的介绍41.1 高纯锗探测器工作的基本原理41.2 高纯锗探测器的结构41.3 高纯锗探测器的性能71.3.1 能量分辨率71.3.2 探测效率81.3.3 峰康比82 蒙特卡罗方法92.1 蒙特卡罗方法简介92.2 MCNP基础92.3

7、 MCNP误差的估计102.4 MCNP程序运行的结构112.5 MCNP应用123 实验模拟143.1 建立蒙特卡罗模型143.2 输入文件153.3 模拟不同规格的高纯锗探测器的计算164 数据分析204.1 处理数据204.1.1 能量分比率204.1.2 探测效率214.1.3 峰康比225 结论24致 谢25参考文献26附录27毕业设计（论文） 绪论绪 论半导体探测器已经历了半个多世纪的不断发展，探测器种类不断丰富，性能不断提高。它的工作原理与之前研究的气体探测器和闪烁探测器的基本一样，只是探测介质有所不同，半导体探测器的探测介质是半导体材料。它的主要优点是：(1)电离辐射在半导体介

8、质中产生一对电子、空穴对平均所需能量大约为在空气中产生一对离子对所需能量的十分之一，即同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在空气中产生的约多一个数量级，因而电荷数的相对涨落也要小得多，所以半导体探测器的能量分辨率很高。(2)带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高，大约为三个量级，所以当测量高能电子或者射线时半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器。(3)测量电离辐射的能量时，线性范围比较宽。高纯锗（HPGe）探测器是近些年来迅速发展的一种新型半导体探测器。这种探测器克服了Ge（Li）探测器存在的生产周期长、需在低温下

9、保存等缺点。它的出现使得复杂核素的能谱定量分析成为现实，大大推动了核能谱学的发展。目前高纯锗探测器的基体按其材料的性质，即残余杂质是受主还是施主，可分为P型锗和N型锗。净杂质浓度均可达到1010/cm3-51010/cm3。按晶体的几何形状可分为同轴型、平面型、井型等几种。其中以同轴型应用最广。P型和N型同轴探测器在生产时都将整流结做在外表面，使耗尽层向内。平面型高纯锗的灵敏区的厚度一般在5mm和1.0mm。主要用于测量中、高能的带电粒子(能量低于220Mev的粒子，低于60Mev的质子和能量低于10MeV的电子)和能量在300keV至600keV的X射线和低能射线。平面型HPGe深测器用于测

10、量射线时，灵敏区的厚度往往就不够了。由于锗晶体在轴向可以作得相当长，因此，如果作成同轴型的则灵敏体积就可以大为提高。目前商品生产的HPGe探测器灵敏体积大的可达400cm3，可以满足能量低于10Mev的能谱测量的需要。同轴型HPGe探测器有两种基本的几何结构：(1)双端同轴，见图(a)即中心孔贯穿整个圆柱体。(2)单端同轴，见图(b)即中心孔只占圆柱体轴长的一部分。大部分商品生产的HPGe探测器均为单端。因为这样可以避免为解决前表面漏电需要作的复杂处理，此外当测量能量较低的射线时，如果前表面是一个薄的电接触层就可以得到一个薄的入射窗。图1 同轴型HPGe几何结构示意图但这时电场不再是完全径向的

11、，在一些角落里电场较低，影响裁流子的收集。为克服此问题一方面使中心孔的封闭端尽量靠近前表面，另一方面尽量减小前表面的棱角，作得圆滑一些。通常同轴HPGe探测器是用P型Ge制成。又称常规电极型同轴锗探测器。它也可用N型Ge制成，又称为倒置电极型同轴锗探测器。对同轴型探测器整流接触(或电极)(即从那里开始形成半导体结)原则上可以在圆柱体的内表面也可以在外表面。但它们形成的电场条件却大不相同。如果整流接触在外表面，则耗尽区随着外加电压的增加从外向内扩展，当达到耗尽电压时，正好扩展到内表面。如果内表面是整流接触，那末，耗尽区随外加偏压的增加从里向外扩展，直至外表面。从下节的讨论可知，距整流接触越近，电

12、场越强。所以总是选外表面为整流接触，因为这样会使电场较强的区域所占的体积较大，有利于载流子的收集。即对P型HPGe，外表面为n+接触，而对N型HPGe，外表面为p+接触。内表面为类型相反的非注入接触.外加电压均为反向电压，即n+边极性为正，p+边极性为负。也就是对常规电极(P型)HPGe探测器外面加正电压里面加负电压，如图(a)所示。对倒置电极(N型)HPGe探测器正好相反，外而加负电压，里面加正电压，如图(b)所示。1图2 P型HPGe（a）和N型HPGe（b）加电压的方法28毕业设计（论文） HPGe探测器的介绍 1 HPGe探测器的介绍1.1高纯锗探测器工作的基本原理一般地说，任何一种辐

13、射探测器，都是基于射线与探测器灵敏体积内介质的相互作用，即通过光电效应、康普顿效应和电子对效应(要求Er1.02Mev)等三种作用机制而损失能量，这些能量被用来在锗晶体中产生空穴一电子对，在外加反向偏压所形成的电场作用下，空穴一电子对作定向运动，使得所产生的电荷得到收集，形成探测器输出端的基本的电信号，以供后面的电子学线路记录、处理与分析。高纯锗探测器可以看成一个在反向偏压下工作的巨大晶体二级管。由单个事件所产生的信号脉冲与其外接电路(通常为前置放大器)的输入端特性有关。2如下等效电路所示：图1.1 HPGe探测器等效电路图图中c为探测器电容，它与电缆分布电容及前置放大器输入端特效电容相连接。

14、R为前放输入阻抗，负载电阻R两端的脉冲信号V(t)的上升前沿取决于探测器的电荷收集时间t，对同轴型高纯锗探测器。在液氮温度下为r108秒量级。r为晶体外径。脉冲信号后沿取决于外电路的RC常数。一般RC远远大于tc。81.2高纯锗探测器的结构 高纯锗探测器具有能量分辨率高、线性范围宽、探测效率高、性能稳定、能在室温存放等优点。 早期的锗探测器是甩杂质浓度10181013cm-3的p型锗，通过铿离子漂移技术获得补偿高阻来实现的。1971年Hall和Hansen首次研制出净杂质浓度1010cm-3的锗单晶，接着又制成了高纯锗探测器。又经过45年努力，高纯锗探测器已逐步取代了锂漂移锗探测器。近年来，随着高纯锗材料质量进一步提高，器件制备中引进新工艺和配置低噪音电子学系统，高处走探测系统的性能有了明显改进，应用范围日益扩大。 目前高纯锗探测器所达到的指标是：对60Co 1.332MeV的射线的能量分辫率1.6keV,相对探测效率45；对55Fe 5.9keV X 射线分辨率小于150eV, 射线能量范围2keV一10MeV。主要用于高分辨率的X、能谱仪, 探测高能粒子