基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟汇编.docx
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基于MCNP的高纯锗探测器探测效率的模拟汇编
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）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γ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,2002
[2]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γ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γ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15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,2002
[2]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]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].2009
2、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
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γ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
TheMCNPSimulationofHPGeDetectorEfficiency
Abstract：
Inthispaper,startingfromthemostbasic,thefirstbasictheoryofgammaraysanditsdetectionmethodisintroduced.Andtheninthispaperintroducestheproductionanddevelopmentprocessofthedetectorandintroducesthebasicprincipleofsemiconductordetector.ThispapermainlyintroducesthebasicprincipleofthehighparitygermaniumdetectorsandsortsoutthedataoftheORTECcompany’sP-typecoaxialHPGedetector.Finally,introducedthefoundationofMCNPandthisprogramprinciple.Theintroductionofthesetheoriesprovideabasisforthenextsimulation.Thenthroughthestructureandsizeofmaterial’sdatafromthemanufacturerstousesaretheMCNPtosimulatetheHPGedetector.ThenUsingthesourcepeakdetectionefficiencytocalculatethedetectionefficiencywhatourneed.Wereachedtheconclusionthroughthecollationofdataandfindthemistake.Finally,theerrorsareanalyzedandweputforwardsomehypothesis.
Keywords：
highparitygermaniumdetectors；detectionefficiency；MCNPsimulation
目录
1研究的背景及其基本概述1
1.1研究的背景与意义1
1.2如今的研究现状2
1.3.本研究工作的任务和目标2
2γ射线的探测原理4
2.1光电效应（Photoelectriceffect）4
2.2康普顿散射（Comptonscattering）5
2.3电子对效应（Electronpaireffect）6
3高纯锗探测器的基本原理7
3.1半导体探测器的基本原理7
3.2高纯锗探测器的基本原理9
3.3探测效率的意义10
4MCNP的基础12
4.1MCNP的基础12
4.2MCNP的程序结构运行12
5高纯锗探测器的MCNP模型建立与探测效率的模拟14
5.1MCNP模型的建立14
5.2MCNP模型建立与计算15
5.3输入文件inp的编写与分析16
6数据的处理与分析20
6.1数据的处理20
6.2数据的分析和问题的假设23
7结论25
参考文献26
致谢27
附录一28
MCNP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。
γ射线具有穿透力强这一特性，对γ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γ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β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γ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γ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。
2γ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α辐射、β辐射、γ辐射和中子辐射等都统称为核辐射。
其中，γ辐射和X辐射都是电磁辐射，γ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γ射线是由γ放射源而产生的，γ辐射大多数都是母体进行了α或者β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。
γ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γ射线和X射线进行探测时，因为γ射线和X射线自身的特殊性从而γ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γ射线和X射线不能像带电粒子那样被直接探测到。
为了使γ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，通过这些次级电子与物质进行电离或激发效应，从而使γ射线和X射线被探测到。
[4]
2.1光电效应（Photoelectriceffect）
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（Comptonscattering）
入射γ光子的能量hv接近或者超过mec2时，γ光子与轨道电子相碰，γ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γ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γ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电子对效应（Electronpaireffect）
当入射的γ光子能量足够大时（大于1.02MeV）,γ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，γ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，γ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（2mec2=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-2mec2）之间都是有可能的。
3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）
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
Ge
32
15.7
5.33
0.665（300k）
0.74（77K）
2.80（300K）
2.96（77K）
103
103
3900
1900
Si
14
11.7
2.33
1.16（77K）
1.12（300K）
3.76（300K）
3.62（77K）
103
103
1350
480
CdTe
48,52
1.45
4.46
6
1
1000
100
GaAs
31,33
12.5
5.30
1.45
4.35
0.1
1
8500
1000
HgI2
80,53
8.8
3.20
2.13
4.3
25
1
100
4
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，导带中会产生电子而满带中会产生
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