Παραμετρική μελέτη υποστρώματος ανιχνευτικών διατάξεων γερμανίου με χρήση τεχνικών προσομοίωσης Monte Carlo

Abstract

Η παρούσα Μεταπτυχιακή Εργασία (ME) διενεργήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών (ΔΠΜΣ) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές” του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ). Σκοπός της παρούσας ΜΕ ήταν η καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών που συντελούν στην παραγωγή του φάσματος σε μία γ-φασματοσκοπική διάταξη. Η κατανόηση αυτών των μηχανισμών θα μπορούσε να οδηγήσει στη λήψη μέτρων για τη βελτίωση των συνθηκών συλλογής του φάσματος, που θα επέτρεπαν την καλύτερη αξιοποίησή του. Ειδικότερα, αντικείμενο της ΜΕ ήταν η παραμετρική μελέτη του υποστρώματος ανιχνευτικών διατάξεων Γερμανίου, με χρήση τεχνικών προσομοίωσης Monte Carlo. Η ΜΕ εστιάζει στο υπόστρωμα της ανιχνευτικής διάταξης που προέρχεται από την ακτινοβολία που εκπέμπεται από το ίδιο το αναλυόμενο δείγμα. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η συνεισφορά στη δημιουργία αυτού του υποστρώματος των διαφόρων συνιστωσών της διάταξης. Η γνώση αυτή είναι δυνατό να βοηθήσει στη μείωση του υποστρώματος, με χρήση απλών λύσεων, όπως π.χ. φίλτρων κλπ. Καθώς το δείγμα το οποίο αναλύεται είναι πιθανόν να εκπέμπει τόσο φωτονιακή ακτινοβολία, όσο και ακτινοβολία-β, στα πλαίσια της ΜΕ εξετάσθηκε η συνεισφορά και των δύο ειδών ακτινοβολίας στη δημιουργία του συνεχούς υποστρώματος, είτε λόγω σκέδασης των φωτονίων, είτε λόγω πέδησης των σωματιδίων-β. Η μελέτη που έγινε αφορά σε πραγματικό ανιχνευτή και συγκεκριμένα στο ανιχνευτικό σύστημα XtRa (eXtended Range Germanium detector) του Εργαστηρίου Πυρηνικής Τεχνολογίας του ΕΜΠ (ΕΠΤ-ΕΜΠ). Ο κώδικας προσομοίωσης που χρησιμοποιήθηκε είναι ο κώδικας PENELOPE που προσομοιώνει τις αλληλεπιδράσεις φωτονίων και σωματιδίων-β με την ύλη. Όσον αφορά στις πηγές που προσομοιώθηκαν, επιλέχθηκε μία σειρά από πηγές 40Κ με διαφορετικές γεωμετρίες. Το ισότοπο 40Κ επελέγη διότι, αφενός μεν πρόκειται για ένα ισότοπο που εκπέμπει μόνο ένα φωτόνιο αρκετά υψηλής ενέργειας καθώς και σωματίδια-β με αρκετά υψηλή μέση ενέργεια, και αφετέρου διότι το 40Κ απαντάται πρακτικά σε όλα τα περιβαλλοντικά δείγματα.

This Thesis was conducted under the Postgraduate Program "Physics and Technological Applications" of the National Technical University of Athens (NTUA). The purpose of the Thesis was to contribute to the better understanding of the mechanisms of gamma spectrum production in a gamma ray detector. Understanding these mechanisms could lead to measures for improving the spectrum collection, which would allow for the detector’s better utilization. The Thesis was focused on the parametric study of the Germanium detectors background, which is produced by the radiations emitted from the analyzed sample, using Monte Carlo simulation techniques. Other sources of background were not taken into consideration during this work. Since the sample being analyzed is likely to emit both: photon radiation and beta-particles, the contribution of both types of radiation – due to photon scattering and bremsstrahlung radiation – in the creation of the continuous background was examined. For this purpose the XtRa (eXtended Range Germanium detector) of the NTUA Nuclear Engineering Laboratory was simulated using the Monte Carlo simulation code PENELOPE, which simulates the interactions of photons and β-particles with matter. Several source-to-detector geometries were simulated (cylindrical, point sources etc). In all cases, the radionuclide that was chosen for simulation was 40K, since it emits photons and β-particles with significant energies and it is also found in virtually all environmental samples and the background of Ge detectors.