Χαρακτηρισμός απόδοσης ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου (HPGe) με τη μέθοδο Monte Carlo

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο του ερευνητικού αντιδραστήρα του Ινστιτούτου Πυρηνικής Τεχνολογίας και Ακτινοπροστασίας του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος». Στόχος αυτής της εργασίας είναι η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της απόδοσης ενός ανιχνευτή υπερκαθαρού γερμανίου που βρίσκεται στο εργαστήριο του ερευνητικού αντιδραστήρα και χρησιμοποιείται για την γάμμα φασματομετρία δειγμάτων μιας ευρείας γκάμας φυσικών χαρακτηριστικών στα πλαίσια μετρήσεων ανάλυσης με νετρονική ενεργοποίηση και ακτινοπροστασίας. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε υπολογιστική μέθοδος χαρακτηρισμού της απόδοσης για πηγές σημειακής αλλά και εκτεταμένης γεωμετρίας με τη βοήθεια της μεθόδου Monte Carlo. Η μέθοδος βασίστηκε στην τρισδιάστατη προσομοίωση του ανιχνευτικού συστήματος (πηγή ακτίνων γάμμα – ανιχνευτής – θωράκιση) με τον Monte Carlo κώδικα MCNP και της απόδοσης φωτοκορυφής του σε φάσμα ενεργειών από 45 έως 1836 keV. Το μοντέλο του ανιχνευτή αναπτύχθηκε σταδιακά ώστε να μελετηθεί η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων στην απόδοση. Ανάμεσα σε αυτές τις παραμέτρους μελετήθηκε διεξοδικά το πάχος του ανενεργού στρώματος γερμανίου (inactive Ge layer), που είναι γνωστό και ως «νεκρό» στρώμα (dead layer) και αποτελεί τη φυσιολογική φθορά του ανιχνευτή. Το ανενεργό στρώμα του κρυστάλλου αποτέλεσε τη βασική παράμετρο βελτιστοποίησης του μοντέλου του ανιχνευτή ενώ παράλληλα, έγινε μελέτη της αύξησής του με την πάροδο του χρόνου και της συνεπαγόμενης μείωσης της απόδοσης του ανιχνευτή. Το βέλτιστο μοντέλο προέκυψε με ημι- εμπειρική τεχνική που βασίστηκε στη μεταβολή του ανενεργού στρώματος του μοντέλου έως ότου επιτευχθεί συμφωνία μεταξύ της υπολογισμένης και της πειραματικά προσδιοριζόμενης απόδοσης φωτοκορυφής, για βαθμονομημένες πηγές ακτίνων γάμμα σημειακής και εκτεταμένης γεωμετρίας Η παρούσα μελέτη εξήγαγε πειραματικά επιβεβαιωμένα μοντέλα, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν στο χαρακτηρισμό της απόδοσης του ανιχνευτή για πλήθος εφαρμογών που απαιτούν ανάλυση δειγμάτων σε ένα εύρος σχημάτων, διαστάσεων, υλικών και ισοτοπικής σύστασης. Η υπολογιστική μέθοδος που αναπτύχθηκε αποτελεί μία δυναμική μέθοδο ως προς τις δυνατότητές της να περιγράφει πολύπλοκες γεωμετρίες δειγμάτων και συνεισφέρει στην μείωση των αβεβαιοτήτων που υπεισέρχονται στη μέτρηση από τις διαφορές στα φυσικά χαρακτηριστικά των βαθμονομημένων πηγών από τα υπό ανάλυση υλικά (π.χ. διαφορές στην πυκνότητα). Συμβάλει, επίσης, στην εξοικονόμηση χρημάτων, πειραματικού χρόνου, ακτινικής επιβάρυνσης των πειραματιστών και συσσώρευσης ραδιενεργών καταλοίπων, αφού δεν είναι απαραίτητη η αγορά πλήθους βαθμονομημένων πηγών και η πραγματοποίηση εξαντλητικών μετρήσεων. Το μοντέλο του ανιχνευτή μπορεί επιπλέον να χρησιμοποιηθεί σε μελέτες ευαισθησίας της απόδοσης του ανιχνευτή ως προς τη διάταξη μέτρησης (ποσότητα υλικού και γεωμετρία μέτρησης) για συγκεκριμένα υλικά αλλά και μελέτες εκτίμησης της αβεβαιοτήτων που υπεισέρχονται στην πειραματική μέτρηση.

The current work has been carried out at the research reactor laboratory of the Institute of Nuclear Technology and Radiation Protection of NCSR «Demokritos». Scope of the present study was the efficiency characterization of a High Purity Germanium detector (HPGe), used for gamma ray spectrometry of samples of a wide variety of physical characteristics from the fields on Neutron Activation Analysis and radiation protection studies. For this purpose, a Monte Carlo based computational method was developed enabling characterization of the detector’s efficiency for point and extended gamma ray source geometries. The method was based on the three dimensional MCNP simulation of the detection system (gamma ray source – detector – shielding) and estimation of the photopeak efficiency in the range of 45 – 1836 keV. The detector model was developed in steps in order to check the effect of various parameters on the calculated efficiency. Emphasis was given on the inactive layer of the germanium crystal which corresponds to the crystal’s natural deterioration. The thickness of this layer, which is also known as germanium ‘dead’ layer, was the basic parameter used for the detector model optimization. The increase of the germanium ‘dead’ layer with time associated with a decrease of the detector efficiency was also studied. The optimum dead layer was derived semi-empirically based on the best agreement between computed efficiency values and experimentally determined ones by using calibrated gamma ray sources for point as well as extended source geometries. The outcomes of the present study were the experimentally verified models developed to be used in efficiency characterization of the HPGe detector for a variety of applications involving gamma spectrometry of samples of a wide range of shapes, sizes, matrices and isotopic composition. The developed Monte Carlo based computational method is a dynamic approach enabling complex sample geometry description and contributes to limitation of uncertainties met in experimental efficiency calibration due to discrepancies in the physical characteristics (such as density) between analyzed samples and activity standards. Moreover, since it requires only a small number of radioactivity standards and experimental measurements, it presents a cost effective technology for detector efficiency calibration contributing to limitation of experimental time, personnel exposure and radioactive waste. The detector model can be further utilized in sensitivity studies of the detector efficiency on the measurement setup (quantity of analyzed material and measurement geometry) for specific materials, as well as in experimental uncertainty analysis calculations.