康普顿抑制计数系统

康普顿抑制系统可减少低本底计数系统的康普顿平台高度,从而提高最小可检测活度和整体谱质量 - 特别适用于小体积样品,如空气滤纸和培养皿。

ORTEC在全球范围内提供了数十种康普顿抑制系统,以满足极低本底计数应用的苛刻要求。

ORTEC评估了各种HPGe探测器的效率、分辨率和峰康比等一系列性能参数,以确定最佳的仪器组合,从而实现最佳的整体性能。
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    康普顿抑制计数系统的基础知识
    在典型的低本底系统中,通常需要降低计数系统组件(探测器、铅屏蔽和屏蔽室内的空气)中的固有放射性。这些低本底系统通常只能减少锗谱系统中的宇宙和自然本底源。

    康普顿抑制系统旨在降低这些典型计数系统中观察到的本底水平(峰下连续谱平台高度)。虽然低本底系统去除了大部分增加谱峰计数的成分,但它们并没有解决导致本底连续谱的主要因素:康普顿散射事件。如果入射光子的全部能量未被HPGe探测器完全吸收并因此在离开探测器时仅留下部分能量用于计数,将发生康普顿散射。 该部分能量峰出现在γ射线能谱中,作为全能峰以下的随机事件,也就是所谓的康普顿连续谱。

    全能峰值与康普顿连续谱平均高度的比值称为峰康(或P/C)比。在标准HPGe探测器中,对于60Co的1.33MeV峰,峰康比通常在40:1和60:1之间。较大的探测器可以达到近100:1的P/C比。

    因为逃逸的能量是光子,所以可以用另一个探测器收集能量。这通常由较便宜材料(例如NaI)制成的大晶体来完成,也就是所谓的屏蔽探测器。通过将HPGe和屏蔽探测器中的事件与时间电子学相关联,屏蔽探测器中计数的事件可用于抑制HPGe探测器中的同时事件。由此,康普顿连续谱得到抑制。在康普顿抑制系统中,峰康比超过800:1。这可将本底降低10倍以上,将MDA降低3倍以上。

    选择康普顿抑制HPGe探测器时需要考虑的因素
    康普顿抑制系统的有效性取决于屏蔽探测器从HPGe探测器收集散射事件的能力(效率)。因为光子有可能与它遇到的每种材料相互作用,所以在HPGe晶体的有效体积和屏蔽晶体的有效体积之间必须存在尽可能少的材料。可能影响的材料包括:

    • HPGe外部接触面
    • HPGe晶体杯
    • HPGe端盖
    • HPGe端盖和屏蔽探测器外壳之间的空气或其他材料
    • 屏蔽探测器外壳

    选择哪些特征
    一个合适的康普顿抑制系统HPGe探测器应具有以下特征:

    1. 薄外部接触级
    2. 低密度杯
    3. 低密度端盖
    4. HPGe晶体直径应尽可能大,以适应端盖
    5. 端盖直径适合NaI探测器环

    特征1可通过使用ORTEC γ-X探测器实现,该探测器使用N型锗,外部接触面为0.3微米的硼。

    ORTEC采用0.5 mm厚的低本底铝杯制造标准探测器,满足特征2的要求。

    标准探测器采用1.5 mm厚的低本底铝制端盖,带有碳纤维窗口,因此满足特征3的要求。

    为端盖选择合适的晶体对于实现特征4至关重要。在典型的超大型端盖(直径为82-1/2 mm)中,可以使用直径达70 mm的探测器。这相当于一个相对效率为60-75%的N型探测器。

    通过订购NaI环可满足特征5,其中大部分环都可以根据ORTEC的规格定制。

    不能选择哪些特征
    鉴于上述特征,康普顿抑制系统中使用的探测器应避免以下特征:

    1. 标准P型探测器: 与GEM相似,P型探测器具有较厚的外部接触级(约600微米的锂)。该接触级比N型探测器大三个数量级,γ射线在该接触面中停止(以及从抑制中丢失)的概率显着增加。
    2. 扩展系列P型探测器: 扩展系列P型探测器前面只有一个薄接触级。这意味着大部分晶体将被较厚的锂接触面包围,因此不应用于康普顿抑制系统,其原因与标准P型探测器相同。
    3. 镁端盖: 镁具有比铝更高的质量吸收系数,这增加了光子与端盖相互作用而不进入NaI环的可能性,因此应该避免。
    4. 铜晶体杯: 应避免使用铜作为晶体杯,因为铜具有更高的密度和更高的质量吸收系数。这增加了光子不进入屏蔽探测器的可能性。
    5. 铜端盖: 与铜杯一样,应避免在某些环境低本底探测器系统中使用铜端盖。
    熟悉低本底探测器的人会注意到上面列表中的第3、4和5项通常用于低本底探测器。按照传统思维,康普顿抑制低本底探测器是超低本底计数的最佳解决方案,但事实并非如此。通过在探测器结构中使用这些材料,可能会降低康普顿抑制系统的整体性能。因此,权衡在这里就很重要。
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