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摘要：碲锌镉探测器具有本征能量分辨好、单位体积探测效率高、可在室温环境下工作等优势，广泛被应用于国土安全、医学成像、天文观测和前沿物理等领域。利用碲锌镉探测器测量得到的γ能谱中，其特征峰的峰形函数前端存在拖尾现象。在利用蒙特卡罗程序MCNP进行γ能谱模拟中，该程序自带的特征峰展宽函数是高斯函数，即峰形两端都是对称的，与碲锌镉探测器获取γ能谱中的特征峰不符合。本文利用MCNP程序建立碲锌镉探测器模型，模拟探测器对点源Cs-137的γ能谱测量，并利用一种混合高斯函数模型对碲锌镉探测器γ能谱中的特征峰进行展宽，并与实验测量能谱进行对比，验证了该方法的有效性和准确性。

关键词：蒙卡模拟；碲锌镉探测器；能谱展宽

碲锌镉是一种新型化合物半导体材料，对γ射线具有良好的探测性能。由于碲锌镉探测器具有本征能量分辨好、单位体积探测效率高、可在室温环境下工作等优势，使其成为了核辐射探测领域的研究热点之一，并广泛被应用于国土安全、医学成像、天文观测和前沿物理等领域，目前国际上比较常见的CdZnTe器件类型有：MSM探测器、共面栅探测器和像素阵列探测器[1]。蒙特卡罗方法是一种数值分析方法，它是数理统计与计算机相结合的产物[2]，并且已经成为研究粒子输运问题的一个最有力的工具，被广泛用于电子、光子以及中子等粒子的输运问题中[3]。碲锌镉探测器测量的γ能谱中，由于空穴俘获引起电荷收集效率的损失，而不同深度的损失率存在着差异[4]，导致在γ能谱中的全能峰不对称，有明显的前端低能拖尾现象，利用蒙卡程序开展γ能谱模拟中的高斯函数展宽方法不在适用。因此，本文针对碲锌镉探测器γ能谱模拟中特征峰展宽问题，利用一种混合高斯函数模型对碲锌镉探测器γ能谱中的特征峰进行展宽。

一、实验谱γ全能峰拟合

利用碲锌镉探头、数字多道、计算机搭建一套基于碲锌镉探测器的γ能谱探测系统，利用实验室的标准源Cs-137开展γ能谱测量实验，Cs-137活度为3.1×105Bq，其发射0.662MeV的强度为85%。单个γ能谱测量时间为5分钟，探测距离为20cm。碲锌镉探测器晶体材料为CdZnTe，密度5.605g/cm3。通过5点重心法对实验γ能谱进行平滑如图1所示。

使用MATLAB软件对实验谱中的0.662MeV特征峰数据开展拟合，拟合结果如图2所示，基于拟合结果建立了符合该特征峰峰形的一种混合高斯函数模型，如式（1）所示。

二、γ能谱的模拟

MCNP是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的，是基于蒙特卡罗方法的一套大型的、多功能的模拟粒子输运过程的计算程序。MCNP的使用首先需要将所要计算的问题的参数和内容按照其规定输入文件格式编写出一个输入文件，该文件必须遵循一定的格式进行组织，指定描述空间问题的信息[2]，包含：空间几何体的描述、几何体使用材料的描述及交叉区域的选择估计、源的位置和特性说明、必要的回答卡和标记卡类型等。由于MCNP具有几何适应性强、计算精度高、计算功能全面、物质反应截面丰富和可以使用多种减少方差的技巧等优点，因此，被广泛应用于反应堆物理、辐射屏蔽设计优化、核技术、医学物理等研究领域。

根据实验时所用的碲锌镉探测系统，建立的探测器模型参数如下：碲锌镉晶体尺寸为10mm×10mm×15mm，晶体外包裹一层铝壳厚度为1mm，外壳尺寸为25mm×25mm×70mm，如图3所示。标准源Cs-137置于探测器前20cm处，采用F8脉冲计数卡计算γ光子在碲锌镉晶体中的脉冲高度分布能谱。利用MCNP模拟计算得到基于碲锌镉探测器的特征峰未展宽的γ能谱如下图4所示。

三、模拟谱的特征峰展宽

在取定的0.662MeV全能峰左边界到右边界的道址，通过建立的混合高斯函数模型公式（1）计算各道址中特征峰计数所占的份额。将模拟谱中特征峰左右边界道址区间的计数相加，在特征峰区域内的道址上按照上述计算的份额进行重新分配，从而实现模拟谱中特征峰的展宽。对特征峰完成展宽后的模拟谱与实验谱相对比，如图5所示。

本文通过拟合建立的混合高斯函数模型能够较好地表征特征峰前端低能拖尾的现象，准确地展示了碲锌镉探测器γ能谱模拟中特征峰展宽后的实际分布。

四、结论

由于碲锌镉探测器γ能谱全能峰存在前端低能拖尾现象，因此不能直接使用高斯函数进行拟合，在γ能谱模拟中采用高斯函数模型进行展宽的方法不再适用。本文针对碲锌镉探测器γ能谱模拟中特征峰展宽问题，利用一种混合高斯函数模型对碲锌镉探测器γ能谱中的特征峰进行展宽。利用MCNP程序建立碲锌镉探测器模型，模拟探测器对点源Cs-137的γ能谱测量，并利用该方法对碲锌镉探测器γ能谱中的特征峰进行展宽，并与实验测量能谱进行对比，验证了该方法的有效性和准确性。本文的工作对γ能谱分析具有一定参考意义。

参考文献：

[1] 韦永林. 碲锌镉探测器的制备及性能研究[D]. 四川大学， 2005.

[2] 徐小三. Am-Be中子源屏蔽体的蒙卡模拟与设计[D]. 兰州大学， 2008.

[3] 李福龙， 张雄杰， 王仁波. MCNP中高斯展宽系数的确定方法与验证[J]. 核电子学与探测技术， 2013（10）： 1266-1270.

[4] 傅楗强. 碲锌镉探测器若干关键技术研究[D]. 清华大学， 2019.

[5] 周少恒. 蒙特卡罗粒子输运程序MCNP大规模三维网络数据的实时可视化分析研究[D]. 合肥工业大学， 2013.

[基金项目] 四川轻化工大学大学生创新创业训练计划项目“基于蒙卡模拟的碲锌镉探测器γ能谱展宽方法研究（项目编号：CX2023177）”资助。