基于SrI2(Eu)闪烁体的水下伽马射线谱仪的GEANT4蒙特卡洛模拟与验证

《Applied Radiation and Isotopes》：GEANT4 Monte Carlo simulation and validation of an underwater gamma-ray spectrometer based on SrI2(Eu) scintillator

　　蒙特卡洛模拟验证了铯-122（SrI?(Eu)）水下γ射线谱仪的高能量分辨率（3%）和低本底特性，实验显示模拟与实测数据吻合度达99%，但无限水几何模型在1.836 MeV处存在12.5%偏差。

　　
本研究针对水下伽马射线光谱仪的核心探测器材料进行了系统性验证与建模探索。实验团队以SrI2(Eu)晶体为基础构建了蒙特卡洛仿真模型，通过Penelope物理列表与标准电磁物理列表的对比验证，证实了该晶体在低能伽马射线探测中的技术优势。研究过程中形成了完整的探测器响应函数数据库，覆盖50 keV至3 MeV能量范围，为后续设备优化提供了关键数据支撑。

在材料性能对比方面，研究指出SrI2(Eu)具有突破性的能量分辨率（约3%在662 keV），较传统NaI(Tl)晶体提升约50%，同时保持90 photons/keV的高光输出效率。这种性能优势主要源于Eu3+掺杂产生的自吸收荧光效应，有效抑制了能量沉积过程中的次级光子干扰。值得注意的是，该晶体完全避免了NaI(Tl)中常见的本底辐射问题，这在海洋环境辐射监测中具有特殊意义。

蒙特卡洛建模采用GEANT4平台，通过构建8立方米圆柱形水箱的精确几何模型，实现了对实际测量环境的数字化复现。研究创新性地引入能量依赖有效体积（Ve）概念，该参数模拟了无限水体介质对伽马射线的散射吸收特性，有效解决了传统有限体积水箱模型在远场探测中的局限性。通过对比实验数据与仿真结果，在低能区（<1 MeV）实现了±1%的精度控制，验证了模型的有效性。

实验验证环节采用三种标准辐射源：Ce-139（165.8 keV）、Cs-137（661.6 keV）和Y-88（898.0/1836.0 keV）。实测数据与仿真结果在Cs-137和Ce-139能点吻合度达99%，但在Y-88的1836 keV能点出现12.5%的偏差。研究团队通过逆向解析发现，该偏差源于水箱体积限制导致的远场散射效应未被完全模拟。改进后的Ve模型通过引入有限介质边界条件修正，显著提升了高能区（>1 MeV）的预测精度。

技术路线方面，研究构建了包含物理建模、几何参数优化、探测器响应函数生成的完整仿真体系。物理模型选择Penelope列表而非标准电磁列表，主要基于两点考量：首先，低能伽马射线（<500 keV）的物理过程需特别关注康普顿散射和光电效应的比例关系，Penelope的复合光子模型能更精确模拟次级电子的逃逸过程；其次，该模型对介质密度变化敏感，更符合水下环境复杂的盐度梯度特征。蒙特卡洛仿真参数设置经过严格验证，确保统计涨落控制在系统误差范围内（总误差<2%）。

探测器系统设计方面，采用模块化结构实现快速部署。设备由耐压外壳包裹的SrI2(Eu)晶体阵列构成，配合高灵敏度SiPM光电倍增器。创新设计的双光路采集系统可同时记录前向散射和背散射信号，有效分离康普顿散射背景。实测数据显示，该结构在1 m水深下仍能保持98%的信号完整性，为水下长周期监测提供了技术保障。

在不确定度分析中，研究团队建立了多维误差评估体系。除统计误差（通过增加模拟事件数将标准差控制在0.5%以内）外，重点考察了物理模型选择（Penelope vs G4EmStandardPhysics）、几何精度（±2 mm建模误差）、材料参数（密度±0.1 g/cm3）等关键因素。蒙特卡洛模拟表明，物理模型差异在低能区（<500 keV）贡献约5%的误差，而几何误差在高能区（>1 MeV）可能产生高达8%的影响。

研究还系统评估了不同晶体材料的适用性。对比实验显示，LaBr3(Ce)虽然能量分辨率（2.5%-3.5%）接近SrI2(Eu)，但其本底辐射强度高达10? Bq/cm2，难以满足海洋低剂量监测需求。CeBr3虽具较低本底（7倍优势），但能量分辨率（4%）和光输出（60 photons/keV）均劣于SrI2(Eu)。GAGG(Ce)虽具备本底优势，但5%-6%的能量分辨率和60-70 photons/keV的光输出效率，使其在深海低能探测场景中性价比不足。

研究特别关注了环境因素对探测器性能的影响。通过建立温度-压力-盐度耦合模型，发现SrI2(Eu)在25-40℃、3-35‰盐度范围内表现出最佳稳定性。蒙特卡洛仿真显示，温度每变化10℃，探测器效率波动不超过0.3%；盐度变化对光输出影响小于1%，但对背景辐射的抑制效果提升约15%。这些发现为设备的环境适应性设计提供了理论依据。

在数据采集与处理方面，研究团队开发了自适应脉冲处理算法。通过分析3.5×10?个实际测量脉冲波形，建立了基于机器学习的甄别阈值动态调整机制。该算法在165-1836 keV能量范围内将本底噪声抑制至0.5%以下，使低浓度放射性物质（<10 Bq/L）的检测灵敏度达到0.1 Bq/L。仿真模型与实验数据的交叉验证表明，系统整体探测效率在85%-92%之间波动，符合工业级精度要求。

该研究成果为水下辐射监测技术革新提供了重要参考。研究团队已根据仿真结果优化了探测器结构：将晶体厚度从3 mm调整至2.8 mm，在保证能量分辨率的前提下降低材料成本约18%；采用梯度折射率封装材料，使探测器在4-10 m水深下的探测效率保持稳定。这些改进使SrI2(Eu)基设备的生产成本降低至传统方案的60%，推动其从实验室研究向工程化应用转化。

未来研究方向包括开发多晶体组合探测器，通过SrI2(Eu)与GAGG(Ce)的异质结构建实现50-2000 keV能量范围的连续覆盖；研究海水自吸效应对高能伽马射线的影响模型；以及优化深水环境下的数据传输方案，当前采用RS-485协议在200 m水深下可实现500 kbps的稳定传输，但需进一步研究更高压力下的信号完整性问题。

该研究的技术突破体现在三个方面：首先，建立了首个涵盖50-3 MeV能量范围的SrI2(Eu)探测器响应数据库，填补了该晶体在宽能带应用的理论空白；其次，开发出基于有限介质体积的蒙特卡洛修正模型，解决了传统无限介质假设在有限水箱环境中的精度瓶颈；最后，创新性地将机器学习算法引入脉冲数据处理流程，显著提升了复杂海洋环境下的信号解析能力。这些成果为下一代水下辐射监测系统的研发奠定了重要技术基础。