Valutazioni di efficienza di rivelatori HPGe con il codice MCNP5

Abstract

Sono presentate alcune simulazioni con il codice MCNP5 di rivelatori di fotoni di tipo HPGe (High Purity Germanium) per la valutazione di efficienze per alcune geometrie usualmente impiegate in misure di tipo radioprotezionistico (Marinelli beakers, a disco, etc). Il modello del rivelatore è validato mediante confronti con determinazioni sperimentali di sorgenti puntiformi calibrate di tipo “single line”, caratterizzate dalla emissione di un solo fotone gamma per disintegrazione. L’ottimizzazione è realizzata valutando in tutto il range energetico di interesse le differenze tra i valori simulati e sperimentali di efficienza, sia fotoelettrica che totale, al variare di alcuni dei parametri caratteristici del rivelatore, tra cui in particolare lo spessore dello strato morto e la distanza del cristallo dal rivestimento esterno (end cap). Differenze confrontabili con le incertezze statistiche delle misure possono ottenersi, adottando i parametri più adatti, in range energetici abbastanza ristretti. Differenze più significative si hanno invece se gli stessi parametri, opportunamente mediati, sono utilizzati per la simulazione in range energetici più estesi, con errori qualche volta superiori al 5% e spesso con caratteristiche di sistematicità. Una volta determinato il modello di rivelatore più aderente alla realtà sperimentale, possono facilmente derivarsi i pertinenti valori di efficienza fotoelettrica e totale per varie energie e per sorgenti puntiformi. Con adatte interpolazioni e/o integrazioni possono ancora ottenersi valori di efficienze per sorgenti a disco (geometria tipica di alcuni filtri per smear tests), per la geometria “a pacchetto” tipica dei filtri impiegati per campionamenti di particolato atmosferico, per contenitori Marinelli di varie dimensioni, questi ultimi largamente impiegati per misure di attività radionuclidiche in liquidi, terreni, sabbie, etc. Una applicazione significativa della simulazione Monte Carlo con MCNP5 riguarda la valutazione dei fattori di correzione per coincidenze-somma per sorgenti volumetriche che, come è noto, possono risultare significativi in relazione allo schema di decadimento del nuclide, all’efficienza del rivelatore e alla geometria di misura adottata (distanza tra sorgente e rivelatore). Nelle sorgenti di volume l’effetto è attribuibile a fotoni emessi dallo stesso punto della sorgente e pertanto, per la valutazione dei pertinenti fattori di correzione, è necessaria la conoscenza dell’andamento dell’efficienza (fotoelettrica e totale) all’interno del campione in funzione della distanza dal rivelatore. La determinazione di tali andamenti può realizzarsi tramite numerose e difficili determinazioni sperimentali o, con una relativa maggiore facilità, tramite una simulazione Monte Carlo. I risultati ottenuti, abbastanza soddisfacenti e confrontabili con alcune determinazioni sperimentali, conducono a concludere che la simulazione di rivelatori HPGe con il codice MCNP5 rappresenta, in assenza di sorgenti standard con caratteristiche fisiche e geometriche analoghe a quelle dei campioni da misurare, una valida tecnica di determinazione delle efficienze.