暗物质探测和寻找无中微子双β衰变（0υββ）等稀有事例实验是当前重要的基础前沿课题。高纯锗探测器因其优越的能量分辨率、极低的内部放射性水平等优点，成为开展此类研究的重要设备。

然而，锗晶体在生长，以及探测器在地面制作和运输过程中，由于高能宇宙线的轰击，锗晶体和探测器内部支撑元件（如结构铜）会产生宇生放射性核素。这些放射性核素，特别是长寿命的放射性核素，将成为探测器本底的重要来源，直接影响稀有事例实验的探测灵敏度。

为了评估高纯锗探测器内部的宇生放射性对利用高纯锗探测器开展稀有事例实验的影响，有必要开展高纯锗探测器内部宇生放射性核素的种类、活度的研究工作。直接测量探测器内部的宇生核素对地下实验室条件、极低本底放射性核素测量平台要求严苛。目前，大多数研究结果都是模拟计算所得。

研究方法和成果简介

针对上述问题，依托国内首个极深地下实验室—中国锦屏地下实验室提供的极低本底环境，清华大学工程物理系辐射防护团队利用一个新定制的高纯锗探测器（简称GeTHU-4），对探测器在制作和运输中产生的宇生放射性核素的活度进行了实验研究。

GeTHU-4在法国制作完成后，被立即运送到中国锦屏地下实验室。由于地下实验室的宇宙射线通量极低，因此探测器移至地下实验室后产生的宇生核素可忽略不计。在不同的时间点测量了该探测器在屏蔽条件下的本底能谱（图1），获得了宇生核素的特征峰计数随时间的变化（图2）。实测谱中能够清晰观察到宇生核素57Co、58Co、54Mn、60Co的特征峰。

图1 GeTHU-4实测谱

图2 宇生核素特征峰计数随时间的变化

为了计算宇生核素的活度，使用GEANT4蒙卡程序模拟了高纯锗探测器对宇生核素的探测效率，最终通过能谱分析得到了宇生核素的比活度。锗晶体内宇生核素活度为：57Co：0.016，58Co：0.046，54Mn：0.012；结构铜中的宇生核素比活度为：57Co：0.452，58Co：1.245，54Mn：0.382，60Co：0.389，单位是mBq/kg。

该结果有助于深入理解本底能谱的构成，同时该文计算宇生核素比活度的思路可以为使用高纯锗探测器开展稀有事例探测的宇生本底评估提供参考。

作者简介

曾志，研究员，极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施项目联系人。主要从事辐射防护与环境保护学科中的极低本底辐射物理研究、环境辐射监测技术及方法以及宇宙线缪子成像物理问题研究。个人主页：https://rid.lib.tsinghua.edu.cn/scholar/654409

文章信息

张秋丽,张鹏,景明坤等.高纯锗探测器制作和运输中产生的宇生放射性核素[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-9[2023-06-01].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.025.

期刊介绍

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