Computer modelling of a high sensitivity gamma ray spectrometer

Niniejsza praca została podzielona na trzy części. Pierwsza opisuje proces charakteryzacji i symulacji modelu istniejącego niskotłowego spektrometru gamma za pomocą pakietu oprogramowania Geant4. Przeprowadzono proces udokładniania zaimplementowanego schematu detektora za pomocą dwóch źródeł kalibracyjnych - w geometrii Marinelli oraz box, co pozwoliło zweryfikować poprawność modelu. Dodatkowo zmodyfikowano osłony aktywne detektora przed promieniowaniem kosmicznym z komór gazowych na panele scyntylacyjne, co umożliwiło obniżenie liczby zliczeń w widmie tła dla zakresu energii 50 - 2750 keV o około 55%. Dzięki temu osiągnięto limity detekcji na poziomie kilku mBq/kg. W drugiej części zaproponowano także model nowego podziemnego niskotłowego detektora germanowego o masie 2.38 kg, pracującego w geometrii studzienkowej oraz zaimplementowano jego schemat wraz z szeregiem elementów oraz osłon w Geant4. Wysymulowano wkład do widma tła od poszczególnych elementów osłon, detektora, mionów oraz neutronów pochodzących z betonu otaczającego pomieszczenie. Wysymulowana liczba zliczeń w widmie tła dla założonych aktywności wynosiła 4.19 (0.03) cpd. Pozwala to osiągnąć dla masywnych próbek (o objętości 7.5 l) minimalną mierzalną aktywność na poziomie kilku-kilkunastu µBq/kg dla pomiarów 30-dniowych. Ostatnia część opisuje proces symulacji aktywacji bloku miedzi o masie 100 kg przez wtórne promieniowanie kosmiczne - neutrony, protony, miony i wysokoenergetyczne fotony. Zasymulowano proces aktywacji wtórnym promieniowaniem kosmicznym przez 250 dni dla strumienia wymienionych cząstek na wysokości 0 oraz 1000 m n.p.m. Dla obu wysokości największą aktywność nasycenia osiągały radioizotopy - 51-Cr, 58-Co, 57-Co i 56-Co. Natomiast sumaryczna aktywność właściwa po długotrwałym wystawieniu na promieniowanie kosmiczne dla radioizotopów o okresie półtrwania dłuższym niż 10 dni wynosi 1.138 mBq/kg (0 m n.p.m) oraz 3.164 mBq/kg (1000 m n.p.m).

The thesis was divided into three parts. In the first one characterization and simulation of an existing low-background gamma ray spectrometer using the Geant4 toolkit is described. Two calibration sources were used for the refinement of the HPGe detector model - box and Marinelli geometries. Additionally, active shielding against cosmic muons was changed from ionization chambers to plastic scintillators. That made it possible to lower the background count rate in the energy region of 50 - 2750 keV by about 55%. According to that change the minimum detectable activity of the spectrometer at level a few mBq/kg was achieved.In the second part of the dissertation a new low-background spectrometer with the detector mass of 2.38 kg was modelled. The detector, to be installed in an underground laboratory in Canfranc, will be based on a new crystal geometry. Contribution to the background spectrum from each detector element, shielding, muons and neutrons from the concrete surrounds detector room was simulated. The simulated background count rate was 4.19 (0.03) counts per day (in the energy region of 50 - 2750 keV) for assumed activities. The low background allows to achieve detection sensitivity at the level of some µBq/kg for large samples (volume 7.5 l).In the last part of the thesis I focused on the activation process of the copper block by secondary cosmic rays - neutrons, protons, muons and high-energetic gamma rays. The simulations were performed for 250 days of activation for the fluxes of mentioned particles at 0 and 1000 m above ground. For both altitudes the highest saturation activity was achieved for radioisotopes: 51-Cr, 58-Co, 57-Co and 56-Co. The total activity of radioisotopes with half-live longer than 10 days for long term activation by secondary cosmic radiation is 1.138 mBq/kg (ground level) and 3.164 mBq/kg (1000 m above ground).​