Determinación con Geant4 de los factores de corrección por suma en coincidencia verdadera y aleatoria en espectrometría γ con detectores HPGe

Abstract

[ES]La espectrometrÍa γ con detectores de germanio hiperpuro (HPGe) es una técnica fundamental en la física nuclear aplicada, debido a su elevada resolución energética y capacidad para cuantificar radionucleidos en una amplia variedad de muestras. Sin embargo, la presencia de fenómenos de suma en coincidencia cuando se miden radionucleidos emisores de cascadas gamma introduce distorsiones significativas en la determinación de la eficiencia de la medida y de la actividad de los radionucleidos contenidos en la fuente, especialmente en geometrías en las que la distancia entre la fuente y el detector es muy pequeña o nula. Para corregir estos efectos de manera que los resultados sean más próximos a los valores reales, es necesario recurrir a métodos avanzados que permitan reproducir con precisión la configuración experimental y la física de la interacción radiación-materia en el intervalo de energía de la radiación electromagnética y de todas las partículas que se generan. En este trabajo se ha desarrollado e implementado en Geant4 un modelo de fuentes que, a diferencia de los modelos convencionales, reproduce la temporización de los procesos de desintegración dada por la estadística poissoniana a la que están sujetos, con el objetivo de estudiar la influencia de dicha temporización en los fenómenos de suma en coincidencia que ocurren durante la medida por espectrometría γ de bajo fondo. Conocer si es necesario o no contemplar efectos significativos por suma en coincidencia aleatoria, es fundamental para la medida. Esta implementación se adapta a los sistemas de espectrometría de bajo fondo del Laboratorio de Radiaciones Ionizantes y Datación (LRI-D) de la Universidad de Salamanca, incluyendo la simulación de geometrías experimentales especificas a partir de las ya utilizadas y la generación de partículas primarias en la matriz de medida, garantizando la representación adecuada de los procesos de coincidencia. A partir de dichas simulaciones se han obtenido tanto eficiencias de detección como factores de corrección por suma en coincidencia, los cuales se han comparado con resultados experimentales. Los análisis muestran una concordancia satisfactoria entre las eficiencias experimentales y simuladas, validando la capacidad de la simulación para reproducir la respuesta de los espectrómetros del LRI-D con diferentes geometrías. La aplicación de pruebas estadísticas y validación cuantitativa apoya la consistencia de los resultados. El estudio realizado concluye que los efectos en la medida de los fenómenos por suma en coincidencia aleatoria no suponen una alteración significativa del resultado de la misma en el intervalo de actividades con las que se trabaja en los espectrómetros γ de bajo fondo del LRI-D. En conjunto, este trabajo demuestra que la implementación de la temporización de los procesos de desintegración de los raidonucleidos contenidos en la fuente en simulaciones Montecarlo constituye una herramienta eficaz y versátil para la corrección de efectos por suma en coincidencia en espectrometría γ. Los resultados permiten avanzar hacia una determinación más precisa de las actividades de los radionucleidos presentes en las muestras.

[EN]γ spectrometry with high-purity germanium (HPGe) detectors is a fundamental technique in applied nuclear physics, owing to its high energy resolution and its capability to quantify radionuclides in a wide variety of samples. However, the presence of coincidence summing phenomena when measuring cascade gamma emitters introduces significant distortions in the determination of detection efficiency and radionuclide activity within the source, especially in geometries where the source-to-detector distance is very small or even null. To correct these effects so that the results approach the true values, it is necessary to employ advanced methods capable of accurately reproducing the experimental configuration and the physics of radiation–matter interaction over the energy range of electromagnetic radiation and all the secondary particles involved. In this work, a source model has been developed and implemented in Geant4 which, unlike conventional approaches, reproduces the timing of decay processes according to the Poisson statistics that govern them. The objective is to study the influence of such timing on coincidence summing phenomena occurring during low-background γ spectrometry measurements. Determining whether random coincidence summing effects need to be explicitly considered is essential for accurate activity determination. The implementation has been specifically adapted to the low-background spectrometry systems of the Laboratory of Ionizing Radiations and Dating (LRI-D) at the University of Salamanca, including the simulation of their experimental geometries and the generation of primary particles within the sample matrix, ensuring a realistic representation of coincidence processes. From these simulations, both detection efficiencies and coincidence summing correction factors have been obtained and subsequently compared with experimental results. The analyses show satisfactory agreement between experimental and simulated efficiencies, validating the ability of the simulations to reproduce the response of the LRI-D spectrometers under different geometrical configurations. The application of statistical randomness tests and quantitative validation supports the consistency of the results. The study concludes that, within the range of activities relevant to the low-background systems at LRI-D, the effects of random coincidence summing do not significantly affect the measurement outcomes. Overall, this work demonstrates that the implementation of decay-time sampling for the radionuclides contained in the source within Monte Carlo simulations constitutes an effective and versatile tool for correcting coincidence summing effects in gamma spectrometry. The results enable a more accurate determination of the activities of the radionuclides present in the samples.