《Radiation Physics and Chemistry》：P-TReCK: A Monte Carlo Software for Real-Time Gamma-Ray Detector Simulation and Spectral Analysis
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伽马射线光谱学结合蒙特卡洛模拟技术，P-TReCK工具通过EPICS2023库实现实时谱分析与剂量分布计算，验证显示其与MCNP5、PHITS等软件结果一致，适用于教学与基础研究。
弗雷德里克·C·希拉（Frederick C. Hila）|阿尔维·A·阿斯特罗诺莫（Alvie A. Astronomo）|夏洛特·V·巴尔德拉斯（Charlotte V. Balderas）|尼尔·雷蒙德·D·吉列尔莫（Neil Raymund D. Guillermo）|阿尔贝托·V·阿莫索洛（Alberto V. Amorsolo）|坎迪·C·梅尔卡多（Candy C. Mercado）
引言
伽马射线光谱学是核物理学中的基本技术，能够精确确定放射性材料发出的伽马射线的能量分布和发射率。其应用范围广泛，包括环境和地质监测、核设施安全防护以及医疗和工业材料分析[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。当与中子活化分析（NAA）结合使用时，伽马光谱技术可以对煤炭、水泥和生物样本等大宗材料中的微量元素进行无损定量分析，同时将其应用扩展到跨学科领域，如考古测量学、法医学和放射化学研究[8]、[9]。可靠的伽马光谱分析需要严格的校准程序，包括使用特征明确的放射性核素标准、定期性能检测以及结合基于软件的计算校正进行光谱解释的持续培训。因此，实验室面临诸多挑战，包括校准标准的高成本、安全管理放射性材料和存放探测器所需的基础设施，以及先进探测器、专用电子设备和现代光谱分析软件的相关费用[7]、[10]、[11]、[12]。
近年来，蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟已成为传统伽马射线光谱学的有力补充。这些模拟能够精确预测探测器响应，减少了对复杂物理校准的依赖。通过利用Geant4[13]、MCNP6[14]和FLUKA[15]等先进的粒子传输代码，研究人员可以以极高的精度对探测器系统进行建模、表征和验证。具体而言，将MC模拟与适当的能量分辨率函数相结合，可以得到真实的探测器响应近似值[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。此外，MC模拟还促进了新型辐射探测材料的探索[24]、[25]、[26]、[27]，并为优化现有光谱系统提供了经济高效的方法。
鉴于传统伽马射线光谱学面临的挑战，如高成本和操作限制，人们越来越关注利用计算资源进行研究、培训和虚拟实验[11]、[12]。尽管MC模拟被广泛使用，但大多数模拟工具包仍依赖于基于控制台的界面，缺乏用于交互式应用的直观图形用户界面（GUI）。最近的发展，如ANTS3[28]、GATE[29]和TOPAS[30]，代表了向用户友好型MC模拟环境迈出的重要一步，引入了图形界面、高级脚本和模块化工具包，从而提高了其在医学物理和辐射应用中的可用性。在此基础上，仍有机会开发专门针对交互式伽马光谱学的工具包，具备实时光谱分析和剂量映射等集成功能。交互式模拟平台具有显著优势，可以实现探测器响应的实时模拟、几何形状和伽马射线能量的快速调整，并提供一个模拟实验场景的教育环境。相比之下，当前的MC工具通常需要复杂的文本后处理步骤，限制了即时反馈的可行性。虽然现有的瞬时光谱模拟工具具有高精度并在专业环境中得到应用，但其专有许可模式和成本阻碍了许多用户的使用。因此，迫切需要开发适用于伽马光谱学的免费MC软件，配备直观的光谱分析工具包。这类工具将有助于快速进行探测器校准、优化和虚拟实验室建设，从而补充传统系统。
为满足这一需求，本研究介绍并验证了P-TReCK（光子传输与响应特性工具包，Photon Transport and Response Characterization Kit），这是一种专为具有点和盘状源几何结构的伽马光谱仪模拟设计的基于Windows的MC光子传输软件。P-TReCK集成了用于伽马光谱分析、二维剂量分布定量和粒子轨迹可视化的专用工具。它利用EPICS2023光原子数据库来模拟电离光子在用户定义的材料组成中的传输过程。P-TReCK的验证包括将其探测器响应生成和效率计算结果与MCNP5和PHITS等成熟模拟代码的结果以及文献中报告的NaI(Tl)和LaBr3(Ce)探测器的实验数据进行比较。目前，P-TReCK针对使用双细胞圆柱几何结构的闪烁探测器（如NaI(Tl)和LaBr3(Ce)进行了优化，特别适合校准和教学用途。更复杂的HPGe探测器设计和体积源（如圆柱形或Marinelli型排列）目前不在其适用范围内，但代表了扩展软件适用性的有希望的方向。通过提高可用性，P-TReCK支持伽马射线光谱学的教育、培训和研究工作。
软件概述
软件概述
P-TReCK（光子传输与响应特性工具包）是一款在64位环境中使用C#和Microsoft Visual Studio以及.NET Framework 4.8开发的Windows软件。它基于早期的Excel VBA实现版本[31]发展而来，提供了许多新功能并大幅提升了计算效率。该软件利用EPICS2023光原子数据库[32]，确保了光子相互作用和能量沉积的准确建模。
结果与讨论
使用P-TReCK、DETMATS、PHITS和MCNP5对单能光子能量（范围从200到2500 keV）在NaI(Tl)和LaBr3(Ce)探测器上的响应光谱进行了评估。由于P-TReCK设计用于广泛的放射性核素发射，但目前尚未考虑电子传输或原子弛豫过程，因此其主要关注范围是能量高于约200 keV的伽马射线，在这个范围内忽略二次电子传输和荧光现象的影响较小[31]、[49]、[58]。
3英寸×3英寸晶体的结果
结论
P-TReCK是一款多功能的光子MC模拟工具，主要用于伽马射线光谱学及相关光子传输应用，提供了实时光谱分析、二维剂量分布定量和粒子轨迹可视化功能，且具有用户友好的图形用户界面。它基于.NET Framework和EPICS2023光原子数据库构建，能够准确模拟基本探测器几何结构中的光子相互作用。通过与其他模拟软件（MCNP5、PHITS、DETMATS）及实验数据对比进行了验证。
作者贡献声明
弗雷德里克·C·希拉（Frederick C. Hila）：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法论设计、研究实施、数据分析。 阿尔维·J·阿斯松西翁-阿斯特罗诺莫（Alvie J. Asuncion-Astronomo）：撰写与编辑、验证、软件开发、资源协调、项目管理、方法论设计、研究实施、资金争取、概念构思。 夏洛特·V·巴尔德拉斯（Charlotte V. Balderas）：撰写与编辑、验证、软件开发、方法论设计、研究实施。 尼尔·雷蒙德·D·吉列尔莫（Neil Raymund D. Guillermo）：撰写与编辑、监督工作。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本论文的过程中，作者使用了xAI开发的Grok工具来提升论文的可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢DOST-PCIEERD通过项目LUNIS（低剂量均匀中子辐照系统，项目编号09670）为这项工作提供资助。此外，作者（希拉先生）还感谢菲律宾的DOST-SEI和DOST-HRDP提供的奖学金支持。
