核工程与核技术毕业设计（论文）闪烁探测器探测效率与γ射线能量关系的数值模拟

毕业设计（论文） 题 目 闪烁探测器探测效率与射线能量关系的数值模拟英文题The Numerical Simulation Relationship Of Scintillation Detector Detection Efficiency And -ray Energy学生姓名: 专 业: 核工程与核技术班 级: 指导教师: 二零一一年六月摘 要闪烁能谱仪的探测效率与射线能量关系之间的关系，通过使用蒙特卡罗的数值模拟方法进行研究。NaI闪烁探测器由于其探测效率高、在常温下可以使用的特点，越来越受到人们的重视。因此研究其探测效率对进一步的开发和研究闪烁探测器是很有必要的，特别是闪烁探测器与能量之间的关系决定了今后的研究方向。射线主要分为两大类：一类是，自然射线；另一类是，人工射线，用NaI探测器了对射线进行探测。然后用MCNP4C软件进行模拟实验，得到了不同射线能量下的能谱。通过能谱图我们可以根据全能峰内的相对计数率，得出相对探测效率。再得出相对探测效率以后，根据相对应的射线能量，拟合出图形，得到探测效率与射线能量关系的数值模拟。通过对上述内容的研究，本课题基本上达到了预期研究目的，取得较好的阶段性成果，对闪烁探测器探测效率与能量关系的研究起到一定的科学指导作用，为实验提供了一定的依据。关键词：探测效率； 射线； 蒙特卡罗模拟 AbstractThe relationship between detection efficiency of the -ray scintillation spectrometer and the -ray energy, we are using Monte Carlo simulation method to study. Because of its high detection efficiency, can be used at room temperature characteristics, NaI scintillation detector more attention has been paid. 朗读显示对应的拉丁字符的拼音Therefore, it is very necessary to study the detection efficiency for further development and research, especially the relationship between scintillation detectors and -ray energy direction of our future research. -ray can be divided into two categories: one is the natural -ray; the other is artificial -ray, with the NaI detector for -ray detection. Then simulation experiments by MCNP4C software. Obtained under different -ray energy spectrum of -ray. We obtained the relative detection efficiency by the energy spectra we can according to all-powerful within the relative peak count rate. And then come after the relative detection efficiency, according to the corresponding -ray energy, fitting out graphics, and -ray detection efficiency has been the relationship between energy simulation. Through the above research, this research project is basically to achieve the desired objectives and achieve good initial results, the efficiency of the scintillation detector and -energy relationship of scientific research play a guiding role for the experiment provided some basis.Key words: Detection efficiency; -rays; Monte Carlo simulation 目 录绪 论11.1 选题意义及目的11.2 实验背景12 模拟实验基础32.1 射线与物质的相互作用32.1.1 光电效应32.1.2 康普顿效应32.1.3 光电子对效应42.2 闪烁能谱仪52.2.1 闪烁探测器的原理62.2.2 闪烁探测效率73 构建模型83.1 蒙特卡罗方法及MCNP程序简介83.1.1 蒙特卡罗计算方法及其应用范围83.1.2 MCNP程序简介83.2 建立数学模型113.2.1 点源模拟113.2.2 探测器栅元卡片填写113.2.3 模拟模型143.2.4 源定义143.2.5 输入卡片154 计算结果与处理174.1 模拟输出结果174.1.1 自然射线的模拟输出结果174.1.2 人工射线的模拟输出结果204.2 数据处理与结果23结论26致 谢27参考文献2830东华理工大学毕业设计（论文） 绪论绪 论1.1 选题意义及目的随着我国经济的发展，国民生活水平不断提高，国内需求不断增长。核辐射探测器也逐渐被使用到各行各业，在各类探测器中，闪烁体探测器由于其对射线的探测分辨时间短、探测效率高、能测量射线的能量的优点，所以是目前应用的最广的射线探测器。因此研究闪烁探测器探测效率与射线能量关系对我们提高闪烁探测器探测效率有着重要的意义。本课题主要是应用蒙特卡罗的方法对探测器探测效率与射线能量关系进行数值模拟，通过这个数值关系，我们可以找到最佳的射线能量对应着最高的探测效率。这样就对我们以后的实验、研究提供了一定的依据。1.2 实验背景蒙特卡罗方法又名随机模拟法或统计实验法，它是一种具有独特风格的数值计算方法，它既能求解定性的数学问题，也能求解随即问题。半个多世纪以来，由于科学技术的发展和电子计算机的发明，这种方法作为一种独立的方法被提出来，但与一般数值计算方法有很大区别，它是以概率统计理论为基础的一种方法。由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛1。蒙特卡洛方法由于其简单性、灵活性和普遍性在获得广泛应用。尤其在核物理上更是得到很大应用，20世纪80年代，Schlumberger、LANL和美国北卡罗来纳州立大学开始将蒙特卡罗方法用于核测井的模拟，取得很大的成功2。以后的发展里，随着计算机技术的不断进步，现代计算机技术使随即采样成为解决复杂问题的实用方法。到了20世纪90年代，蒙特卡罗模拟已经成为核测井科研和生产中的重要工具。近一些年来，一些大型的蒙特卡罗方法应用软件先后生产并发展，例如，美国的橡树岭国家实验室的辐射屏蔽信息中心RSIC、阿贡国家实验的软件中心NESC和计算机物理库CPC等所收集的大量应用软件，就有相当数量的蒙特卡洛方法应用软件。具体的用在核技术领域的软件有美国橡树岭国家实验室的MOSE程序、美国Stanford Linear Accelerator Center的EGS程序、美国生地国家实验室的SANDYL和TIGER程序、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的MCNP程序、欧洲核子研究中心的GERNT程序、英国的MCBEND程序以及法国的TRIPOLI程序等。这些程序在粒子输运模拟中发挥了重要作用，但这些程序一般为通用程序，并且操作复杂不便计算和探测问题。因而，研究核探测问题的蒙特卡罗计算方法及软件成为当今辐射输运领域的热门课题2,3。在运用蒙特卡罗方法对射线的响应函数进行计算以及探测效率刻度方面，国内外重20世纪60年代就已经有很多人开始研究工作，而从20世纪70年代以来，国内外有关这方面的研究工作可分为：对裸晶体，随着光子能量越来越高，考虑的反应机制日趋完善；对低能光子，在反应机制较简单的情况下，研究了体源、反射层及源与探测器的几何关系对响应函数及探测效率的影响2,3。进入20世纪90年代以后，国内外持续有学者对蒙特卡洛方法计算响应函数和探测效率的方法进行改进完善，像H.VNguyen等利用NGRC程序、FayezH.H等利用EGS4程序模拟了NaI(Tl)闪烁探测器对射线的响应函数，清华大学的Hu-Xia-Shi等人利用MCNP模拟了NaI(Tl) 闪烁探测器对射线的响应函数3,4。纵观前人的研究成果，可以发现蒙特卡洛方法在计算射线在探测器中与探测器效率刻度方面，为我们研究提供了极大的便利，并可以减少大量的实验工作，但是在大多停留在实用国外的通用软件上，而国内还没有比较成功的自主研发陈鼓工我们方便使用，并且在探测效率刻度大多是正对源与探测器的空间几何位置来进行，很少有人对射线能量与探测效率之间的关系进行研究3,4。东华理工大学毕业设计（论文） 模拟实验基础2 模拟实验基础2.1 射线与物质的相互作用2.1.1 光电效应当射线与原子壳层轨道上的内层电子碰撞时，将所有能量交给壳层的一个内层电子，电子克服了电离能，脱离原子而运动，产生光电子，而射线被完全吸收，这种作用称为光电效应。为使光电效应保持动量守恒，必须有第三者，即反冲核。由于自由电子不能吸收射线而形成光电子，因此光电效应产生的几率将随着电子结合能的增加而增加，靠近K层、L层产生光电效应的几率最大1,2。图21 光电效应示意图当入射射线的能量大于原子的电离能，才能产生该物质的光电效应。光电子的动能是入射射线能量与电离能之差。一般认为，光电效应视整个原子看成一个统一的体系与入射光子发生作用，吸收能量，发射光电子。没有足够的能量克服轨道电子的结合能，电子就不可能脱离原子的束缚而成为自由电子1,2。2.1.2 康普顿效应 当入射的射线与一个自由电子发生一次碰撞时，射线将部分能量传给电子，使它与射线的初始运动方向呈角射出，而射线则与初始运动方向呈角散射。这种现象称为康普顿吴有训效应，简称康普顿效应1,2。将入射光子看成是具有一定能量和动量的粒子与电子发生刚性碰撞。在这一碰撞过程中，入射光子将一部分能量传递给电子。而光子发生能量和方向的改变，形成能量为，动量为的光量子。散射角为。电子在获得一定能量之后，克服结合能，沿方向出射。称为反冲电子或康普顿电子。其动能取决与电子获得能量与电子结合能之差；并具有相应的动量，作用过程见图22所示。根据能量和动量守恒定律，可以得到沿方向散射的射线能量： （21）沿方向出射的反冲电子能量： （22） 式中：电子静止质量; 光速。图22 康普顿效应示意图2.1.3 光电子对效应随着入射光子能量的增高，光电效应的吸收作用很宽减弱，康普顿效应也逐渐减弱。当光子能量大于1.02MeV时，就存在形成电子对效应的几率，即光子完全被吸收而产生一正、负电子对。电子对的动能为 (2-3)式中，入射光仔能量； 正、负电子的静止质量； 光速。正电子与负电子不同，它很不稳定，其寿命大约为。正电子在物理中由于电力而损失能量后，将和电子结合，通常转化为两个能来那个为0.51MeV且方向相反的光子，这种现象即正电子湮没1,2。当能量大于1.02MeV的光子通过原子序数较大的物质时，将容易测到这种射线。图23 电子对效应示意图2.2 闪烁能谱仪闪烁体是透明的绝缘体。射线与闪烁体相互作用所产生的次级电子可以再和它作用，使其原子分子电离和激发。显然，产生的电子离子是无法从物质中引出来的，但其过程中产生的闪光可从物质中透射出来，被收集转换成点脉冲放大后，可供分析记录。因此，闪烁体可作射线探测器的探测介质。闪烁体可分为有机和无机两大类，有机闪烁体又分为液体闪烁体、有机晶体和塑料闪烁体三种。这些闪烁体对射线有中等大小的吸收本领。有机闪烁体的探测器有比较高的探测效率。尽管其能量分辨率不好，但响应快、时间分辨好。因此，常用这类探测器用作快符合装置上的探测器。无机闪烁体的典型代表是铊激发的碘化钠晶体和碘化铯晶体。他们原子序数高、密度大，对射线有较高的吸收本领。其时间响应快，能量分辨率也好，是20世纪50年代以来探测射线的主要探测器2,3。2.2.1 闪烁探测器的原理闪烁探测器主要由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器赞歌主要部分组成。图2-4是闪烁能谱的结构框图，探头部分主要包括闪烁体和光电倍增管和前置放大器；主机部分包括主放大器，多道脉冲幅度分析器，接口电路、电源电路以及计算机和相应的应用软件等。图2-4 闪烁能谱仪原理框图目前，闪烁晶体主要使用NaI(Tl)晶体，它的密度大（=3.67g/cm3）,而且高原子系数的碘（Z=53）占重要的85%，所以对射线探测效率特别高，相对发光效率大，它的光谱最强波长为415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好的一种。但是NaI(Tl)晶体容易潮解，吸收空气水分会变质失效，所以一般NaI(Tl)晶体使用时都是装在密封的金属盒中。射线与NaI(Tl)晶体相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出电子。光电子经过各级之间的电压加速，聚焦后射向打拿极。每个光子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向后续的打拿极。所以，最后射向阳极的电子数目是很多的，阴极把这些电子收集起来，转变成电信号并输出。经过NaI(Tl)探测器和光电倍增管输出的信号往往较弱，需要加前置放大器。其主要作用是：提高系统的信噪比；减小信号经电缆传送时外界干扰的影响；阻抗匹配，功率放大。探头的信号经前置放大器输出，但前置放大器输出脉冲幅度和波形并不适合后面的分析测量设备的要求，所以对信号还需要进一步放大和成形，在放大和成形的过程中必须严格保持探测器输出的有用信号（如射线的能量和时间信息），可能减少它们的失真。这样的放大和成形就由放大器来完成。放大器输出的信号要适应分析测量设备的要求，必须解决两个问题。一个是把小信号放大到需要的幅度；另一个就是改造信号形状，通常称为滤波成形。目的是放大有用的信号，降低造成，提高信噪比，适合于后续电路的测量。在这个过程中尽可能不损失有用的信息。主放大器输出的信号就可以给多道脉冲幅度分析器（MCA）进行脉冲的幅度分析。多道谱仪是按照脉冲的幅度对辐射脉冲信号进行分类计数，以及对后续辐射信息保存、处理以及获取有用信息的仪器。它的核心部件就是多道脉冲幅度分析器，其基本功能就是按输入脉冲的幅度分类计数。多道脉冲幅度分析器的任务是将被测量的脉冲幅度范围平均分成2n个幅度间隔，然后测量脉冲幅度在每一个“幅度间隔”内的输入脉冲个数，最后得到输入信号的脉冲幅度分布曲线。其测量方法是用计算机技术中的A/D转换以及数据存储技术。它将能够分析的脉冲幅度范围分成多个幅度间隔，这些幅度间隔的个数就是脉冲幅度分析器的道数；而幅度间隔的宽度就是道宽。道数越多，幅度分布分析得越精细，各个道的计数也相应减少，则需要测量的时间也要加长，当然硬件电路也就越复杂，所以不应盲目地追求道数。通常，要求在幅度峰的半宽度范围内应有510道，对于采用NaI(Tl)探测器的多道能谱仪，由于它的能量分辨率比较差，128道至512道就能满足测量要求2,3。2.2.2 闪烁探测效率要知道探测效率与射线能量之间的数值关系，我们首先要探测效率的定义和如何计算探测效率。目前，作为探测效率的定义是多样的，例如集合效率、本征效率、峰-总比效率、本征全能效率、绝对全能峰效率、绝对双逃逸峰效率和绝对单逃逸峰效率等3。在本文中，我们是用绝对全能峰效率来进行对探测器探测效率的计算。如果只测量全能峰内的计数率，则探测装置的噪声和干扰辐射对计数率的影响都可减少。全能峰很容易辨认，从测得的能谱中求得全能峰内的净计数率都是比较容易的。根据全能峰内的净计数率与全能峰探测效率，求样品射线发射率的测量方法称为全能峰法。利用全能峰法我们就可以测出全能峰探测效率。例如，在一定条件，测量发射率为N0的标准源，得到全能峰内的净计数率为np则全能峰探测效率为5： （2-1） 东华理工大学毕业设计（论文） 构建模型3 构建模型3.1 蒙特卡罗方法及MCNP程序简介蒙特卡罗方法又称随机抽样技巧或统计试验方法。半个多世纪以来，由于科学技术的发展和电子计算机的出现与发展，这种方法作为一种独立的方法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到应用。3.1.1 蒙特卡罗计算方法及其应用范围蒙特卡罗方法是一种计算方法，但与一般数值计算方法有很大区别。它是以概率统计理论为基础的一种方法。由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛4。蒙特卡罗方法的基本思想，当所求问题的解是某个事件的概率，或者是某个随机变量的数学期望，或者是与概率、数学期望有关的量时，通过某种试验的方法，得出该事件发生的频率，或者该随机变量若干个具体观察值的算术平均值，通过它得到问题的解4,5。蒙特卡罗方法的优点，能够比较逼真地描述具有随机性质的事物的特点及物理实验过程；受几何条件限制小；收敛速度与问题的维数无关；具有同时计算多个方案与多个未知量的能力；误差容易确定；程序结构简单，易于实现。同时它的缺点，收敛速度慢；误差具有概率性；在粒子输运问题中，计算结果与系统大小有关。故使用蒙特卡罗方法需“扬长避短”，发挥蒙特卡罗的特长，使其应用范围更加广泛4,5,6。蒙特卡罗方法应用范围包括：粒子输运问题，统计物理，典型数学问题，真空技术，激光技术以及医学，生物，探矿等方面。其在粒子输运问题中的应用范围主要包括：实验核物理，反应堆物理，高能物理等方面。在实验核物理中的应用范围主要包括：通量及反应率，中子探测效率，光子探测效率，光子能量沉积谱及响应函数，气体正比计数管反冲质子谱，多次散射与通量衰减修正等方面6。3.1.2 MCNP程序简介MCNP程序全名为Monte Carlo Neutron and Photo Transport Code。它是美国Los Alamos国家实验室开发的大型多功能通用蒙特卡罗程序，可以计算中子、光子和电子的联合输运问题以及临界问题，中子能量范围从10-11MeV至20MeV，光子和电子的能量范围从1keV至1000MeV。程序采用独特的曲面组合几何结构，使用点截面数据，程序通用性较强，与其它程序相比，MCNP程序中的减方差技巧是比较多而全的4,5,6。MCNP程序主要特点，程序中的几何是三维任意组态；可以使用精细的点截面数据；该程序功能齐全；在减小方差技巧方面，内容十分丰富；具有很强的通用性7。MCNP的输入包括几个文件，但主要的一个是由用户编写的INP文件，该文件包括描述问题所必须的全部输入信息。文件采用卡片结构，每行代表一张卡片，文件由一系列卡片组成，对于任一特定的问题，只需用到INP全部输入卡片的一小部分。例如对不同的源，只须修改源的描述卡；不同的计数类型，有对应的计数描述卡8。MCNP输入数据中，物理量的单位见表3-1：表3-1 MCNP输入文件中物理量的单位长度厘米能量Mev时间10-8秒温度Mev(Kt)原子密度1024个原子/厘米3截面10-24厘米2原子量中子质量的1.008664967质量密度克/厘米3阿伏伽德罗常数6.0231023MCNP程序输入文件的基本形式，使用这种形式建立一个蒙特卡罗计算问题，对问题的几何结构、材料、记数要求等等给以描述，如果需要，可以直接运行。该文件的格式如下：表3-2 MCNP初始运行的输入文件信息块空行分隔符选择项标题卡仅一行，占用地1-80列。作为输入标题。栅元卡空行分隔符定义构成整个系统的各个基本戒指单元以及相应的物理信息。曲面卡空行分隔符定义组成栅元的曲面信息。数据卡空行分隔符其它数据，包括问题类型、源描述、材料描述、计数描述，问题截断条件等。其它选择项信息块空行分隔符选择项CONTINUE写在1-8列数据卡空行分隔符只允许部分数据卡。（FQ,DD,NPS,CTME,IDUM,RDUM,PRDMP,LOST,DBCN,PRINT,KCODE,MPLOT,ZA,ZB和ZC）其它选择项卡片填写格式注意问题，INP输入文件的每一行（称之为一张卡片）都限于使用第180列并构成卡片映象。大部分输入卡片按行填写；然而，对数据卡允许按列填写。$符号为它所在那行数据的结束符，在$符号后面的内容作为注释，它可从$符号后面的任一列开始。标题卡只占一行，整行都可填入用户需要的信息，也可以是空行。但要注意在其它地方使用空行是作为结束符或者分隔符。输入文件中，在标题卡之后及最后的空行结束卡之前的任何地方都可插入注释卡。注释卡必须是字母“C”写在15列中的任意位置，且至少用一个空格隔开后面的注释内容9。其中行输入格式，栅元卡、曲面卡和数据卡的书写格式是相同的。必须从15列开始填写这些卡片相应的名字(或编号)和粒子标识符，后面填写用空格分隔的数据项。如果15列为空，则表示它是前一张卡片的继续卡。如果在一行的末尾有一个用空格隔开的符号“&”，则表示下一行是该行的继续卡，数据可填写在180列。一个数据项必须在一张卡片上写完，不得跨到下一张卡片上。完全空白的一行则为两组卡片的分隔符。对任何给定的带有粒子标识符的类型卡只能有一张。需要整数的数据项必须填写整数，其它数据可填写为整数或浮点数以及MCNP能读的数据10。列输入格式对输入栅元参数及源描述是非常有用的。对于栅元重要性及体积等参数，输入按行排列时其可读性差，且在增加或删除一些栅元时容易出错。用列输入格式，一个栅元的所有栅元参数是放在标有该栅元名字的那行上。如果删掉一个栅元，用户只需删除该栅元参数行，而不需要在每一个栅元参数卡上寻找该栅元所对应的数据项。对于源描述也有类似的情况。用列格式，卡片名字逐个放在一个输入行上，并且在这些卡片名字下面按列列出数据项。后续各行为各个栅元的数据。如果填写某个栅元名字，则必须填写全部栅元名字，且栅元的顺序可以任意排列；如果没有指定栅元名字，则按栅元卡描述的顺序排列。在一个输入文件中，允许有多个列数据块11。3.2 建立数学模型3.2.1 点源模拟本实验，模拟探测器使用NaI（Tl）多道能谱仪（图3-1）替代闪烁探测器。为了得到探测器探测效率和射线能量之间的数值关系，我们使用点源进行模拟，所选用用的点源包括自然射线和人工射线两大类，最低能量值为0.352MeV，最大的能量值2.62MeV(详见表3-5) 7,8。 图3-1 NaI（Tl）多道能谱仪及其探头部分3.2.2 探测器栅元卡片填写模拟NaI(Tl)探测器内部结构示意见图3-2，探测器分6个栅元，使用15个界面组成。下图中阿拉伯数字表示该曲面的曲面号，圆圈数字表示各栅元号。表3-3为探测器各部分的尺寸大小8。 图3-2 NaI(Tl)探测器内部结构示意图表3-3 探测器各部分尺寸大小单位（cm）内径外径厚度高NaI-3.8100-7.062MgO3.81003.99500.18507.850SiO2-3.9950-0.300Fe-3.9950-0.300Air4.04504.36460.3196-Fe4.36464.44060.07609.705栅元卡填写：1 1 -3.67 1 -2 -3 IMP:P=1 IMP:E=12 2 -2.00 (5 -6 -3)#1 IMP:P=1 IMP:E=13 3 -2.65 3 -6 -4 IMP:P=1 IMP:E=14 4 -7.93 (7 -8 -9)#1#2#3 IMP:P=1 IMP:E=15 5 -0.001293 (10 -11 -12)#1#2#3#4 IMP:P=1 IMP:E=16 6 -7.93 (13 -14 -15)#1#2#3#4#5 IMP:P=1 IMP:E=1第一列表示栅元号（参考图 3-2）；第二列表示各栅元对应的材料号；第三列表示该材料的密度；第四列表示该栅元组成的曲面号（参考图 3-2），IMP：P=1 表示该栅元中光子的重要性为 1，同样 IMP：E=1 表示该栅元中电子的重要性为 1。对应各个曲面的几何位置，第一列为曲面号；第二列中 PZ 表示垂直 Z 轴的平面，CZ 表示轴心在 Z 轴的圆柱；第三列表示对应第二列方程数据项。1 PZ 1.8112 CZ 3.813 PZ 9.4314 PZ 9.7315 PZ 1.6266 CZ 3.9957 PZ 1.5768 CZ 4.0459 PZ 9.78110 PZ 0.07611 CZ 4.364612 PZ 11.28113 PZ 014 CZ 4.440615 PZ 11.357探测器材料组成见表3-3表3-4 探测器组成材料及其各元素含量-物质密度（g/cm3）成分比探测器NaI&TlI3.67Na:-0.1532I:-0.8462Tl:-0.0006MgO2.00Mg:0.5O:0.5-SiO22.65Si:0.3333O:0.6667-Fe&C7.93Fe：-0.99995C:-0.00005-空气Air0.001293N:-0.7562O:-0.2438-注:成分比部分带负值表示物质中元素的质量比，正值表示物质中元素的原子成分比材料卡描述：M1 11023 -0.15318 53127 -0.846201 81204 -0.000616M2 12000 0.5 8016 0.5M3 14000 0.33333 8016 0.66667M4 26000 -0.99995 6012 -0.00005M5 8016 -0.24377 7014 -0.75623第一列表示表示材料号；第二列表示对应各材料的物质组成比例；以上材料分别对应 NaI(Tl)晶体、反射体 MgO、有机玻璃 SiO2、不锈钢罐以及空气12。3.2.3 模拟模型建立点源模拟系统，见图 3-3，建立三维坐标系，将探测器置于坐标原点，原点正下方 10cm 处放置点源，现以Cs137源为例。以原点为中心建立一个半径为 150cm 的球体屏蔽系统，以便快速结束粒子追踪，球体填充空气，密度大小为 0.001293 g/cm3，球体外为真空8。图3-3 点源模拟系统示意剖面图3.2.4 源定义我们选取多种射线能量的进行模拟，本文中我们选取自然射线和人工放射性两大类射线。各个能量和元素见下表8。表3-5 各个核素与能量自然射线核素能量(MeV)Pb-2140.352Bi-2140.609Bi-2141.12K-401.46Bi-2141.76Ti-2082.62人工射线Ba-1310.356Ba-1310.389Cs-1370.662Co-601.173Co-601.332Na-241.369下文中我们用137Cs源进行模拟示范。137Cs源为各向同性点源，能量为 662keV，位置在原点正下方 10cm 处。发射粒子权重为 1，发射源的粒子类型是光子，同时考虑光子作用。描述如下12：MODE P ESDEF ERG=0.662 POS=0 0 -10 PAR=2 WGT=13.2.5 输入卡片# NaI探测器点源137Cs模拟81 1 -3.67 1 -2 -3 IMP:P=1 IMP:E=1 $NaI晶体2 2 -2.00 (5 -6 -3)#1 IMP:P=1 IMP:E=1 $MgO3 3 -2.65 3 -6 -4 IMP:P=1 IMP:E=1 $SiO24 4 -7.93 (7 -8 -9)#1#2#3 IMP:P=1 IMP:E=1 $不锈钢壳5 5 -0.001293 (10 -11 -12)#1#2#3#4 IMP:P=1 IMP:E=1 $空气6 6 -7.93 (13 -14 -15)#1#2#3#4#5 IMP:P=1 IMP:E=1 $不锈钢壳7 7 -0.001293 -16#1#2#3#4#5#6 IMP:P=1 IMP:E=1 $空气8 0 16 IMP:P=0 IMP:E=0 $真空1 PZ 1.811 $曲面定义2 CZ 3.813 PZ 9.4314 PZ 9.7315 PZ 1.6266 CZ 3.9957 PZ 1.5768 CZ 4.0459 PZ 9.78110 PZ 0.07611 CZ 4.364612 PZ 11.28113 PZ 014 CZ 4.440615 PZ 11.35716 SO 150MODE P E $源定义SDEF ERG=0.662 POS=0 0 -10 PAR=2 WGT=1M1 11023 -0.15318 53127 -0.846201 81204 -0.000616 $材料定义卡M2 12000 0.5 8016 0.5M3 14000 0.33333 8016 0.66667M4 26000 -0.99995 6012 -0.00005M5 8016 -0.24377 7014 -0.75623M6 26000 -0.99995 6012 -0.00005M7 8016 -0.24377 7014 -0.75623F8:P 1 $记数卡E8 0 1E-5 0.01 400I 1.0 $记数能量卡FT8 GEB 0 0.0252 $记数特殊处理卡NPS 50000000 $计算粒子数截断卡PRINT $打印输出结果东华理工大学毕业设计（论文） 计算结果与处理4 计算结果与处理4.1 模拟输出结果4.1.1 自然射线的模拟输出结果本次模拟粒子数为50000000Pb-214能量为0.352MeV的能谱图如下：图4-1214Pb0.352MeV能谱图Bi-214能量为0.609MeV的能谱图如下:图4-2215Bi0.609MeV能谱图 Bi-214能量为1.12MeV的能谱图如下:图4-3 214Bi1.12MeV能谱图K-40能量为1.46MeV的能谱图如下:图4-4 40K1.46MeV能谱图Bi-214能量为1.76MeV的能谱图如下:图4-5 214Bi1.76MeV能谱图Ti-208能量为2.26MeV的能谱图如下:图4-6 208Ti2.26MeV能谱图对于能量大于1.02MeV的射线与探测介质相互作用就有可能产生电子对事件，在此事件中，正电子湮灭产生两个0.511MeV的光子，一个或两个均逃离探测介质，探测介质吸收余下的能量，则产生单逃逸峰和双逃逸峰。在实验结果中这一现象都表现出来了，特别是在1.5MeV以上，谱形上又出现单逃逸峰和双逃逸峰13，见图4-5和图4-6中。图4-1到4-6是所选的自然射线能谱图，根据测量各个能谱上全能峰上的相对计数率，与对应的能量，列出下表：表4-1 各个元素能量与对应的计数率元素能量（MeV）相对计数率Pb-2140.3520.0132Bi-2140.6090.00854Bi-2141.120.00513K-401.460.00409Bi-2141.760.00350Ti-2082.620.002424.1.2 人工射线的模拟输出结果以下是所选取的人工射线的能谱图：Ba-131能量为0.356MeV的能谱图如下： 图4-7 131Ba0.356MeV能谱图Ba-131能量为0.389MeV的能谱图如下： 图4-8 131Ba0.389MeV能谱图Cs-137能量为0.662MeV的能谱图如下： 图4-9 137Cs0.662MeV能谱图Co-60能量为1.173MeV的能谱图如下： 图4-10 60Co1.173MeV能谱图Co-60能量为1.332MeV的能谱图如下： 图4-11 60Co1.332MeV能谱图Na-24能量为1.369MeV的能谱图如下： 图4-12 24Na1.369MeV能谱图图4-7到4-12是所选的人工射线能谱图，根据测量各个能谱上全能峰上的相对计数率，与对应的能量，列出下表：表4-2 各个元素能量与对应的计数率元素能量（MeV）相对计数率Ba-1310.3560.0131Ba-1310.3890.0123Cs-1370.6620.00796Co-601.1730.00491Co-601.3320.00442Na-241.3690004314.2 数据处理与结果根据表4-1与4-2可分别模拟出人工射线与自然射线的射线能量和闪烁探测器的探测效率之间的数值模拟图和拟合关系式。自然射线能量值和相对计数率的模拟图如下： 图4-13 自然射线能量值和相对计数率的模拟图则根据图4-13拟合出指数衰减函数下面关系：P=0.02052*exp(-E/0.51684)+0.00263 （4-1）人工射线能量值和相对计数率的模拟图如下：图4-14 人工射线能量值和相对计数率的模拟图则根据图4-14拟合出指数衰减函数下面关系：P=0.0233*exp（-E/0.39377）+0.00364 (4-2)式4-1和式4-2中:P-探测效率E-能量值东华理工大学毕业设计（论文） 结论结 论本论文主要是对 NaI（Tl）探测晶体的探测效率方面的探讨。探索了不同射线跟闪烁体探测器探测效率之间关系，对闪烁探测器的研究工作和实验数据提供了一定的依据。论文取得的主要成果有：（1）射线在NaI（Tl）探测器中与探测器探测效率之间的计算方法，采用了用计算全能峰内的相对计数率来计算探测效率的思想。（2）实现了对不同射线的计算，并分类计算了人工射线和自然射线两种射线的与探测效率的关系。（3）对射线能量和探测效率的数值关系采用了指数衰减的拟合方法，拟合效果良好。在完成过程中发现一些问题:(1)由于闪烁探测器种类繁多，因此在本文中只用NaI（Tl）探测器进行了模拟，还不能够足充分证明闪烁探测器这一类其它特殊的数值关系。（2）在用蒙特卡罗进行对射线模拟时，模拟粒子数仅为50000000个，在进行高精度计算时还远远达不到要求。东华理工大学毕业设计（论文） 致谢东华理工大学毕业设计（论文） 参考文献致 谢本论文的完成首先感谢吴永鹏老师。在做毕业设计的过程中，吴老师给了我很多关心、帮助和锻炼机会，吴老师严谨的工作作风和乐观生活态度使我学会了不少人生经验。在吴老师悉心指导下，论文得以完成，在此表示衷心的感谢。同时，我特别感谢我的同学，他们在 MCNP 学习应用方面给了我很多帮助和指导，解决了不少问题。参考文献1 吴祥余.不同尺寸射线探测器响应函数及探测效率的蒙特卡罗.四川：成都理工大学硕士学位论文,20092 殷经鹏. 阵列 NaI(Tl)探测器 能谱合成方法研究.四川：成都理工大学硕士学士论文，20093 Berger，M.J.，Hubbell，J.H.，Seltzer，S.M.，Chang，J.，Coursey，J.S.，Sukumar， R.，and Zucker，D.S.XCOM:Photon Cross Section Database(version 1.3)，NationalInstitute of Standards and Technology，Gaithersburg，MD，20054 东华理工学院编.核辐射测量原理.1985，265-2705 储星铭.闪烁能谱仪全谱数据的蒙特卡罗模拟.北京：中国地质大学硕士学士论文，20086 刘义保.蒙特卡罗方法及应用.核专业研究生专题课程.东华理工大学核工程学院（内部资料）7 P.H.G.M. Hendriks,M.Mau ec,R.J.de MeijerMCNP modeling of scintillation-detector -rayspectra from natural radionuclidesApplied Radiation and Isotopes 57(2002) 449-4578 许淑艳，刘宝杰.核技术运用研究中的蒙特卡罗计算问题.核技术，2007,30(7):597-6009 关云霞.探测效率曲线拟合公式的研究及体源自吸收的MCNP计算.四川：四川大学硕士论文，200610 张富利,曲德成，杨国山应用蒙特卡罗方法确定 NaI 探测器的点源效率函数及其参数核技术，2007，30（3）：23123511 陈如燕. N a I(T l) 晶体对点源总效率的计算J . 核电子学与探测技术，1984，4 (3): 185.12 吴祥余. Monte Carlo方法对不同尺寸NaI（Tl）晶体探测效率的刻度J. 核电子学与探测技术，2009（1）：207-21013 吴和喜.核数据处理讲义（内部资料），2010，4：14-15