蒙特卡洛对无人机探测效率的模拟(共25页)

精选优质文档-倾情为你奉上摘 要航空能谱测量具有精确、快速、范围广、代表性好、成本低的特点。以前多用于铀矿资源的普查、地质填图等地质类科研技术领域，但随着科技的进步，近年来应用范围逐渐变广，在钾盐、油气、铜钼矿、金矿、银铅锌矿、磷矿非放射性矿床探矿领域及环境辐射监测、土壤调查、地质灾难预测、核事故应急的航空监测等方面有着重要应用，本论文主要涉及对无人机航空探测效率的蒙特卡罗模拟问题，其是核技术应用领域中的一个重要研究方面。利用蒙特卡罗方法模拟探测器对射线的探测效率是解决实际中工作人员避免受到无谓辐照问题的一个有效方法。在航测系统的空中刻度需要均匀分布的大面积人工核素面源，另外地面刻度也至少需要半径十几米的均匀分布的人工核素面源，而制作这样大均匀分布而面积巨大的人工核素面源是很困难的。因此，必须事先利用MCNP采用蒙特卡罗方法对测量系统的探测效率进行模拟计算，并根据计算结果制作较小面积的有限面源对系统进行实际刻度是十分必要的；蒙特卡罗方法则是计算这类问题的有效工具，计算了无人机航测系统大面积均匀面源和137Cs点源的探测效率，然后将探测效率乘以源活度得到计数率，最后进行作图与理论分析所得结论对无人机航测系统的效率刻度具有重要指导作用。关键词： 航空探测；效率；MCNP；蒙特卡洛模拟AbstractThe aviation spectrometry is accurate, fast , a wide range of representation and low cost .Its use to general surveying for Uranium resources previously , the geological mapping and others geological scientific research and technology fields, but With the progress of technology recently years, its gradually becomes a wide range of applications, in potash, oil and gas, copper, molybdenum, gold, silver, lead and zinc ore, phosphate rock deposits in non-radioactive areas of exploration and environmental radiation monitoring, soil surveying, geological disaster prediction, nuclear emergency air monitoring,which is an important application, this paper mainly involves the detection efficiency of the UAV aviation Monte Carlo simulation problems its applications in the field of nuclear technology is an important research aspect. Monte Carlo simulation for the detector -ray detection efficiency of the staff is to solve practical problems to avoid unnecessary irradiation . Scale aerial system in the air is 500x1000m2 least artificial radionuclide uniformly distributed surface source, in addition ,to the ground scale also needs ten meters radius of the uniform distribution of the artificial radionuclide point source at least ,making such a large area of uniform distribution of huge artificial radionuclides point source is very difficult. Therefore, we must advance the use of MCNP Monte Carlo method for the detection efficiency of the measurement system are simulated, according to the results produced smaller areas with limited surface source for the actual scale of the system is necessary; Monte Carlo method is an effective tool for this kind of problem, unmanned aerial systems is calculating large area uniform surface source and 137Cs point source detection efficiency and detection efficiency will be multiplied by the source activity count rate, the final mapping with the theoretical analysis. The conclusions on the efficiency of the system scale aerial drones has an important guiding role.Keywords: Aviation detection; efficiency; MCNP; Monte Carlo simulation目 录1. 引言 12. 无人机的发展及应用 23. 航空放射性测量原理概述 73.1射线与物质的几种相互作用 93.2航空监测系统的组成73.3伽马能谱的测量73.4航空伽马能谱的测量94探测效率的模拟计算104.1 蒙特卡罗方法概述104.2 MCNP模拟计算的物理模型114.3 模拟计算134.4 结果分析185.结论20致谢21参考文献221. 引言1.1背景：由于石油资源日益匮乏使得全球能源危机不可避免，这种背景下核能成为了一种新型能源，其具有高效清洁的特性 。但是另一方面，由于管理或是技术上的局限，核能也可能造成严重的危害，尽管发生的概率很小，但是如果一旦发生，以此带来的危害是难以想象的，因此核事故应急航空监测, 引起了各国政府的高度重视。另一方面，据统计表明，在我国已经发现的大中型铀矿床中，有近80%是通过航空放射性测量直接或者间接发现的。在新的时期，能源更加紧缺，能源危机己经成为一个人们十分关心的问题。随着核电事业的高速发展，对核能的需求将进一步增大，从而也对航空伽玛能谱测量提出了更多的要求。随着人们环境保护意识的增强以及世界范围核能的广泛应用，放射性污染问题引起了人们的高度重视。航空放射性测量因其快速、经济、准确的特点而在环境辐射评价中得到重视。本文涉及的无人机航测系统探测具有探测范围大，快速，灵敏，结构简单、体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长、成本低、便于隐蔽、无需机场跑道、可多次回收重复使用等优点，比起地面介质环境测量，具有快速确定污染边界与水平，提供相应的应急对策。测量包括能反映不同元素含量的Y能谱测量，以及表示放射性元素总量的伽马总量测量，两者总称为Y方法。航空伽马谱测量能快速而准确地对放射性污染进行监测，为确定污染范围、采取污染治理措施提供可靠依据;它能有效进行环境放射性水平检测;在寻找多金属和贵金属矿床、寻找油气田中发挥着重要作用;在土壤侵蚀调查以及水文和工程地质调查中，航空谱谱测量成为一种重要手段。由于航空伽玛能谱测量能够对土壤和岩石成分进行划分，因而在土地利用和规划中也扮演重要角色。综上所述，航空谱测量在寻找放射性矿产(如铀矿、针矿、钾盐矿)和非放射性伴生矿产(如稀土矿、贵金属矿、多金属矿等)、辐射环境监测、区域地质调查、核应急航空监测等领域都有十分广泛的应用。航空射线探测效率的蒙特卡罗模拟问题，是核技术应用领域中的一个重要研究方面，随着计算机技术的发展，该方法能比较逼真地描述粒子的输运过程，解决一些数值方法难以解决的问题，可广泛应用于核分析、核勘查、核测井和辐射防护等领域。蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。蒙特卡罗方法在辐射防护领域应用的优势：由于某些核实验工程耗资巨大且时间长，而理论上无法推导，利用蒙特卡罗方法可以有效节省资金和时间；蒙特卡罗方法利用计算机进行模拟实验，能有效避免放射性物质对环境的污染；对一些实验，通过对模拟结果和实验结果的比较，达到减小误差的目的 。1.2 研究内容 本文主要探讨用蒙特卡罗方法模拟射线在NaI探测器对点源Cs-137和面源的能量沉积响应。在点源情况下改变与源的高度在面源条件下改变面源半径与源于探测器的距离时，对计数率有何影响。 探测器对射线探测效率的统计模型对应于跟踪大量源光子从产生到进入探测器晶体再到光子被吸收或逸出探测器的整个输运过程建立蒙特卡洛模型。依据建立的蒙特卡罗物理模型，用MCNP软件描述模型，从而得到探测效率后转化为计数率。主要研究内容有： (l)阐明射线与物质的作用机制，同时分析了射线在NaI闪烁探测器中能量沉积原理； (2)论述蒙特卡罗方法的基本原理及解决粒子输运问题的主要步骤； (3)重点研究点源与面源的射线输运过程的蒙特卡罗计算方法。建立点源和面源放出的射线对圆柱体响应函数的蒙特卡罗模型，利用MCNP软件模拟出整个光子的运动过程。二无人机的发展及应用2.1无人机的概述无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，他是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空器。无人机与遥感技术的结合, 即无人机遥感,是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术,具有自动化、智能化、专题化快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息,完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术。具有低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势, 其应用领域从最初的侦察、 早期预警等军事领域扩大到资源勘测、 气象观测及处理突发事件等非军事领域。无人机遥感的高时效、高分辨率等性能,是传统卫星遥感所无法比拟的,越来越受到研究者和生产者的青睐,大大扩大了遥感的应用范围和用户群,具有广阔的应用前景。20 世纪末全世界范围内已掀起了无人机的研制热潮,这场研究热潮将无人机的发展推向了新阶段。无人机发展史与人类飞行史一样久远。人类的最早的飞行器就是研究飞行原理的无人模型和滑翔机。技术进步使人能够进入飞行器内开展操控动作。莱特兄弟第一次进行动力飞行成功后不久，一些国家开始利用无人机执行军事任务。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。1917年的凯特灵鱼雷是世界上第一种实用型军事无人机。这种事先设定的由电力和气动控制无人机可以飞向目标投放弹药。尽管该机没有参加第一次世界大战，但是该系统为未来无人机发展指明方向。无人机成功进行动力起降所面临的问题制约了无人机只能作为一次性系统发挥作用，它由弹射器、空气系统或轨道系统发射升空。唯一的例外是二战时的“阿芙罗狄蒂”系统，它由一种重型轰炸机改装，机内满载炸弹，飞行员驾驶该机起飞，随后跳伞脱离该机，后续战机在该点由使用无线电控制该机。 如果配备降落伞回收系统，一些无人机是可以回收并再次使用的。20世纪70年代，随着人们对空气动力学了解的深入，并利用计算机开发出控制算法，人们解决了飞机的安全起降问题。不过，这些技术并没有应用至无人机上，而是用于完善民航机的自动驾驶系统。受安全因素的影响，以及在恶劣天气下实现可靠的飞行，一些航空电子系统公司开发使出飞机精确的进场的仪表着陆系统。在民航机上安装雷达高度机又使具备飞机拉平着陆的能力。各种经济因素推动上述技术的应用。受经济因素的影响，人们为了节省油料又开发出控制发动机、动力设置、飞机姿态和飞行高度的自动驾驶仪。自动油门系统优化了发动机的动力设置、飞机爬升率，从而节省燃料。不过，精确导航仍然存在问题。自动驾驶仪可以引导飞机沿一条跑道或进场路径滑行，在没有外部导航设备帮助下，飞机既不能看见和避开障碍，更不能确定精确位置。惯性导航系统或先进的自动星跟踪器也不能提供飞机的位置，而且也不能在事先确定的路径中进行精确、灵活滑行。地形跟踪雷达系统的开发和装备部队，并与自动驾驶仪相配合，使飞机获得避开障碍的能力。规避其它空中航线的问题又导致开发出飞机无线电应答网络，实现飞机间准确共享有关位置和速度的信息。最后全球定位系统使飞机获得足够的精确度以确定位置。无人机经过了近百年的发展，产生了种类繁多，外形各异的产品，很难用一下子介绍清楚。一方面，如果以飞行距离的长短进行分类，有短程无人机、近程无人机、中程无人机和长航时无人机；如果以飞机的外形分类，有微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机；如果从军事用途上进行分类，有靶机、侦察机、干扰机和攻击机：如果从飞行原理上分类，则有固定翼无人机和旋翼无人机（即无人直升机）等。 小型无人机的最大起飞重量只有几千克乃至几十千克。由于这种小型无人机携带方便，操作简易，成本低廉，因而具有广泛的应用前景。比如以色列的“云雀”，重约6千克，直径12厘米，通过助推器或小型火箭发动机肩扛发射。发射后其机翼（翼展1.5米）在电动机动力作用下迅速打开进入飞行位置。该机装有一台摄像机，可提供空中即时影像。最大飞行距离10千米，可在目标区域上空飞行60多分钟。“云雀”无人机可从屋顶、窗口或狭窄小巷发射，即使对恶劣环境也有较强的适应性，并且应用一台笔记本电脑就可以对其进行操控。该型系列飞机在2004年就成为以色列军队的制式装备，2005年被澳大利亚和加拿大军方采购，并在军队中成建制装备应用于阿富汗战场。中型无人机通常是指重量在一百千克至几百千克、飞行距离达数百公里、留空时间在2小时以上的飞机。该类飞机在民间领域的应用最为广泛。另一方面，我国研制无人机已有四十多年的历史，所投放的产品也比较成熟。从最初的无人靶机系列，到高空高速无人侦察机等，已经开发出的产品有数十种，并广泛应用于空中侦察、战场监视、目标定位、战场评估等军事领域，随着近十几年来科技得不断进步，无人机的安全性与可靠性也逐步完善，开始进入民用市场，在各个领域发挥出高科技带给人类的方便快捷与高效。目前在民用无人机行业探索的民营公司大多技术不成熟，一般为了满足飞机的复杂保障条件和对操作的较高要求，而建立有以航模操作手为主的飞行团队，专注的是本身企业对无人机的使用，而非用户对无人机的使用。并且由于没有条件看到航空集团的很多现成技术储备和先进技术，导致闭门造车比比皆是。对比的是，航空集团由于体制的原因，对民用的需求只能走调研、立项、审批的程序，对市场反应缓慢，未能在民用领域有较深入的介入。综上所述，根据无人机市场的出现、培育和发展，对行业发展过程综合分析如下：无人机市场从无到有，经历了三个阶段。第一阶段的需求为军用所垄断，由于技术属于高尖端，其技术壁垒决定了民用市场无法接触，基本没有任何民用需求；该阶段的技术特点为惯性组件、控制系统等基础技术尚不成熟，成本很高，只有在军用领域才能接触和应用；从事无人机研制与生产的厂家只有以航空一、二集团为总体单位，电子科技集团为配套单位的国有军工企业。第二阶段从上世纪90年代起到本世纪初，由于电子集成电路、飞行器设计、发动机等基础技术的发展，部分民营企业对无人机行业进行了探索，出现了第一批吃螃蟹的民企，形成了少量低端民用小型无人机，使市场需求由依然是高端的军用领域向民用领域扩展。但这阶段由于技术的仍然不成熟，导致探索和创新的企业多，靠无人机赢利的少。部分民营企业为院校、研究所提供低端小型的无人机产品的设计及演示验证而赢利，其间出现了国家单位对低端无人机的探索性应用，包括了农业部用于农作物估产的无人机系统，后来都因为技术的不成熟而流产。第三阶段从本世纪初至今，需求上军用领域依然饱满，军工企业订单雪片一般，民用领域也遍地开花，由于技术的原因，民用需求最先在航拍、测绘、气象领域被拉动。这一阶段的技术特点是，由于基础技术的进一步发展，军工企业的技术以高端为主，逐渐向低端扩展，组织形式出现了部分军工企业的股份制改造；民用上组织形式以手工作坊式的企业为主，逐渐发展成长而趋向成熟，但缺乏理论支撑，基本是靠试验和摔机来推动进步，安全性和可靠性低，缺乏规模化发展。这一阶段尝试涉足无人机行业的民企增多，但尚未找到足够的赢利模式。综上所述，目前随着国有资本、民营资本的投入，无人机行业的基础技术已经逐渐成熟，无人机的应用领域由单一的军事领域扩展到民用领域的方方面面，无人机厂商也由国有企业逐渐向民营企业转化。不断成熟的飞控、发动机技术使总体技术逐渐成熟，进而推进了市场需求的成熟，最终将使整个行业趋向成熟。因此，我们可以预测即将到来的第四阶段，即我们充分准备投身其中的无人机行业发展成熟的黄金阶段。市场需求上，军用依然被国企垄断，有少部分民营企业开始从事低端军用需求。基础技术的全面成熟使无人机系统向模块化、智能化、系列化、实用化发展，民用需求完全被拉开。部分经过股份制改造的军工企业开始涉足民用领域，成本大幅度降低，并用军工企业多年的技术积累优势而占据部分市场，民营企业将经过技术竞争、市场竞争、资质竞争而洗牌后发展成为具有一定规模的几家骨干企业。2.2无人机的应用 以无人机为飞行平台，利用高分辨CCD相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能，可广泛应用于国家生态环境保护、航空摄影、测绘、矿产资源勘探、灾情监视、交通巡逻、电力巡线、治安监控、应急减灾、应急指挥、人工降雨、国防安全、国土资源勘探、城镇规划、地震调查、环境监测、森林防火、农作物估产、保护区野生动物监测、大气取样、海事侦察、边境巡视、禁毒侦察、消防侦察、生态环境保护、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、数字城市等领域。目前，民用领域中，地图测绘无人机、地质勘测无人机、灾害监测无人机、气象探测无人机、空中交通管制无人机、边境控制无人机、通信中继无人机、农药喷洒无人机的研究和应用在国内外都在不断的发展中。进行国土测绘与对海洋、高压线路、灾情及气象等进行监视，对无人机的技术要求是不一样的。比如无人机在海洋区域飞行的抗风能力要高于高山地区；气象监视要求无人机进到台风眼中还要能够飞回来；对灾情进行监视回传的遥感信息图像只要能看清地面的所有物品就行了，而监视高压线路就必须能够看清线上。 无人机在突发性公共事件中的应用 中国每年因各种灾害突发公共事件造成的人员伤亡逾百万，经济损失高达数千亿。目前，我国正处在突发性公共事件的高发期，在未来很长一段时间内也将面临突发性公共事件所带来的严峻考验。从自然角度分析，中国也是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一，灾害种类多、灾害发生频度高、损失严重。自然灾害在中国有着较强的社会性，灾害造成的损失也在逐步增加。突发事件的主要特征，一是突发性和难以预见性；二是破坏性；三是具有紧迫性。因为这些事故一般都是是突发且具有破坏性的事件，极易造成公众的恐慌，所以在处理突发事件时，在时间上就带有紧迫性的特点。突发事件对应急管理的要求是：迅速判明情况，查明事件原因；实现快速响应，尽快到达现场；采取果断措施，实施正确指挥；进行紧急救援，防止事态发展；妥善安排善后，尽力减少损失。在这些环节中无人机都能够发挥出重要作用。具体说，无人机在处理突发事件过程中的主要作用体现在以下方面：（一）反应快速，能在第一时间到达现场，迅速按要求行动由于小型无人机具有携带方便，操作简易的优点，一般小型无人机只有几千克或十几千克，依靠遥控器或手提电脑就可以对其进行操控。装备该类无人机的小分队只需23人就可以完成任务。即便在道路被毁的情况下，徒步也可以到达事故现场。一架未组装起来的无人机，有的仅有一个标准行李箱那么大，放在汽车或飞机上就可以很方便地携运。有些无人机的起飞条件很简单，在汽车上就可以弹射起飞。尤其是无人直升机的起降，有块几平米的平地就行，这就使得小型无人机的操作具有很大的优势。如果是中型无人机，通常需要车载控制设备。其保障分队一般需要配备23辆吉普车，具有一定的越野能力，也能在最短时间内到达现场，实现快速响应。无人机不仅能够有较快的反应能力，而且对环境和气象条件有较强的适应性，在这方面比有人驾驶飞机更优越。（二）采集现场各种数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心，供指挥者分析后进行判断和决策无人机内通常配置基本设备就是多媒体采集系统，负责完成视、音频数据的采集，通过无线传输方式，将这些数据到传输到地面的接收机。其机载摄像机能够对视频数据进行编码压缩，然后以图像方式将视频数据送回指挥中心。如果配置高清晰度的数码摄像机，能够对现场进行高质量的视频采集以及音频的实时采集。比如安装视频采集的无人机能够采集稳定的视频画面，其数据传输距离可达30公里。无人机能方便地使用摄像机、热像仪等各种仪器。即使是普通的民用级专业数码相机，也能安装到飞机的平台上。配合相关的摄影成像技术，就能自动获取高清晰数码照片。通过后期处理，生成的数码影像和地形图可为灾难评估和灾后重建提供可靠的数据保障。通过对灾区或事故现场进行视、音频图像采集并及时传报给指挥中心，能够使政府相关部门掌握现场情况第一手资料，对情况的分析更加全面、准确，使判断和决策更加及时、正确，反应更加迅速，各部门以及各类救援人员的协调也会更加充分。（三）能够实现通信中继功能，快速恢复现场局部通信空中通信中继是无人机的一个重要用途。当自然灾害（如地震、洪水、泥石流、海啸等）发生时，在一定地域内地面原有的有线、无线通信系统均遭到破坏，此时此地，在最需要通信联络的时候信息传递就成为一个大问题。而无人机则可以作为一个便捷的通信中继机，在指挥中心与现场之间搭建一条无形的信息“桥梁”，快速构成一个应急局域无线通信网以解燃眉之急，为救灾赢得宝贵时间。 （四）参与救援行动，投掷紧急救援渤资不同的无人机都具有一定的负载能力。可以装载一定数量的装备或物资。在危急条件下，可以向被围困的受难者或处于恶劣环境下以正常手段不能被施救的人投放救援物资或工具，以帮助受固者尽快脱离危险。（五）跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不问断指挥处理由于无人机的使用方便快捷，到达现场之后能够按要求迅速展开行动，展开之后就能够不间断地跟踪事件的发展，利于指挥中心及时掌握事件态势。因此在追踪事件态势方面，无人机有大飞机无法比拟的优点，其机体小巧，速度容易控制，机动性好，在需要急转弯时，无人机可以一下子转过来，而大型飞机就不行。此外无人机能超低空飞行，适应性更强，相对而言，大飞机在山区飞行就受限制。因为飞得低，各种数据的采集也就更准确。（六）参与灾后重建，提供有关地理及气象相关信息事实上，我国无人机在洪涝灾害应急监测、太湖蓝藻爆发、森林火灾监测、大气臭氧监测以及大型科学试验中已经发挥了重要作用，也形成了推动无人机技术发展的专业技术队伍。三、航空放射性测量原理概述射线与物质的相互作用和带电粒子与物质作用的相互作用有着显著不同。光子不带电，它不像带电粒子那样直接与靶物质原子，电子发生库伦碰撞导致弹性碰撞能量损失，因而不能像带电粒子那样阻止本领dE/dx和射程来描写光子在物质中的行为。带电粒子，每一次碰撞主要是通过连续地与物质原子核外电子的许多次非弹性碰撞逐渐损失能量的。每一次碰撞中转移的能量是很小的，而光子与物质原子相互作用时，发生一次相互碰撞就导致损失大部分能量或全部能量。，光子不是全部消失就是大角度散射。3.1 射线与物质的相互作用：其可以有很多方式。当能量在30Mev以下时，在所有相互作用方式中主要有三种：1.光电效应： 光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子（多发生于内层电子）。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子的能量等于入射光子的能量减去电子的结合能。光电子与普通电子一样，能继续与介质产生激发、电离等作用。由于电子壳层出现空位，外层电子补空位并发射特征X射线。1. 康普顿效应1923年美国物理学家(A.H.Compton)发现X光与电子散射时波长会发生移动，称为。光子与原子外层电子（可视为自由电子）发生弹性碰撞，光子只将部分能量传递给原子中外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互相互作用。散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为。反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角，一般记为。当散射角=0，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角=180时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小。2. 电子对效应能量大于1.02MeV的光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转变成一个电子和一个正电子。光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量(1.02MeV)，其余就作为它们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；正电子在损失能量之后，将于物质中的负电子相结合而变成射线，即湮没(annihilation)，探测这种湮没辐射是判明正电子产生的可靠实验依据。3.2航空放射性测量技术航空放射性测量技术是一种利用无人机探测放射性射线的技术，其从20世纪40年代中期开始，到了60年代，由于航空伽马的测量技术研发成功，用于铀矿勘察，大体积、高灵敏度探测器（NaI）的投入应用及刻度技术的提高、就地分析钾、铀、钍等放射元素含量软件的完善, 使得航空伽玛能谱测量具有大范围、快速、灵敏等特点, 一些发达国家如美国、加拿大等已经成功地开发航空伽玛能谱测量技术并且开始用于核电站等核设施周围地区的环境辐射监测、核事故的应急监测以及寻找丢失的放射源等实际用途，。美国是建立核应急航空监测系统最早的国家, 为此还专门成立了核事故应急搜索队。该核应急航空监测系统由美国能源部以委托契约方式委托给 EG& G 公司实际运行, 基地在拉斯韦加斯, 常备两架固定翼飞机和两架直升飞机。另外, 在华盛顿郊外安德鲁斯空军基地也驻守着一架固定飞机和两架直升飞机。该系统使用NaI ( T l) 闪烁探测器。地面数据处理设备安置在客货厢式车上, 并随时准备开往核应急目的地，其中核事故应急搜索队大约100人 组成。我国政府对核事故的应急响应高度重视,并密切关注国外核事故应急监测技术的发展。在我国, 核工业航测遥感中心从 1955 年开始了以铀矿勘查为目的的航空放射性测量,早期使用了苏制盖革 米勒计数管探测器, 后改用了 NaI ( T l) 闪烁探测器; 1974 年, 我国研制成功了配有大体积 NaI ( T l) 闪烁探测器的 FD 航空四道伽玛能谱测量系统; 80 年代初开始先后从美国、加拿大引进了 6 套大体积方柱形 NaI ( T l) 闪烁探测器的 GR 800 及M CA 2 双 256 道航空伽玛能谱测量系统, 并先后使用了 9种型号的直升飞机和固定翼飞机进行铀矿地质勘查。3.2.1航空监测系统的组成及各部分作用：1.结构组成示意图导航定位信号数据收录系统GPS天线纸带记录仪接收机接口预警装置控制终端显示监视器NaI探测器组脉冲高度分析器256道2图像录像控制（1）50.3/8.4L(2)16.8l/4.2L雷达高度计航迹录像机数字记录仪摄像机温度计气压高度计图一.2.各部分作用：(1) NaI (Tl)闪烁探测器随核事故应急航空监测的辐射水平不同而有不同的选择。在核事故应急的早，中期辐射水平较高, 选用168l / 42l 晶体体积的NaI (Tl) 闪烁 探测器;而在核事故应急的中，后期或寻找辐射热点或环境辐射水平航空测量中, 选用 50 3l /8 4l大体积的NaI( Tl)闪烁探测器。(2) 核事故应急航空监测系统能根据事故应急航空监测的不同时段设置不同的能量窗,以监测不同能量的伽玛射线能谱成分, 检测不同的人工核素及其活度。(3) 增加了预警装置和多功能显示装置。 天然本底辐射：对核事故应急航空监测而言, 天然本底辐射由以下几种成分构成: 1) 宇宙射线;(2)飞机和仪器的本底辐射;( 3)大气氡(主要是其衰变子体Bi);(4) 地表天然本底辐射天然放射性元素, 即铀系放射性核素、钍系放射性核素，以及K核素。核事故产生的放射性烟羽云在核事故应急的早中期, 由核事故产生的放射性尘埃, 在当地风场的作用下形成放射性烟羽云, 在空 中扩散 和飘移。在核事故早期, 放射性烟羽云也可能会从烟囱中排放出。放射性烟羽云中的放射性核素及其伽玛射线能谱成分极为复杂, 大多数是较短寿的核素, 并且为能量较低的伽玛射线能谱成分。33航空能谱测量：3.3.1能谱的测量：能谱测量是利用能谱仪测量岩石或地层以及其他介质放射性元素某一特定能量的射线（能谱测量常用射线有214 83Bi的1.76106电子伏，232 90Th的2.62106电子伏，40 19K的1.46 X 106电子伏的射线），从而来测定放射性元素含量的一组方法。从应用的空间，能谱测量分为航空能谱测量，地面能谱测量和能谱测井以及水下能谱测量等。近年来,在区域地质工作中常采用能谱测量方法测定岩石或地层中的铀、钍、钾含量及其比值，划分岩体和地层。对射线的测量从获取信息的方式可以分为两类：一类是测量单个脉冲，从测得的大量脉冲事件中得到有关射线的信息，这是最广泛应用的一种方法。另一种是测量累计电流，大量射线入射到探测器中测量其平均输出电流，从而定出测定。由于射线与物质作用主要为光电效应，康普顿效应和电子对效应，其输出能谱也很复杂，在能谱中形成全能峰，康普顿坪，单逃逸峰和双逃逸峰等。当然根据不同介质与不同的入射能量，以上峰的表现也不同。为了根据射线的能量确定能谱的峰位，或反过来，根据所测峰位来确定射线的能量都需要预先对谱仪进行能量刻度。能量刻度就是在谱仪所确定的条件下，利用一组已知能量的源，测出对应能量的全能峰位置，然后作出能量与峰位的关系曲线。有了这样能量刻度，那未测到的射线的峰位即可求出射线的能量。根据能量刻度的结果还可以检测谱仪的线性范围和线性好坏。典型的能量刻度近似为一条直线。要知道射线的强度，必须知道探测器的探测效率，探测出效率即与射线能量有关，又与探测效率的类型测量射线的输出脉冲，通常根据不，晶体大小，形状及探测器的几何形状有关，所以要对每一台谱仪进行效率刻度。根据实验目的可以分为三种类型，每种类型又可以根据情况的需要而选择不同的实验目的需要而选择不同的探测器。航空能谱测量测量由于其具有范围广，灵敏，快速的特点而被广泛使用。与其他航测系统一样，测量前需要进行能量刻度。能量刻度常常用一组能量精确知道的射线放射源，在进行能量刻度时，要定准所测到的峰位，能量刻度是在一定条件就进行的，样品测量时也应该保持测量条件一致，每当测量条件有重大变化时，应重新进行刻度，在使用过程中也应该定期重新刻度。在核事故应急的中、后期, 航空监测的对象核素源项 ( 分布形式) 是以已沉降于地表呈面分布形式出现, 且在一定范围内, 可视为均匀的面 分布。由 于空 中刻度 至少 需要 500 到1000 m 2 均匀分布的人工核素面源, 地面刻度至少也需要半径十几米的均匀分布的人工核素面源, 制作这样大又均匀分布的人工核素面源很困难。可以制作较小面积的有限面源, 再通过一定的理论计算, 转换为模拟无限大面源。 3.3.2航空能谱的测量：1.目的任务航空伽马能谱的测量就是工具天然放射性核素伽马射线的能量差异，利用航空伽马能谱测量系统确定地面岩石，土壤和大气中钾，铀和其它放射性含量及分布的一种方法。元素首先我们知道对于所测的能谱需要进行本底辐射刻度，天然本底辐射成分就是天然环境辐射成分。这些辐射成分的刻度, 与目前进行航空环境辐射测量和铀矿勘查的航空伽玛能谱测量的标定中的刻度相同, 包括测试宇宙射线本底和飞机仪器辐射本底的刻度、大型航空模型静态测试康普顿散射系数的刻度、动态测试带上大气氡刻度、高度衰减系数的刻度、以及空中参照高度上系统灵敏度的刻度等等。航空能谱测量常常与航空磁力测量法测量同步进行，对于航空磁力测量的要求需要按相关标准进行。2.使用仪器应该使用高灵敏度装有下测及上测组合探测器的多道航空伽马能谱探测系统。该测量系统应该具有自动收集探测数据，导航定位及计算机分析系统的功能。3. 校准航空伽马能谱测量仪器在测量之前应该进行校准。否则会产生误差。4数据处理得到测量的数据后，应该对所得数据进行各项参数的修正与格式转换与图像处理。四、探测效率的模拟计算4.1.蒙特卡洛方法概述：蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟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计算机的出现与发展，这种方法作为一种特立独行的方法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到了运用。其作为一种计算方法，又与一般数值方法有着很大的区别。它是以概率统计理论为基础与的一种方法，但与一般数值计算方法有很大的差别。由于蒙特卡洛方法能够比较逼真的模拟事物的特性及物理过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而在运用领域得到日益广泛运用。明天卡洛模拟这个术语是二战时期美国物理学家Metropolis执行曼哈顿计划的过程中提出来的。蒙特卡洛模拟方法的原理是当问题或对象本身具有概率特征时，可以用计算机模拟的方法产生抽样结果，根据抽样计算统计量或者参数的值；随着模拟次数的增多，可以通过对各次统计量或参数的估计值求平均的方法得到稳定结论。蒙特卡洛方法所特有的优点，使得它的运用范围越来越广。主要在：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。随着科学技术发展，其运用范围将更加广泛。用蒙特卡洛模拟求解的问题可以分为两类:随机问题和确定性问题。思路如下：1.首先根据提出的问题构造一个简单、合适的概率模型或随机模型，使问题对应解对应于该模型中随机变量的某些参数（如期望，概率和方差等），当然构建的模型在主要特征参量方面要与实际问题或系统相一致或近似。2 .根据模型中各个随机变量的分布，在计算机上产生随机数，实现一次模拟过程所需的足够数量的随机数。通常先产生均匀分布的随机数，然后生成服从某一分布的随机数，方可进行随机模拟试验。3.根据概率模型的特点和随机变量的分布特性，设计和选取合适的抽样方法，并对每个随机变量进行抽样（包括直接抽样、分层抽样、相关抽样、重要抽样等）。4.按照所建立的模型进行仿真试验、计算，求出问题的所需要的值。5.统计分析模拟试验结果，给出问题的概率解以及解的精度估计。在可靠性分析和设计中，用蒙特卡洛模拟法可以确定复杂随机变量的概率分布和数字特征，可以通过随机模拟估算系统和零件的可靠度，也可以模拟随机过程、寻求系统最优参数等。关于蒙特卡洛方法造成的误差需要说明两点：第一，蒙特卡洛方法的误差是概率误差，这与其他数理方法是有区别的，第二，误差中的均方值是未知的，必须使用期估计值。蒙特卡洛模拟的优点：（1）能够比较逼真地描述具有随机性质的事物特点及物理实验过程（2）受几何条件限制小（3）收敛速度与问题维数无关（4）具有同时计算多个方案与多个未知量的能力（5）误差容易确定（6）程序结构简单，易于实现。缺点：（1）收敛速度慢（2）误差具有概率性（3）在粒子输运问题中，计算结果与系统大小有关4.2MCNP模拟计算的物理模型1.MCNP介绍：MCNP 软件( a general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport )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 1011MeV 至 20MeV，光子和电子的能量范围从1keV 至 1000 MeV 。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 程序中的减小方差技巧是比较多而全的。 通用蒙特卡罗程序通常具有以下特点：具有灵活的几何处理能力；参数通用化，使用方便；元素和介质材料数据齐全；能量范围广，功能强，输出量灵活全面；含有简单可靠又能普遍适用的抽样技巧；具有较强的绘图功能。 MCNP4C提供了一个通用的MC计算程序，它能模拟光子相互作用、电子输运、X射线和韧致辐射的产生。该程序针对一个广泛能量范围内的不同相互作用截面和光子散射角的处理，能够提供连续能量数据库和离散能量数据库。用户需要生成输入文件，包括：源与探测器的几何结构，与光子发生相互作用的材料，以及光子能量等。 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。 针对INP输入文件主要应该注意以下几点：(l)几何输入 栅元描述卡和曲面描述卡主要用来描述问题的几何结构，栅元卡主要包括栅元序号、该栅元的材料号、材料密度、几何说明和参数说明，通过对曲面卡中的曲面进行布尔运算(交，联，余，其运算次序为先余，其次是交，最后是联;如果有括号，先计算括号内，后括号外)来组成描述问题的栅元。栅元卡序号只能写在1一5列上，而且每一行不能超过80列。 (2)粒子源模型的建立 数据卡描述问题的各种特征，主要包括问题类型卡、栅元和曲面参数、源的描述、材料描述、计数卡等。对源粒子的描述应包括源粒子的几何位置、出射方向、能量、时间、权重等。模拟计算时对源的选择应该综合考虑实际因素，一般情况下，如果源的大小与系统结构相比两者相差较大，通常可视为点源，或者当源的体积、面积、角分布等对所求解的问题影响不大时，可以用点源来描述。本论文中使用的是点源，用坐标、能量描述即可。 (3)计数卡的选择 MCNP提供了各种计数卡，每一种计数卡都有其自身的适用范围和特殊功能，我们应该根据问题的需要选择合适的计数卡，确定其计算结果的单位，并考虑能否把不同卡结合起来一起使用使求解问题化难为易。本论文主要使用的是F8计数卡，单位为pulse。 (4)结果的可靠性 MCNP计算结果及其给出的相对误差都具有概率统计性，其所有计数都是一个估计平均值，可以理解为我们数学上的期望值，都是一个归一化的结果；其相对误差R是估计的平均值与估计的标准差之间的差，R与l/成比例，其中N是粒子的计数，一般要求R0.1。1.粒子权重：若严格模拟实际过程则一个MCNP粒子仅代表一个实际粒子，且具有为1的权重。然而为了提高计算效率，MCNP允许用户允许用户使用许多并非实际过程中的偏倚技巧。偏倚就是使一些感兴趣区域中的粒子增加，另一些区域中粒子减少，。为了使计算的结果不出现偏差，人为改变粒子数目后，相应要调整每个粒子的权重。2.粒子径迹径迹就是源粒子与诱发粒子在其运行轨迹，粒子在两次与原子核碰撞之间的运行线路是直线，粒子之间的作用忽略不计。在任何给定材料的栅元中，MCNP计算沿径迹方向到下次碰撞点的距离不是计算单位体积的碰撞几率。4.3模拟计算4.3.1中子与物质的作用中子不带电,它与物资的作用主要表现为与原子核的作用，与核外电子的作用可以忽略。不同能量的原子与原子核的作用也不相同。MCNP模拟中子输运时，要根据径迹反复考虑如下事项：1.碰撞前的中子能量，飞行方向和径迹长度；2.与哪种核碰撞，被碰撞核的速度与方向；3.碰撞过程中选择地产生光子，模拟每个光子的初始能量，运动方向，权重，下一次出现在什么地方和哪种核碰撞。如此反复，直到中子能量足够低底或权重足够小。1选择碰撞核： 设介质由n种介质构成，是一个【0,1】上的随机数，当成立时，第K种核被选为碰撞核。2.靶核速度抽样3.考虑弹性散射和非弹性散射4S（，）处理若中子能量足够低，且用户指定使用S（，）表，则碰撞通过S（，）处理被模拟，而不经过第3步。中子与原子核碰撞受到原子热运动及附近其它原子的影响，S（，）同时考虑了二者的影响。5俘获：有两种处理俘获的方法：模拟和暗含。6光子的产生在中子-光子联合输运问题中，若碰撞核光子产生截面不为零，就会产生光子。4.4光子与物质作用MCNP模拟光子的能量范围是1kev100Mev.有两种处理光子的方法，可通过PHYS：P卡选择。1. 简单的物理程处理这种处理只对高Z和深穿透问题不适用，整个物理过程只有光电效应，电子对效应和康普顿散射。2. 详细的物理处理过程3. 这一物理过程在MCNP中是缺省的，包括光电效应，电子对效应，相干散射和非相干散射，记录产生的荧光并且考虑电子束缚的影响，从而对Thomson和Klein-Nishina微分截面进行修正。4.5记数记数是对计算结果的记录，MCNP提供一些标准记数方式，以助记符F1,F2,F4,F5a,F6等区分，用户可以根据自己的意愿加以选择。记数都被归一化成对应的一个源粒子。4.5.1探测器记数在MCNP中，某点处的通量可用点探测器或环探测器记数来估计。（1）.点探测器点探测器用确定论方法计算空间中某点的通量，记录了粒子和碰撞产生粒子对这点的贡献。点探测器也被称为“下次事件估计器”，因为估计点通量记数时。下一个事件是一个无碰撞直接到达点探测器的事件。这种过程可以理解为伪粒子的输运。(2).环探测器与点探测器相似，但环探测器在上一个环上计数。4.5.2.模拟计算：由于谱仪是无人机的核心测量仪器，其主要由两块NaI（TI）晶体搭建而成，单块晶体的大小为40cm10cm5cm,模拟时，只需要考虑每个光子在NaI晶体中乘积的晶体发生的能量沉积，并将这种能量直接近似为实际谱仪的脉冲输出。由于光子与NaI晶体作用时，会产生次级光子，电子或正电子。因此需要对射线的能量沉积进行MCNP模拟，图二描述了这一作用能量与原子序数的关系。可以看到主要有光电效应，康普顿效应，电子对效应构成，其他作用可以忽略不计。对于137CS，在模拟计算能量为0662kev，对于能量大于1.02Mev才能发生的电子对效应可以忽略，因此在分析射线与NaI晶体的一次作用过程中，只需要考虑上面三种效应。而二次粒子与晶体的反应则需考虑以上三种外，还需要考虑轫致辐射光子，康普顿散射光子等。每个入射NaI晶体的源光子在晶体的总能量沉积为源光子与晶体介质的首次互相作用后的沉积能量与其子代光子的能量沉积之和。图二 光子的相互作用过程与光子能量和原子序数的关系4.5.3用MCNP模拟后的探测效率计算模型建立流程图建立源和探测器空间模型（圆柱体）建立输运模型填写相关卡；并采用Cookie-cooter提高采样效率计算有效粒子数4.4.4模拟点源探测效率：与面源的情况比较后已知，点源既是面源情况下将半径定为0，放射性活度为100Bq,计算结果乘以面源活度转化为计数率，再用excel处理与理论数据比较。4.5.5模拟面源探测效率;条件：1.假设面源是均匀分布的；2.面源的放射性活度是100Bq/m2用MCNP模拟探测器的探测效率时进行两种条件的计算：（1） 地面半径一定，计算探测器在不同高度时的探测效率；（2） 探测器高度一定，计算探测器在不同地面面源半径的探测效率程序所运行的结果转成计数率，再用Excel进行处理,并拟合出计数率曲线。 ZNaI探测器 伽马射线R RYX图三.源和探测器的空间结构模型图四.点源模拟数据拟合曲线图五.理论点源模拟拟合数据曲线图六.面源模拟数据拟合曲线（高度不变，改变半径）图七.理论面源模拟数据拟合曲线（高度不变，改变半径）