核工程與核技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-閃爍探測器探測效率與γ射線能量關(guān)系的數(shù)值模擬

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題 目 閃爍探測器探測效率與射線能量關(guān)系的數(shù)值模擬英文題The Numerical Simulation Relationship Of Scintillation Detector Detection Efficiency And -ray Energy學(xué)生姓名: 專 業(yè): 核工程與核技術(shù)班 級: 指導(dǎo)教師: 二零一一年六月摘 要閃爍能譜儀的探測效率與射線能量關(guān)系之間的關(guān)系，通過使用蒙特卡羅的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。NaI閃爍探測器由于其探測效率高、在常溫下可以使用的特點(diǎn)，越來越受到人們的重視。因此研究其探測效率對進(jìn)一步的開發(fā)和研究閃爍探測器是很有必要的，特別是閃爍探測器與能量

2、之間的關(guān)系決定了今后的研究方向。射線主要分為兩大類：一類是，自然射線；另一類是，人工射線，用NaI探測器了對射線進(jìn)行探測。然后用MCNP4C軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到了不同射線能量下的能譜。通過能譜圖我們可以根據(jù)全能峰內(nèi)的相對計(jì)數(shù)率，得出相對探測效率。再得出相對探測效率以后，根據(jù)相對應(yīng)的射線能量，擬合出圖形，得到探測效率與射線能量關(guān)系的數(shù)值模擬。通過對上述內(nèi)容的研究，本課題根本上到達(dá)了預(yù)期研究目的，取得較好的階段性成果，對閃爍探測器探測效率與能量關(guān)系的研究起到一定的科學(xué)指導(dǎo)作用，為實(shí)驗(yàn)提供了一定的依據(jù)。關(guān)鍵詞：探測效率； 射線； 蒙特卡羅模擬AbstractThe relationship bet

3、ween 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. 朗讀顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼

4、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 artifi

5、cial -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 th

6、en 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 a

7、chieve 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 錄緒 論11.1 選題意義及目的11.2 實(shí)驗(yàn)背景12 模擬實(shí)驗(yàn)根底32.1 射線與物質(zhì)的相互作用32.1.1

8、 光電效應(yīng)32.1.2 康普頓效應(yīng)32.1.3 光電子對效應(yīng)42.2 閃爍能譜儀52.2.1 閃爍探測器的原理62.2.2 閃爍探測效率73 構(gòu)建模型83.1 蒙特卡羅方法及MCNP程序簡介83.1.1 蒙特卡羅計(jì)算方法及其應(yīng)用范圍83.1.2 MCNP程序簡介83.2 建立數(shù)學(xué)模型113.2.1 點(diǎn)源模擬113.2.2 探測器柵元卡片填寫113.2.3 模擬模型143.2.4 源定義143.2.5 輸入卡片154 計(jì)算結(jié)果與處理174.1 模擬輸出結(jié)果174.1.1 自然射線的模擬輸出結(jié)果174.1.2 人工射線的模擬輸出結(jié)果204.2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果23結(jié)論26致 謝27參考文獻(xiàn)28緒 論

9、1.1 選題意義及目的隨著我國經(jīng)濟(jì)的開展，國民生活水平不斷提高，國內(nèi)需求不斷增長。核輻射探測器也逐漸被使用到各行各業(yè)，在各類探測器中，閃爍體探測器由于其對射線的探測分辨時間短、探測效率高、能測量射線的能量的優(yōu)點(diǎn)，所以是目前應(yīng)用的最廣的射線探測器。因此研究閃爍探測器探測效率與射線能量關(guān)系對我們提高閃爍探測器探測效率有著重要的意義。本課題主要是應(yīng)用蒙特卡羅的方法對探測器探測效率與射線能量關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬，通過這個數(shù)值關(guān)系，我們可以找到最正確的射線能量對應(yīng)著最高的探測效率。這樣就對我們以后的實(shí)驗(yàn)、研究提供了一定的依據(jù)。1.2 實(shí)驗(yàn)背景蒙特卡羅方法又名隨機(jī)模擬法或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)法，它是一種具有獨(dú)特風(fēng)格的數(shù)值

10、計(jì)算方法，它既能求解定性的數(shù)學(xué)問題，也能求解隨即問題。半個多世紀(jì)以來，由于科學(xué)技術(shù)的開展和電子計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造，這種方法作為一種獨(dú)立的方法被提出來，但與一般數(shù)值計(jì)算方法有很大區(qū)別，它是以概率統(tǒng)計(jì)理論為根底的一種方法。由于蒙特卡羅方法能夠比擬逼真地描述事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛1。蒙特卡洛方法由于其簡單性、靈活性和普遍性在獲得廣泛應(yīng)用。尤其在核物理上更是得到很大應(yīng)用，20世紀(jì)80年代，Schlumberger、LANL和美國北卡羅來納州立大學(xué)開始將蒙特卡羅方法用于核測井的模擬，取得很大的成功2。以后的開展里，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代計(jì)

11、算機(jī)技術(shù)使隨即采樣成為解決復(fù)雜問題的實(shí)用方法。到了20世紀(jì)90年代，蒙特卡羅模擬已經(jīng)成為核測井科研和生產(chǎn)中的重要工具。近一些年來，一些大型的蒙特卡羅方法應(yīng)用軟件先后生產(chǎn)并開展，例如，美國的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的輻射屏蔽信息中心RSIC、阿貢國家實(shí)驗(yàn)的軟件中心NESC和計(jì)算機(jī)物理庫CPC等所收集的大量應(yīng)用軟件，就有相當(dāng)數(shù)量的蒙特卡洛方法應(yīng)用軟件。具體的用在核技術(shù)領(lǐng)域的軟件有美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的MOSE程序、美國Stanford Linear Accelerator Center的EGS程序、美國生地國家實(shí)驗(yàn)室的SANDYL和TIGER程序、美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的MCNP程序、歐洲核子研究中心

12、的GERNT程序、英國的MCBEND程序以及法國的TRIPOLI程序等。這些程序在粒子輸運(yùn)模擬中發(fā)揮了重要作用，但這些程序一般為通用程序，并且操作復(fù)雜不便計(jì)算和探測問題。因而，研究核探測問題的蒙特卡羅計(jì)算方法及軟件成為當(dāng)今輻射輸運(yùn)領(lǐng)域的熱門課題2,3。在運(yùn)用蒙特卡羅方法對射線的響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算以及探測效率刻度方面，國內(nèi)外重20世紀(jì)60年代就已經(jīng)有很多人開始研究工作，而從20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外有關(guān)這方面的研究工作可分為：對裸晶體，隨著光子能量越來越高，考慮的反響機(jī)制日趨完善；對低能光子，在反響機(jī)制較簡單的情況下，研究了體源、反射層及源與探測器的幾何關(guān)系對響應(yīng)函數(shù)及探測效率的影響2,3。進(jìn)入

13、20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)外持續(xù)有學(xué)者對蒙特卡洛方法計(jì)算響應(yīng)函數(shù)和探測效率的方法進(jìn)行改良完善，像等利用NGRC程序、等利用EGS4程序模擬了NaI(Tl)閃爍探測器對射線的響應(yīng)函數(shù)，清華大學(xué)的Hu-Xia-Shi等人利用MCNP模擬了NaI(Tl) 閃爍探測器對射線的響應(yīng)函數(shù)3,4?？v觀前人的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)蒙特卡洛方法在計(jì)算射線在探測器中與探測器效率刻度方面，為我們研究提供了極大的便利，并可以減少大量的實(shí)驗(yàn)工作，但是在大多停留在實(shí)用國外的通用軟件上，而國內(nèi)還沒有比擬成功的自主研發(fā)陳鼓工我們方便使用，并且在探測效率刻度大多是正對源與探測器的空間幾何位置來進(jìn)行，很少有人對射線能量與探測效率之間

14、的關(guān)系進(jìn)行研究3,4。2 模擬實(shí)驗(yàn)根底2.1 射線與物質(zhì)的相互作用 光電效應(yīng)當(dāng)射線與原子殼層軌道上的內(nèi)層電子碰撞時，將所有能量交給殼層的一個內(nèi)層電子，電子克服了電離能，脫離原子而運(yùn)動，產(chǎn)生光電子，而射線被完全吸收，這種作用稱為光電效應(yīng)。為使光電效應(yīng)保持動量守恒，必須有第三者，即反沖核。由于自由電子不能吸收射線而形成光電子，因此光電效應(yīng)產(chǎn)生的幾率將隨著電子結(jié)合能的增加而增加，靠近K層、L層產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率最大1,2。圖21 光電效應(yīng)示意圖當(dāng)入射射線的能量大于原子的電離能，才能產(chǎn)生該物質(zhì)的光電效應(yīng)。光電子的動能是入射射線能量與電離能之差。一般認(rèn)為，光電效應(yīng)視整個原子看成一個統(tǒng)一的體系與入射光子發(fā)

15、生作用，吸收能量，發(fā)射光電子。沒有足夠的能量克服軌道電子的結(jié)合能，電子就不可能脫離原子的束縛而成為自由電子1,2。 康普頓效應(yīng) 當(dāng)入射的射線與一個自由電子發(fā)生一次碰撞時，射線將局部能量傳給電子，使它與射線的初始運(yùn)動方向呈角射出，而射線那么與初始運(yùn)動方向呈角散射。這種現(xiàn)象稱為康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)，簡稱康普頓效應(yīng)1,2。將入射光子看成是具有一定能量和動量的粒子與電子發(fā)生剛性碰撞。在這一碰撞過程中，入射光子將一局部能量傳遞給電子。而光子發(fā)生能量和方向的改變，形成能量為，動量為的光量子。散射角為。電子在獲得一定能量之后，克服結(jié)合能，沿方向出射。稱為反沖電子或康普頓電子。其動能取決與電子獲得能量與電子結(jié)合能

16、之差；并具有相應(yīng)的動量，作用過程見圖22所示。根據(jù)能量和動量守恒定律，可以得到沿方向散射的射線能量： 21沿方向出射的反沖電子能量： 22 式中：電子靜止質(zhì)量; 光速。圖22 康普頓效應(yīng)示意圖 光電子對效應(yīng)隨著入射光子能量的增高，光電效應(yīng)的吸收作用很寬減弱，康普頓效應(yīng)也逐漸減弱。當(dāng)光子能量大于1.02MeV時，就存在形成電子對效應(yīng)的幾率，即光子完全被吸收而產(chǎn)生一正、負(fù)電子對。電子對的動能為 (2-3)式中，入射光仔能量； 正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量； 光速。正電子與負(fù)電子不同，它很不穩(wěn)定，其壽命大約為。正電子在物理中由于電力而損失能量后，將和電子結(jié)合，通常轉(zhuǎn)化為兩個能來那個為0.51MeV且方向相反

17、的光子，這種現(xiàn)象即正電子湮沒1,2。當(dāng)能量大于1.02MeV的光子通過原子序數(shù)較大的物質(zhì)時，將容易測到這種射線。圖23 電子對效應(yīng)示意圖2.2 閃爍能譜儀閃爍體是透明的絕緣體。射線與閃爍體相互作用所產(chǎn)生的次級電子可以再和它作用，使其原子分子電離和激發(fā)。顯然，產(chǎn)生的電子離子是無法從物質(zhì)中引出來的，但其過程中產(chǎn)生的閃光可從物質(zhì)中透射出來，被收集轉(zhuǎn)換成點(diǎn)脈沖放大后，可供分析記錄。因此，閃爍體可作射線探測器的探測介質(zhì)。閃爍體可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，有機(jī)閃爍體又分為液體閃爍體、有機(jī)晶體和塑料閃爍體三種。這些閃爍體對射線有中等大小的吸收本領(lǐng)。有機(jī)閃爍體的探測器有比擬高的探測效率。盡管其能量分辨率不好，但響

18、應(yīng)快、時間分辨好。因此，常用這類探測器用作快符合裝置上的探測器。無機(jī)閃爍體的典型代表是鉈激發(fā)的碘化鈉晶體和碘化銫晶體。他們原子序數(shù)高、密度大，對射線有較高的吸收本領(lǐng)。其時間響應(yīng)快，能量分辨率也好，是20世紀(jì)50年代以來探測射線的主要探測器2,3。 閃爍探測器的原理閃爍探測器主要由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器贊歌主要局部組成。圖2-4是閃爍能譜的結(jié)構(gòu)框圖，探頭局部主要包括閃爍體和光電倍增管和前置放大器；主機(jī)局部包括主放大器，多道脈沖幅度分析器，接口電路、電源電路以及計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的應(yīng)用軟件等。圖2-4 閃爍能譜儀原理框圖目前，閃爍晶體主要使用NaI(Tl)晶體，它的密度大=/cm3,而且高原

19、子系數(shù)的碘Z=53占重要的85%，所以對射線探測效率特別高，相對發(fā)光效率大，它的光譜最強(qiáng)波長為415nm左右，能與光電倍增管的光譜響應(yīng)較好的一種。但是NaI(Tl)晶體容易潮解，吸收空氣水分會變質(zhì)失效，所以一般NaI(Tl)晶體使用時都是裝在密封的金屬盒中。射線與NaI(Tl)晶體相互作用，會使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光，從閃爍體出來的光子通過光導(dǎo)射向光電倍增管的光陰極，由于光電效應(yīng)，在光陰極上打出電子。光電子經(jīng)過各級之間的電壓加速，聚焦后射向打拿極。每個光子在打拿極上擊出幾個電子，這些電子射向后續(xù)的打拿極。所以，最后射向陽極的電子數(shù)目是很多的，陰極把這些電子收集起來，轉(zhuǎn)變成電信號并輸出。經(jīng)過Na

20、I(Tl)探測器和光電倍增管輸出的信號往往較弱，需要加前置放大器。其主要作用是：提高系統(tǒng)的信噪比；減小信號經(jīng)電纜傳送時外界干擾的影響；阻抗匹配，功率放大。探頭的信號經(jīng)前置放大器輸出，但前置放大器輸出脈沖幅度和波形并不適合后面的分析測量設(shè)備的要求，所以對信號還需要進(jìn)一步放大和成形，在放大和成形的過程中必須嚴(yán)格保持探測器輸出的有用信號如射線的能量和時間信息，可能減少它們的失真。這樣的放大和成形就由放大器來完成。放大器輸出的信號要適應(yīng)分析測量設(shè)備的要求，必須解決兩個問題。一個是把小信號放大到需要的幅度；另一個就是改造信號形狀，通常稱為濾波成形。目的是放大有用的信號，降低造成，提高信噪比，適合于后續(xù)電

21、路的測量。在這個過程中盡可能不損失有用的信息。主放大器輸出的信號就可以給多道脈沖幅度分析器MCA進(jìn)行脈沖的幅度分析。多道譜儀是按照脈沖的幅度對輻射脈沖信號進(jìn)行分類計(jì)數(shù)，以及對后續(xù)輻射信息保存、處理以及獲取有用信息的儀器。它的核心部件就是多道脈沖幅度分析器，其根本功能就是按輸入脈沖的幅度分類計(jì)數(shù)。多道脈沖幅度分析器的任務(wù)是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個幅度間隔，然后測量脈沖幅度在每一個“幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量方法是用計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。它將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個幅度間隔，這些幅度間隔的個數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù)；

22、而幅度間隔的寬度就是道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析得越精細(xì)，各個道的計(jì)數(shù)也相應(yīng)減少，那么需要測量的時間也要加長，當(dāng)然硬件電路也就越復(fù)雜，所以不應(yīng)盲目地追求道數(shù)。通常，要求在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有510道，對于采用NaI(Tl)探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比擬差，128道至512道就能滿足測量要求2,3。 閃爍探測效率要知道探測效率與射線能量之間的數(shù)值關(guān)系，我們首先要探測效率的定義和如何計(jì)算探測效率。目前，作為探測效率的定義是多樣的，例如集合效率、本征效率、峰-總比效率、本征全能效率、絕對全能峰效率、絕對雙逃逸峰效率和絕對單逃逸峰效率等3。在本文中，我們是用絕對全能峰效率來進(jìn)行對探測器

23、探測效率的計(jì)算。如果只測量全能峰內(nèi)的計(jì)數(shù)率，那么探測裝置的噪聲和干擾輻射對計(jì)數(shù)率的影響都可減少。全能峰很容易識別，從測得的能譜中求得全能峰內(nèi)的凈計(jì)數(shù)率都是比擬容易的。根據(jù)全能峰內(nèi)的凈計(jì)數(shù)率與全能峰探測效率，求樣品射線發(fā)射率的測量方法稱為全能峰法。利用全能峰法我們就可以測出全能峰探測效率。例如，在一定條件，測量發(fā)射率為N0的標(biāo)準(zhǔn)源，得到全能峰內(nèi)的凈計(jì)數(shù)率為np那么全能峰探測效率為5： 2-1 3 構(gòu)建模型3.1 蒙特卡羅方法及MCNP程序簡介蒙特卡羅方法又稱隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法。半個多世紀(jì)以來，由于科學(xué)技術(shù)的開展和電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與開展，這種方法作為一種獨(dú)立的方法被提出來，并首先在核武器的

24、試驗(yàn)與研制中得到應(yīng)用。 蒙特卡羅計(jì)算方法及其應(yīng)用范圍蒙特卡羅方法是一種計(jì)算方法，但與一般數(shù)值計(jì)算方法有很大區(qū)別。它是以概率統(tǒng)計(jì)理論為根底的一種方法。由于蒙特卡羅方法能夠比擬逼真地描述事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛4。蒙特卡羅方法的根本思想，當(dāng)所求問題的解是某個事件的概率，或者是某個隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望，或者是與概率、數(shù)學(xué)期望有關(guān)的量時，通過某種試驗(yàn)的方法，得出該事件發(fā)生的頻率，或者該隨機(jī)變量假設(shè)干個具體觀察值的算術(shù)平均值，通過它得到問題的解4,5。蒙特卡羅方法的優(yōu)點(diǎn)，能夠比擬逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì)的事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過程；受幾何條件限制小

25、；收斂速度與問題的維數(shù)無關(guān)；具有同時計(jì)算多個方案與多個未知量的能力；誤差容易確定；程序結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。同時它的缺點(diǎn)，收斂速度慢；誤差具有概率性；在粒子輸運(yùn)問題中，計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)大小有關(guān)。故使用蒙特卡羅方法需“揚(yáng)長避短，發(fā)揮蒙特卡羅的特長，使其應(yīng)用范圍更加廣泛4,5,6。蒙特卡羅方法應(yīng)用范圍包括：粒子輸運(yùn)問題，統(tǒng)計(jì)物理，典型數(shù)學(xué)問題，真空技術(shù)，激光技術(shù)以及醫(yī)學(xué)，生物，探礦等方面。其在粒子輸運(yùn)問題中的應(yīng)用范圍主要包括：實(shí)驗(yàn)核物理，反響堆物理，高能物理等方面。在實(shí)驗(yàn)核物理中的應(yīng)用范圍主要包括：通量及反響率，中子探測效率，光子探測效率，光子能量沉積譜及響應(yīng)函數(shù)，氣體正比計(jì)數(shù)管反沖質(zhì)子譜，屢次散射與

26、通量衰減修正等方面6。 MCNP程序簡介MCNP程序全名為Monte Carlo Neutron and Photo Transport Code。它是美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的大型多功能通用蒙特卡羅程序，可以計(jì)算中子、光子和電子的聯(lián)合輸運(yùn)問題以及臨界問題，中子能量范圍從10-11MeV至20MeV，光子和電子的能量范圍從1keV至1000MeV。程序采用獨(dú)特的曲面組合幾何結(jié)構(gòu)，使用點(diǎn)截面數(shù)據(jù)，程序通用性較強(qiáng)，與其它程序相比，MCNP程序中的減方差技巧是比擬多而全的4,5,6。MCNP程序主要特點(diǎn)，程序中的幾何是三維任意組態(tài)；可以使用精細(xì)的點(diǎn)截面數(shù)據(jù)；該程序功能齊全；在減小方差技

27、巧方面，內(nèi)容十分豐富；具有很強(qiáng)的通用性7。MCNP的輸入包括幾個文件，但主要的一個是由用戶編寫的INP文件，該文件包括描述問題所必須的全部輸入信息。文件采用卡片結(jié)構(gòu)，每行代表一張卡片，文件由一系列卡片組成，對于任一特定的問題，只需用到INP全部輸入卡片的一小局部。例如對不同的源，只須修改源的描述卡；不同的計(jì)數(shù)類型，有對應(yīng)的計(jì)數(shù)描述卡8。MCNP輸入數(shù)據(jù)中，物理量的單位見表3-1：表3-1 MCNP輸入文件中物理量的單位長度厘米能量Mev時間10-8秒溫度Mev(Kt)原子密度1024個原子/厘米3截面10-24厘米2原子量質(zhì)量密度克/厘米3阿伏伽德羅常數(shù)×1023MCNP程序輸入文件

28、的根本形式，使用這種形式建立一個蒙特卡羅計(jì)算問題，對問題的幾何結(jié)構(gòu)、材料、記數(shù)要求等等給以描述，如果需要，可以直接運(yùn)行。該文件的格式如下：表3-2 MCNP初始運(yùn)行的輸入文件信息塊空行分隔符選擇項(xiàng)標(biāo)題卡僅一行，占用地1-80列。作為輸入標(biāo)題。柵元卡空行分隔符定義構(gòu)成整個系統(tǒng)的各個根本戒指單元以及相應(yīng)的物理信息。曲面卡空行分隔符定義組成柵元的曲面信息。數(shù)據(jù)卡空行分隔符其它數(shù)據(jù)，包括問題類型、源描述、材料描述、計(jì)數(shù)描述，問題截?cái)鄺l件等。其它選擇項(xiàng)信息塊空行分隔符選擇項(xiàng)CONTINUE寫在1-8列數(shù)據(jù)卡空行分隔符只允許局部數(shù)據(jù)卡。FQ,DD,NPS,CTME,IDUM,RDUM,PRDMP,LOST

29、,DBCN,PRINT,KCODE,MPLOT,ZA,ZB和ZC其它選擇項(xiàng)卡片填寫格式注意問題，INP輸入文件的每一行稱之為一張卡片都限于使用第180列并構(gòu)成卡片映象。大局部輸入卡片按行填寫；然而，對數(shù)據(jù)卡允許按列填寫。$符號為它所在那行數(shù)據(jù)的結(jié)束符，在$符號后面的內(nèi)容作為注釋，它可從$符號后面的任一列開始。標(biāo)題卡只占一行，整行都可填入用戶需要的信息，也可以是空行。但要注意在其它地方使用空行是作為結(jié)束符或者分隔符。輸入文件中，在標(biāo)題卡之后及最后的空行結(jié)束卡之前的任何地方都可插入注釋卡。注釋卡必須是字母“C寫在15列中的任意位置，且至少用一個空格隔開后面的注釋內(nèi)容9。其中行輸入格式，柵元卡、曲面

30、卡和數(shù)據(jù)卡的書寫格式是相同的。必須從15列開始填寫這些卡片相應(yīng)的名字(或編號)和粒子標(biāo)識符，后面填寫用空格分隔的數(shù)據(jù)項(xiàng)。如果15列為空，那么表示它是前一張卡片的繼續(xù)卡。如果在一行的末尾有一個用空格隔開的符號“&，那么表示下一行是該行的繼續(xù)卡，數(shù)據(jù)可填寫在180列。一個數(shù)據(jù)項(xiàng)必須在一張卡片上寫完，不得跨到下一張卡片上。完全空白的一行那么為兩組卡片的分隔符。對任何給定的帶有粒子標(biāo)識符的類型卡只能有一張。需要整數(shù)的數(shù)據(jù)項(xiàng)必須填寫整數(shù)，其它數(shù)據(jù)可填寫為整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)以及MCNP能讀的數(shù)據(jù)10。列輸入格式對輸入柵元參數(shù)及源描述是非常有用的。對于柵元重要性及體積等參數(shù)，輸入按行排列時其可讀性差，且在

31、增加或刪除一些柵元時容易出錯。用列輸入格式，一個柵元的所有柵元參數(shù)是放在標(biāo)有該柵元名字的那行上。如果刪掉一個柵元，用戶只需刪除該柵元參數(shù)行，而不需要在每一個柵元參數(shù)卡上尋找該柵元所對應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。對于源描述也有類似的情況。用列格式，卡片名字逐個放在一個輸入行上，并且在這些卡片名字下面按列列出數(shù)據(jù)項(xiàng)。后續(xù)各行為各個柵元的數(shù)據(jù)。如果填寫某個柵元名字，那么必須填寫全部柵元名字，且柵元的順序可以任意排列；如果沒有指定柵元名字，那么按柵元卡描述的順序排列。在一個輸入文件中，允許有多個列數(shù)據(jù)塊11。3.2 建立數(shù)學(xué)模型 點(diǎn)源模擬本實(shí)驗(yàn)，模擬探測器使用NaITl多道能譜儀圖3-1替代閃爍探測器。為了得到探測器

32、探測效率和射線能量之間的數(shù)值關(guān)系，我們使用點(diǎn)源進(jìn)行模擬，所選用用的點(diǎn)源包括自然射線和人工射線兩大類，最低MeV，最大的MeV(詳見表3-5) 7,8。 圖3-1 NaITl多道能譜儀及其探頭局部 探測器柵元卡片填寫模擬NaI(Tl)探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖3-2，探測器分6個柵元，使用15個界面組成。下列圖中阿拉伯?dāng)?shù)字表示該曲面的曲面號，圓圈數(shù)字表示各柵元號。表3-3為探測器各局部的尺寸大小8。 圖3-2 NaI(Tl)探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖表3-3 探測器各局部尺寸大小單位cm內(nèi)徑外徑厚度高NaI-MgOSiO2-Fe-Air-Fe柵元卡填寫：1 1 -3.67 1 -2 -3 IMP:P=1

33、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第一列表示柵元號參考圖 3-2；第二列表示各柵元對應(yīng)的材料號；第三列表示該材料的密度；第四列表示該柵元組成的曲面號參考圖 3-2，IMP：P=1 表示該柵元中光子的重要

34、性為 1，同樣 IMP：E=1 表示該柵元中電子的重要性為 1。對應(yīng)各個曲面的幾何位置，第一列為曲面號；第二列中 PZ 表示垂直 Z 軸的平面，CZ 表示軸心在 Z 軸的圓柱；第三列表示對應(yīng)第二列方程數(shù)據(jù)項(xiàng)。1 PZ 2 CZ 3 PZ 4 PZ 5 PZ 6 CZ 7 PZ 8 CZ 9 PZ 10 PZ 11 CZ 12 PZ 13 PZ 014 CZ 15 PZ 探測器材料組成見表3-3表3-4 探測器組成材料及其各元素含量-物質(zhì)密度g/cm3成分比探測器NaI&TlIMgO-SiO2-Fe&C-空氣Air-注:成分比局部帶負(fù)值表示物質(zhì)中元素的質(zhì)量比，正值表示物質(zhì)中元素的

35、原子成分比材料卡描述：第一列表示表示材料號；第二列表示對應(yīng)各材料的物質(zhì)組成比例；以上材料分別對應(yīng) NaI(Tl)晶體、反射體 MgO、有機(jī)玻璃 SiO2、不銹鋼罐以及空氣12。 模擬模型建立點(diǎn)源模擬系統(tǒng)，見圖 3-3，建立三維坐標(biāo)系，將探測器置于坐標(biāo)原點(diǎn)，原點(diǎn)正下方 10cm 處放置點(diǎn)源，現(xiàn)以Cs137源為例。以原點(diǎn)為中心建立一個半徑為 150cm 的球體屏蔽系統(tǒng)，以便快速結(jié)束粒子追蹤，球體填充空氣，密度大小為 0.001293 g/cm3，球體外為真空8。圖3-3 點(diǎn)源模擬系統(tǒng)示意剖面圖 源定義我們選取多種射線能量的進(jìn)行模擬，本文中我們選取自然射線和人工放射性兩大類射線。各個能量和元素見下表

36、8。表3-5 各個核素與能量自然射線核素能量(MeV)Pb-214Bi-214Bi-214K-40Bi-214Ti-208人工射線Ba-131Ba-131Cs-137Co-60Co-60Na-24下文中我們用137Cs源進(jìn)行模擬示范。137Cs源為各向同性點(diǎn)源，能量為 662keV，位置在原點(diǎn)正下方 10cm 處。發(fā)射粒子權(quán)重為 1，發(fā)射源的粒子類型是光子，同時考慮光子作用。描述如下12：MODE P ESDEF ERG=0.662 POS=0 0 -10 PAR=2 WGT=1 輸入卡片# NaI探測器點(diǎn)源137Cs模擬81 1 -3.67 1 -2 -3 IMP:P=1 IMP:E=1 $

37、NaI晶體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 $不銹鋼殼5 5 -0.001293 (10 -11 -12)#1#2#3#4 IMP:P=1 IMP:E=1 $空氣6 6 -7.93 (13 -14 -15)#1#2#3#4#5 IMP:P=1 IMP:E=1 $不銹鋼殼7 7 -0.001293 -16#1#2#3#4#5#6 IMP:P=1 IMP:E=1 $空氣8 0 16 IMP

38、:P=0 IMP:E=0 $真空1 PZ 1.811 $曲面定義2 CZ 3 PZ 4 PZ 5 PZ 6 CZ 7 PZ 8 CZ 9 PZ 10 11 12 13 PZ 014 15 16 SO 150MODE P E $源定義2 POS=0 0 -10 PAR=2 WGT=1M1 11023 -0.15318 53127 -0.846201 81204 -0.000616 $材料定義卡F8:P 1 $記數(shù)卡E8 0 1E-5 0.01 400I 1.0 $記數(shù)能量卡FT8 GEB 0 0.0252 $記數(shù)特殊處理卡NPS 50000000 $計(jì)算粒子數(shù)截?cái)嗫≒RINT $打印輸出結(jié)果4

39、計(jì)算結(jié)果與處理4.1 模擬輸出結(jié)果4.1.1 自然射線的模擬輸出結(jié)果本次模擬粒子數(shù)為50000000Pb-214MeV的能譜圖如下：圖4-1214Pb能譜圖Bi-214MeV的能譜圖如下:圖4-2215BiMeV能譜圖 Bi-214MeV的能譜圖如下:圖4-3 214Bi能譜圖K-40MeV的能譜圖如下:圖4-4 40K能譜圖Bi-214MeV的能譜圖如下:圖4-5 214Bi能譜圖Ti-208MeV的能譜圖如下:圖4-6 208Ti能譜圖MeV的射線與探測介質(zhì)相互作用就有可能產(chǎn)生電子對事件，在此事件中，正電子湮滅MeV的光子，一個或兩個均逃離探測介質(zhì)，探測介質(zhì)吸收余下的能量，那么產(chǎn)生單逃逸峰

40、和雙逃逸峰。MeV以上，譜形上又出現(xiàn)單逃逸峰和雙逃逸峰13，見圖4-5和圖4-6中。圖4-1到4-6是所選的自然射線能譜圖，根據(jù)測量各個能譜上全能峰上的相對計(jì)數(shù)率，與對應(yīng)的能量，列出下表：表4-1 各個元素能量與對應(yīng)的計(jì)數(shù)率元素能量MeV相對計(jì)數(shù)率Pb-214Bi-214Bi-214K-40Bi-214Ti-2084.1.2 人工射線的模擬輸出結(jié)果以下是所選取的人工射線的能譜圖：Ba-131MeV的能譜圖如下： 圖4-7 131Ba能譜圖Ba-131MeV的能譜圖如下： 圖4-8 131Ba能譜圖Cs-137MeV的能譜圖如下： 圖4-9 137Cs能譜圖Co-60MeV的能譜圖如下： 圖4-

41、10 60Co能譜圖Co-60能量為1.332MeV的能譜圖如下： 圖4-11 60Co能譜圖Na-24MeV的能譜圖如下： 圖4-12 24Na能譜圖圖4-7到4-12是所選的人工射線能譜圖，根據(jù)測量各個能譜上全能峰上的相對計(jì)數(shù)率，與對應(yīng)的能量，列出下表：表4-2 各個元素能量與對應(yīng)的計(jì)數(shù)率元素能量MeV相對計(jì)數(shù)率Ba-131Ba-131Cs-137Co-60Co-60Na-240004314.2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果根據(jù)表4-1與4-2可分別模擬出人工射線與自然射線的射線能量和閃爍探測器的探測效率之間的數(shù)值模擬圖和擬合關(guān)系式。自然射線能量值和相對計(jì)數(shù)率的模擬圖如下： 圖4-13 自然射線能量值和相對計(jì)數(shù)率的模擬圖那么根據(jù)圖4-13擬合出指數(shù)衰減函數(shù)下面關(guān)系：P=0.02052*exp(-E/0.51684)+0.00263 4-1人工射線能量值和相對計(jì)數(shù)率的模擬圖如下：圖4-14 人工射線能量值和相對計(jì)數(shù)率的模擬圖那么根據(jù)圖4-14擬合出指數(shù)衰減函數(shù)下面關(guān)系：P=0.0233*exp+0.00364 (4-2)式4-1和式4-2中:P-探測效率E-能量