核工程與核技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-幾種不同規(guī)格HPGe探測器探測性能MCNP模擬

畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕題目：幾種不同規(guī)格HPGe探測器探測性能MCNP模擬英文題：SeveraldifferentspecificationsHPGesimulationdetectorperformanceMCNP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高純鍺〔HPGe〕探測器是近幾年來迅速開展的一種新型半導(dǎo)體探測器。這種探測器克服了Ge〔Li〕探測器存在的生產(chǎn)周期長、需在低溫下保存等缺點(diǎn)。它的出現(xiàn)使得復(fù)雜核素的能譜定量分析成為現(xiàn)實(shí)。大大推動了核能譜學(xué)的開展。通過保持晶體的長度改變探測器晶體半徑的大小，用光子和電子耦合輸運(yùn)MCNP程序的電子脈沖計(jì)數(shù)類型的能量展寬模擬計(jì)算HPGe探測器的γ能譜。MCNP程序提供能峰高斯展寬的模擬方法也可以用于計(jì)算HPGe晶體對γ射線的探測效率等方面研究，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性提供依據(jù)。并通過MCNP計(jì)算，能量分辨率、峰康比、峰總比，與參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，顯示了MCNP用于模擬可行性。論文通過MCNP的模擬，比擬不同規(guī)格的HPGe探測器γ射線探測性能，比與參考文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明MCNP模擬得到的數(shù)據(jù)時(shí)可靠的，而且MCNP程序完全可以代替實(shí)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：高純鍺探測器、蒙特卡羅模擬、探測性能AbstractHPGeisahighrapiddevelopmentsemiconductordetectorinlastfewyears.ItovercomestheGEdetectors(LI)detectorlongproductioncycletimeandlowtemperaturesstorage,andsoondisadvantage.Itleadscomplexquantitativeanalysisofgammaspectrumradioisotopetorealization.Immenselyhelpthedevelopmentofnuclearannihilation.MCNPprogramprovidesenergypeakbroadeningGaussiansimulationmethodwhichcanalsobeusedtocalculatetheHPGeandtostudythecrystalonefficiencyofγ-raydetectionthusprovideevidenceonthereliabilityandaccuracyoftheexperimentalresults.CalculatedbyMCNPofenergyresolution,peakhealthandthanthepeak,andingoodagreementwiththeexperimentalresultsofreferences,whichshowingthefeasibilityofMCNPtosimulationByMCNPsimulationandcomparisonoftheγ-rayfunctionsofdifferentspecificationsoftheHPGedetectordetection,thispapershowsthereliablabilityofthesimulationdata.What’smore,theMCNPprogramcanCompletelyreplacetheexperiment.Keywords：HPGedetector、MonteCarlosimulation、Detectionperformance目錄緒論 11HPGe探測器的介紹 4高純鍺探測器工作的根本原理 4高純鍺探測器的結(jié)構(gòu) 41.3高純鍺探測器的性能 71.3.1能量分辨率 71.3.2探測效率 8峰康比 82蒙特卡羅方法 92.1蒙特卡羅方法簡介 92.2MCNP根底 92.3MCNP誤差的估計(jì) 102.4MCNP程序運(yùn)行的結(jié)構(gòu) 112.5MCNP應(yīng)用 123實(shí)驗(yàn)?zāi)M 143.1建立蒙特卡羅模型 143.2輸入文件 153.3模擬不同規(guī)格的高純鍺探測器的計(jì)算 164數(shù)據(jù)分析 204.1處理數(shù)據(jù) 204.1.1能量分比率 204.1.2探測效率 214.1.3峰康比 225結(jié)論 24致謝 25參考文獻(xiàn) 26附錄 27緒論半導(dǎo)體探測器已經(jīng)歷了半個多世紀(jì)的不斷開展，探測器種類不斷豐富，性能不斷提高。它的工作原理與之前研究的氣體探測器和閃爍探測器的根本一樣，只是探測介質(zhì)有所不同，半導(dǎo)體探測器的探測介質(zhì)是半導(dǎo)體材料。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)電離輻射在半導(dǎo)體介質(zhì)中產(chǎn)生一對電子、空穴對平均所需能量大約為在空氣中產(chǎn)生一對離子對所需能量的十分之一，即同樣能量的帶電粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的離子對數(shù)要比在空氣中產(chǎn)生的約多一個數(shù)量級，因而電荷數(shù)的相對漲落也要小得多，所以半導(dǎo)體探測器的能量分辨率很高。(2)帶電粒子在半導(dǎo)體中形成的電離密度要比在一個大氣壓的氣體中形成的高，大約為三個量級，所以當(dāng)測量高能電子或者γ射線時(shí)半導(dǎo)體探測器的尺寸要比氣體探測器小得多，因而可以制成高空間分辨和快時(shí)間響應(yīng)的探測器。(3)測量電離輻射的能量時(shí)，線性范圍比擬寬。高純鍺〔HPGe〕探測器是近些年來迅速開展的一種新型半導(dǎo)體探測器。這種探測器克服了Ge〔Li〕探測器存在的生產(chǎn)周期長、需在低溫下保存等缺點(diǎn)。它的出現(xiàn)使得復(fù)雜核素的能譜定量分析成為現(xiàn)實(shí)，大大推動了核能譜學(xué)的開展。目前高純鍺探測器的基體按其材料的性質(zhì)，即剩余雜質(zhì)是受主還是施主，可分為P型鍺和N型鍺。凈雜質(zhì)濃度均可到達(dá)1010/cm3-5×1010/cm3。按晶體的幾何形狀可分為同軸型、平面型、井型等幾種。其中以同軸型應(yīng)用最廣。P型和N型同軸探測器在生產(chǎn)時(shí)都將整流結(jié)做在外外表，使耗盡層向內(nèi)。平面型高純鍺的靈敏區(qū)的厚度一般在5mm和。主要用于測量中、高能的帶電粒子(能量低于220Mev的粒子，低于60Mev的質(zhì)子和能量低于10MeV的電子)和能量在300keV至600keV的X射線和低能γ射線。平面型HPGe深測器用于測量γ射線時(shí)，靈敏區(qū)的厚度往往就不夠了。由于鍺晶體在軸向可以作得相當(dāng)長，因此，如果作成同軸型的那么靈敏體積就可以大為提高。目前商品生產(chǎn)的HPGe探測器靈敏體積大的可達(dá)400cm3，可以滿足能量低于10Mev的γ能譜測量的需要。同軸型HPGe探測器有兩種根本的幾何結(jié)構(gòu)：(1)雙端同軸，見圖(a)即中心孔貫穿整個圓柱體。(2)單端同軸，見圖(b)即中心孔只占圓柱體軸長的一局部。大局部商品生產(chǎn)的HPGe探測器均為單端。因?yàn)檫@樣可以防止為解決前外表漏電需要作的復(fù)雜處理，此外當(dāng)測量能量較低的γ射線時(shí)，如果前外表是一個薄的電接觸層就可以得到一個薄的入射窗。圖1同軸型HPGe幾何結(jié)構(gòu)示意圖但這時(shí)電場不再是完全徑向的，在一些角落里電場較低，影響裁流子的收集。為克服此問題一方面使中心孔的封閉端盡量靠近前外表，另一方面盡量減小前外表的棱角，作得圓滑一些。通常同軸HPGe探測器是用P型Ge制成。又稱常規(guī)電極型同軸鍺探測器。它也可用N型Ge制成，又稱為倒置電極型同軸鍺探測器。對同軸型探測器整流接觸(或電極)(即從那里開始形成半導(dǎo)體結(jié))原那么上可以在圓柱體的內(nèi)外表也可以在外外表。但它們形成的電場條件卻大不相同。如果整流接觸在外外表，那么耗盡區(qū)隨著外加電壓的增加從外向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)耗盡電壓時(shí)，正好擴(kuò)展到內(nèi)外表。如果內(nèi)外表是整流接觸，那末，耗盡區(qū)隨外加偏壓的增加從里向外擴(kuò)展，直至外外表。從下節(jié)的討論可知，距整流接觸越近，電場越強(qiáng)。所以總是選外外表為整流接觸，因?yàn)檫@樣會使電場較強(qiáng)的區(qū)域所占的體積較大，有利于載流子的收集。即對P型HPGe，外外表為n+接觸，而對N型HPGe，外外表為p+接觸。內(nèi)外表為類型相反的非注入接觸.外加電壓均為反向電壓，即n+邊極性為正，p+邊極性為負(fù)。也就是對常規(guī)電極(P型)HPGe探測器外面加正電壓里面加負(fù)電壓，如圖(a)所示。對倒置電極(N型)HPGe探測器正好相反，外而加負(fù)電壓，里面加正電壓，如圖(b)所示。[1]圖2P型HPGe〔a〕和N型HPGe〔b〕加電壓的方法1HPGe探測器的介紹1.1高純鍺探測器工作的根本原理一般地說，任何一種γ輻射探測器，都是基于γ射線與探測器靈敏體積內(nèi)介質(zhì)的相互作用，即通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)(要求Er>1.02Mev)等三種作用機(jī)制而損失能量，這些能量被用來在鍺晶體中產(chǎn)生空穴一電子對，在外加反向偏壓所形成的電場作用下，空穴一電子對作定向運(yùn)動，使得所產(chǎn)生的電荷得到收集，形成探測器輸出端的根本的電信號，以供后面的電子學(xué)線路記錄、處理與分析。高純鍺探測器可以看成一個在反向偏壓下工作的巨大晶體二級管。由單個事件所產(chǎn)生的信號脈沖與其外接電路(通常為前置放大器)的輸入端特性有關(guān)。[2]如下等效電路所示：HPGe探測器等效電路圖圖中c為探測器電容，它與電纜分布電容及前置放大器輸入端特效電容相連接。R為前放輸入阻抗，負(fù)載電阻R兩端的脈沖信號V(t)的上升前沿取決于探測器的電荷收集時(shí)間t，對同軸型高純鍺探測器。在液氮溫度下為r×108秒量級。r為晶體外徑。脈沖信號后沿取決于外電路的RC常數(shù)。一般RC遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于tc。[8]1.2高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)高純鍺探測器具有能量分辨率高、線性范圍寬、探測效率高、性能穩(wěn)定、能在室溫存放等優(yōu)點(diǎn)。早期的鍺探測器是甩雜質(zhì)濃度1018—1013cm-3的p型鍺，通過鏗離子漂移技術(shù)獲得補(bǔ)償高阻來實(shí)現(xiàn)的。1971年Hall和Hansen首次研制出凈雜質(zhì)濃度≤1010cm-3目前高純鍺探測器所到達(dá)的指標(biāo)是：對60γ,相對探測效率45％；對55Fe5.9keVX射線分辨率小于150eV,γ射線能量范圍2keV一10MeV。主要用于高分辨率的X、γ能譜儀,探測高能粒子等。探測器的幾何形狀示意圖圖1.2所示常用探測器管芯結(jié)構(gòu)。高分辨率X和γ射線用的探測器，靈敏體積較小，可制成平面型。高探測效率的γ探測器要求靈敏體積盡量大，制成同軸型。高純鍺探測的有以下型號：〔1〕平面型探測器鍺片的全部面積為靈敏面積。鍺片的邊緣可不經(jīng)修整保持原始晶體外形,以便充分利用其有效體積厚度根據(jù)探測器的用途,材料的雜質(zhì)濃度和器件制備工藝所能到達(dá)的水平來確定。有些探測器為提高工作電壓,改善電場分布,減少漏電流,降低噪聲,制成圖b，c所示的槽溝型或頂帽型結(jié)構(gòu)。一般平面型探測器管芯的制備工藝步驟如下：〔1〕切割。垂直于晶錠軸向按所需厚度切片?！?〕研磨。用M28，M14金剛砂先后研磨兩面,磨后充分沖洗,要求外表無道痕,邊緣無缺口,無崩裂縫?！?〕制n+接觸,在真空系統(tǒng)中進(jìn)行鏗的蒸發(fā)和擴(kuò)散工藝,蒸發(fā)時(shí)防止鈕擴(kuò)延到晶體的邊緣,擴(kuò)散溫度300℃左右,時(shí)間5—10min,慢速冷卻。擴(kuò)散后薄層電阻約1—10Ω,擴(kuò)散層厚度30—500μm?！?〕拋光腐蝕將銼擴(kuò)散面用黑臘或抗蝕膠帶保護(hù)好，在HNO3：HF：發(fā)煙HNO3=7:2:1中腐蝕約2min，直到光亮外表?！?〕制p+接觸。在新腐蝕好的外表上有三種制作p+的方法：①硼離子注入法注入約。注入約1×1014cm-2的硼離子，束流控制在1mA／m2約100nm厚的把金屬層。③蒸金法。沉積上厚約80—100nm的金層。(6)邊緣腐蝕。先將n+和p+兩個電極保護(hù)好,隨后用HNO3:HF:發(fā)煙HNO3=7:2:1的腐蝕液中腐蝕1—2min,甲醇碎滅,氮?dú)獯蹈?制成的管芯隨即封入致冷裝置中?！?〕n、p型同軸探測器同軸高純鍺探測器一般為閉端結(jié)構(gòu),,p型探測器的外接觸是較厚的〔＞300μm〕鋰擴(kuò)散n+接觸,而薄的p+接觸是在孔內(nèi),因此,p型同軸高純鍺探測器僅適用于40kwV以上的γ射線。n型同軸探測器的電極排列正好與p型的相反,μm﹚p+接觸,而孔內(nèi)為厚的n+接觸,因此具有上述三個優(yōu)點(diǎn)。圖n型〔a〕和p型〔b〕同軸高純鍺探測器的結(jié)構(gòu)〔3〕井型探測器鍺晶體體積：180cc；井直徑16mm，井深：40mm；FWHM〔1332KeV〕分辨率：2.3KeV；FWHM〔122KeV〕分辨率：1.4KeV；相對效率：35%；垂直冷指30升杜瓦；冷指延長棒、鉛塞；前放及電源電纜。圖井型實(shí)物圖1.3高純鍺探測器的性能1.3.1能量分辨率探測系統(tǒng)的能量分辨本領(lǐng)主要和以下因素有關(guān)：〔1〕產(chǎn)生載流子對數(shù)目和能量損失的統(tǒng)計(jì)漲落，即探側(cè)器的固有分辨率?！?〕載流子的復(fù)合和俘獲?！?〕探測器和電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲〔4〕其他：如入射粒子的類型和能量，探測器和源的幾何排行，探測器的工作條件〔如偏壓、溫度、環(huán)境、光照等〕以及脈沖的成形參數(shù)等都與能量分辨有關(guān)。只要認(rèn)真選取原材料、不斷改良器件工藝,可使總的分辨率主要取決于探測器的固有分辨率和電子學(xué)噪聲。典型鍺探測器的分辨率為：〔55Fe的X射線為156eV；〔2〕大平面鍺對122keV57Co為600eV60Co為1.8keV。60——?，F(xiàn)代由高純鍺探測器組成的γ譜儀在不同能量下的分辨本領(lǐng)如圖:圖同軸鍺探測器的能量分辨率隨γ射線能量的響應(yīng)[18]1探測效率高純鍺探測器的探測效率與射線能量、探測器靈體積、幾何形狀和制備方法、源與探測器的距離以及探測器的裝配細(xì)節(jié)等有關(guān)。圖給出了絕對效率隨射線能量的關(guān)系曲線。鍺探測器適用于分析較低能量的光子。一般來說,體積越大,探測效率越高。但即使同樣靈敏體積的探測器,由于外徑、高度和內(nèi)芯直徑的不同,探測效率也不等。因此,有必要對每個具體探測器的效率通過實(shí)驗(yàn)來標(biāo)定?，F(xiàn)有的高純鍺同軸探測器的相對探測效率已達(dá)45％。[19]圖圖典型高純鍺探測器的絕對效率隨γ射線能量的關(guān)系峰康比峰康比是指峰中心道最大計(jì)數(shù)與康普頓坪內(nèi)平均計(jì)數(shù)之比。在分析復(fù)雜γ能譜時(shí),要求探測器的峰康比高、譜峰對稱性好。按標(biāo)準(zhǔn),峰康比是指對60—1.096MeV康普頓平坦均值之比。康普頓平坦均值之比擬好的鍺探測器在效率為10％時(shí)，峰康比為35—45，效率為30％時(shí)，峰康比為50—60.為提頂峰康比，除了增大探測器的靈敏體積外，還應(yīng)使它具有最正確的幾何形狀，要求同軸探測器的長度大約等于其直徑。此外探測器的能量分辨率越好，峰康比越高。2蒙特卡羅方法2.1蒙特卡羅方法簡介蒙特卡羅方法(MonteCarlo方法)，又稱隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法。自二十世紀(jì)四十年代中期到現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的開展與電子計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造，蒙特卡羅方法作為一種獨(dú)立的方法被提出來，并得到了長足的開展[10]。首先在核武器的研制中首先得到了應(yīng)用，并逐步延伸到其它領(lǐng)域。蒙特卡羅方法現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域、成為科研工作者研究與征服自然的一把利劍。蒙特卡羅方法是以一個概率模型為根底，按照這個模型所描繪的過程，通過局部模擬試驗(yàn)的結(jié)果，作為問題的近似解。對于本身就具有隨機(jī)性質(zhì)的問題〔如我們關(guān)心的粒子輸運(yùn)問題〕，主要是正確地描述和模擬這個概率過程[13]。在計(jì)算機(jī)上，蒙特卡羅方法解粒子輸運(yùn)問題的程序，一般都可分為：源抽樣、空間輸運(yùn)過程、碰撞過程、記錄過程和結(jié)果的處理和輸出等局部，還有一個MCNP計(jì)算程序流程圖。至于粒子歷史終止條件，根據(jù)問題的幾何條件、物理假定，處理方法，可歸納為以下幾種：1〕粒子從系統(tǒng)逃脫；2〕粒子經(jīng)碰撞被吸收；3〕經(jīng)俄國輪盤賭后，歷史被終止；4〕粒子能量低于給定能量〔閾能〕；5〕粒子位置越過某一界面；6〕粒子飛行時(shí)間超過給定時(shí)間；7〕粒子權(quán)重小于某個小量。2.2MCNP根底MCNP(AGeneralMonteCarloCodeforNeutronandParticleTransport)是一套在軍事、工業(yè)以及科研領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)程序，它是用MonteCarlo方法處理連續(xù)能量的中子、光子-電子的聯(lián)合輸運(yùn)問題。在進(jìn)入MCNP之前，首先討論下面的兩個問題：〔1〕隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生粒子的產(chǎn)生、運(yùn)動的方向、和其它粒子的碰撞以及碰撞后生的反響都是隨機(jī)的過程，MCNP是用偽隨機(jī)數(shù)的方法來模擬上述過程。所謂偽隨機(jī)數(shù)是指用數(shù)學(xué)遞推公式所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，這種方法屬于半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，只能近似地具備隨機(jī)數(shù)的性質(zhì)?！?〕粒子權(quán)重和粒子徑跡為了計(jì)算方便，MCNP為每個粒子賦一個值W〔不一定是整數(shù)〕，代表W個具有相同行為的粒子，W稱為這一粒子的權(quán)重。一個由源發(fā)出的粒子，有一個軌跡。如果它在劈裂面一分為二，那么又產(chǎn)生了一個軌跡。在一個給定的柵元(Cell)中，沿著粒子軌跡1，在l和l+dl中發(fā)生第一次碰撞的“可能性〞為：〔〕〔〕2.3MCNP誤差的估計(jì)MonteCarlo方法的結(jié)果代表被取樣的許多歷史過程奉獻(xiàn)的平均值，假定P(x)是選擇一個隨機(jī)步的幾率密度函數(shù)，x是這個隨機(jī)步產(chǎn)生的被估計(jì)的記錄值，其平均值記為：.近似期望值可以通過MonteCarlo方法得到：，是粒子數(shù)目，是從中第i個歷史的值。由加強(qiáng)大數(shù)定理：，x的方差是離散度的量度，定義為：，稱為標(biāo)準(zhǔn)方差稱為標(biāo)準(zhǔn)方差，MonteCarlo方法可以估計(jì)這個值，記為S：∽，是實(shí)際取樣值總體的估計(jì)差，x的估計(jì)值由下式給出：，此公式不受任何x和分布的限制，但是求E〔x〕、存在且有限。由于與成正比，減小一個數(shù)量級必須計(jì)算100倍原來的粒子數(shù)目。也可以固定N通過S減小而減小，即通過方差減小技巧來實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的MCNP結(jié)果以下式來估計(jì)相對誤差：MCNP建議R＜5%的結(jié)果才是可靠的。2.4MCNP程序運(yùn)行的結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)上，蒙特卡羅方法解粒子輸運(yùn)問題的程序，一般都可分為：源抽樣、空間輸運(yùn)過程、碰撞過程、記錄過程和結(jié)果的處理和輸出等局部，一個MCNP計(jì)算程序流程圖示于圖。至于粒子歷史終止條件，根據(jù)問題的幾何條件、物理假定，處理方法，可歸納為以下幾種:1〕粒子從系統(tǒng)逃脫；2〕粒子經(jīng)碰撞被吸收；3〕經(jīng)俄國輪盤賭后，歷史被終止；4〕粒子能量低于給定能量〔閾能〕；5〕粒子位置越過某一界面；6〕粒子飛行時(shí)間超過給定時(shí)間；7〕粒子權(quán)重小于某個小量。圖2.5程序運(yùn)行結(jié)構(gòu)2.5MCNP應(yīng)用由于MCNP的通用性、靈活性以及強(qiáng)大的功能，使其在世界上有廣泛的應(yīng)用，僅國內(nèi)的用戶就在百家之上，應(yīng)用領(lǐng)域也從過去主要的核領(lǐng)域，逐漸推廣到石油，醫(yī)學(xué)在內(nèi)的許多領(lǐng)域。從20世紀(jì)90年代開始，國外已經(jīng)有研究人員開始研究MCNP輸入文件制作的簡化和計(jì)算結(jié)果的圖形顯示。特別是隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的開展，在近幾年取得了一些有價(jià)值的研究成果。所開發(fā)的MCNP可視化軟件能夠?qū)?yīng)用場景的二維DXF格式文件和三維SAT格式的圖形文件轉(zhuǎn)換成MCNP的輸入文件。同時(shí)在場景的某些界面將MCNP的計(jì)算結(jié)果繪制成二維圖形，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)結(jié)果的可視化。為便于計(jì)算結(jié)果的分析、存儲和共享，有的后處理軟件能夠?qū)CNP計(jì)算機(jī)結(jié)果輸出到電子表格等數(shù)據(jù)庫中。近幾年，國內(nèi)在MCNP前處理與后處理技術(shù)領(lǐng)域的研究也取得了長足的進(jìn)步，主要有以下幾個方面：〔1〕在MCNP的計(jì)算效率、局限性和二維交互繪圖等方面進(jìn)行了有益的探索?！?〕為了簡化MCNP輸入文件的制作、顯示MCNP的計(jì)算進(jìn)程和計(jì)算的抽取與顯示，研究開發(fā)了專用的MCNP程序可視化運(yùn)行平臺，并能以圖形化的方式顯示MCNP的計(jì)算機(jī)和運(yùn)行時(shí)間的相關(guān)信息?！?〕為了簡化MCNP的幾何建模，提高M(jìn)CNP計(jì)算機(jī)輸入文件的編寫效率，研究將有關(guān)CAD文件中的幾何模型轉(zhuǎn)化為MCNP仿真模型的算法問題，通過對目前商用圖形軟件包進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)出專用的MCNP輔助建模工具。另外，可視化技術(shù)已經(jīng)在自然科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前在規(guī)那么數(shù)據(jù)場的體繪制和面繪制算法等已經(jīng)趨于成熟。國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)相繼推出了一系列可視化軟件工具及專用可視化軟件。但在三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動態(tài)顯示、非規(guī)那么數(shù)據(jù)場和矢量場的可視化計(jì)算以及基于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)計(jì)算可視化理論等方面有待進(jìn)一步的研究完善。MCNP是目前世界上比擬成熟的MC軟件包之一，在許多領(lǐng)域得到了廣泛。本課題便是采用MCNP4C對電離室的能量響應(yīng)進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際的電離室設(shè)計(jì)。隨著核科學(xué)技術(shù)的開展，以及其它相應(yīng)技術(shù)如計(jì)算機(jī)可視化的開展，MCNP會越來越受到重視，其應(yīng)用領(lǐng)域也必將在目前的根底上向其它的相關(guān)領(lǐng)域擴(kuò)展。3實(shí)驗(yàn)?zāi)M3.1建立蒙特卡羅模型利用MCNP程序?qū)崿F(xiàn)模擬標(biāo)準(zhǔn)γ射線源輻照HPGe探測器的過程如下：1、建立γ射線照射高純鍺探測器的幾何模型，對源、探頭的位置等信息進(jìn)行了幾何描述。2、建立物理模型，包括填充于探頭中的各種物質(zhì)的組成和密度等,γ射線源的發(fā)射位置和能量分布，模擬結(jié)果記錄的空間位置,物理內(nèi)容等。3、將上述模型轉(zhuǎn)化為MCNP程序。4、試模擬粒子輸運(yùn)過程，通過使用和調(diào)整減小方差的技巧，盡量使得在一定時(shí)間內(nèi)，減小計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差。5、從計(jì)算結(jié)果中提取有用的信息，即對計(jì)算結(jié)果后續(xù)處理。根據(jù)上述步驟，下面建立模擬模型。[14]下列圖是高純鍺探測器的幾何結(jié)構(gòu)圖：圖HPGe探測器的結(jié)構(gòu)圖根據(jù)HPGe探測器的幾何結(jié)構(gòu)圖，可以建立坐標(biāo)圖，如下圖。其中鍺晶體的尺寸如表所示。Z軸經(jīng)過探測器的軸心，原點(diǎn)在探測器最外層Al殼的中心位置，原點(diǎn)距離點(diǎn)源距離10cm，整個系統(tǒng)由一個半徑為150cm的圓球包圍，球內(nèi)除了源和探測器外，其余由空氣充填，空氣密度為-3，球體外為真空。圖坐標(biāo)圖輸入文件針對上圖的幾何模型用蒙特卡羅光子和電子耦合輸運(yùn)程序?qū)PGe探測器探測效率測量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，在計(jì)算中對光子和電子的所有次級過程都進(jìn)行模擬跟蹤，采用F8電子脈沖計(jì)數(shù)卡來計(jì)算點(diǎn)源γ射線在HPGe晶體中的脈沖高度能譜分布。根據(jù)上一小節(jié)的高純鍺探測器的幾何結(jié)構(gòu)圖和坐標(biāo)圖，該實(shí)驗(yàn)?zāi)M的出MCNP輸入文件INP，詳細(xì)輸入文件見附錄。設(shè)置好程序參數(shù)，利用MCNP程序進(jìn)行模擬。就會得到單位時(shí)間內(nèi)〔S-1〕每個粒子的脈沖。表3.2探測器結(jié)構(gòu)和尺寸探測器結(jié)構(gòu)尺寸〔cm〕材料Cu的直徑CuGe死層厚度GeAl殼〔內(nèi)〕厚度AlAl殼〔外〕厚度AlAl殼間厚度真空模擬不同規(guī)格的高純鍺探測器因?yàn)檎n題是研究不同規(guī)格的HPGe探測器，所以通過改變探測器的Ge晶體半徑和長度的大小進(jìn)行MCNP模擬，所以一共模擬了三種不一樣的Ge晶體，如下表：表3.3探測器的晶體半徑、體積和長度晶體的厚度r∕cm晶體長度/cm晶體體積V/cm3經(jīng)過MCNP模擬的出來的數(shù)據(jù)，運(yùn)用畫圖工具繪制出能譜圖：圖晶體半徑r=cm，長度為：的能譜圖圖晶體半徑r=，長度為：的能譜圖圖晶體半徑r=cm，長度為：的能譜圖圖晶體半徑r=，長度為：的能譜圖圖晶體半徑r=，長度為：的能譜圖圖晶體半徑r=，長度為：的能譜圖圖晶體半徑r=，長度為：的能譜圖4數(shù)據(jù)分析處理數(shù)據(jù)能量分辯率探測器測量能量為的帶電粒子，設(shè)全能峰的半寬度處得全寬度FWHM=,所以求能量分辨率的公式為:〔〕通過MCNP模擬出來的數(shù)據(jù)，運(yùn)用公式進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如下表：表探測器的半徑、能量分辨率晶體半徑r/cm晶體長度/cm能量分辨率根據(jù)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，得出晶體半徑與能量分辨率的關(guān)系圖和晶體長度與能量分辨率的關(guān)系圖。圖.2晶體半徑r與能量分辨率的關(guān)系圖.2晶體長度與能量分辨率的關(guān)系探測效率通過計(jì)算的到不同晶體大小的探測效率如下表：表探測器的晶體半徑和探測效率晶體半徑r/cm晶體長度/cm探測效率0.2762根據(jù)表。圖.1晶體半徑與探測效率的圖.2晶體長度與探測效率峰康比全能峰內(nèi)每到計(jì)數(shù)的最大值與康普頓坪的平均計(jì)數(shù)之比即：通過計(jì)算得到下表：表探測器的晶體半徑和峰康比晶體半徑r/cm晶體長度/cm峰康比根據(jù)表計(jì)算出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖得到晶體半徑與峰康比和晶體長度與峰康比的關(guān)系圖。圖.1晶體半徑與峰康比的關(guān)系圖.晶體長度與峰康比的關(guān)系5結(jié)論本文通過蒙特卡羅模擬不同規(guī)格的高純鍺探測器，對模擬出來的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得到以下結(jié)論：1〕驗(yàn)證了MCNP程序提供能峰高斯展寬的F8電子脈沖計(jì)數(shù)卡在模擬HPGe探測器的點(diǎn)源γ射線的能譜是完全可行的，顯示了通過能峰展寬的電子脈沖計(jì)數(shù)在能譜模擬方面有很大的優(yōu)越性。2〕通過改變探測器晶體半徑和長度的大小可以模擬出HPGe探測器的γ射線的能譜。3〕通過MCNP模擬HPGe探測器，得出的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的比照，從而證明建立的模擬模型是合理的，MCNP模擬方法是可靠的。4〕論文通過模擬出來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)數(shù)得到不同大小的晶體，探測器的探測性能。5〕通過計(jì)算出來的結(jié)果進(jìn)行比照發(fā)現(xiàn)HPGe探測器的能量分辨率與探測器的晶體的大小存在關(guān)系,分辨性能有所下降，即數(shù)值增大，探測性能變差。6〕通過計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行比照，發(fā)現(xiàn)HPGe探測器的探測效率隨著探測器的晶體大改變而改變，晶體的增加探測效率也增加。7〕通過計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行比照，發(fā)現(xiàn)探測器的峰康比隨著晶體的增大而增大，但到一定程度后，不在改變。8〕本論文的所做的一系列工作，說明MCNP程序完全可以代替實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室沒有我們需要的放射源時(shí)，或者出于其它實(shí)驗(yàn)條件限制或者平安性的考慮，可以用MCNP程序來模擬計(jì)算。存在的問題及進(jìn)一步研究工作建議：1〕程序編寫方面遇到了很多問題，對探測器模型建立方面的能力需要加強(qiáng)。2〕建立模擬后，編寫程序時(shí)，對模型的描述方面的知識掌握太少。3〕在處理數(shù)據(jù)時(shí)，對Excel的運(yùn)用不太熟練。致謝感謝我的指導(dǎo)老師吳永鵬老師在畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)與修改正程中給予了我指導(dǎo)和幫助，并在論文設(shè)計(jì)中教會我電腦軟件的應(yīng)用，讓我在此次作論文時(shí)受益匪淺，還要感謝我們專業(yè)的各位老師和同學(xué)提供的幫助。參考文獻(xiàn)[1]朱傳新，陳淵等高純鍺探測器探測效率研究[J]核電子學(xué)與探測技術(shù),2006,26(2):191-194.[2]吳紹云等，核電子學(xué)與探測技術(shù)，4〔2〕，72〔1984〕。[3]李桃生，張立國等HPGe探測效率對照野性的依賴性[J]核電子學(xué)與探測技術(shù),2007,27〔4〕:624-627.[4]張華麗，曲德成等應(yīng)用蒙特卡羅方法確定NaI探測器的點(diǎn)源效率函數(shù)及其參數(shù)[J]核技術(shù),2007,30〔3〕:231-235.[5]魏濤.HPGe探測器寬能區(qū)精密效率刻度[D].南華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.[6]楊東.航空高純鍺探測器MonteCarlo刻度方法的初步研究[D].北京：中國原子能科學(xué)研究院，2005。[7]γ譜儀的開展及應(yīng)用[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,1989，9〔4〕:285-288.[8]艾爾肯·阿不都里木新型高純鍺(HPGe)探測器的原理、使用及其維護(hù)[J]新疆大學(xué)學(xué)報(bào)1997，14〔2〕，40-43.[9]林旭升能譜探測效率影響的模擬計(jì)算[J]汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕1998，13〔2〕:19-23.[10]張斌全馬吉增等。蒙特卡羅方法計(jì)算用于低能光子測量的高純鍺探測器的效率[J]核電子學(xué)與探測技術(shù)2005，25〔3〕:274