能譜的蒙特卡羅模擬(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上137Cs能譜的蒙特卡羅模擬 李夢楠 物理科學與技術(shù)學院 2010級核工程與核技術(shù)專業(yè)摘要：利用MCNP5程序模擬了多種情況下137Cs的能譜，并利用所學知識分析能譜特點及成因。關(guān)鍵詞：137Cs MCNP5 射線與物質(zhì)相互作用 1. 實驗測定的137Cs能譜1.1 137Cs能譜及特點137Cs是實驗室常用的放射源，半衰期約30.17年，衰變產(chǎn)物為137mBa，衰變產(chǎn)生0.662Mev的射線。圖1: 137Cs的衰變綱圖137Cs的能譜（采用NaI探測器）如圖2所示，由于137Cs衰變產(chǎn)生的射線能量低于電子對效應發(fā)生的能量下限，因此射線與物質(zhì)的相互作用方式主要有光電

2、效應和康普頓散射。這些相互作用反映在能譜上為0.662Mev的全能峰和能量從00.481Mev的康普頓坪。考慮到實際探測過程中，射線與閃爍體周圍的物質(zhì)包括放射源襯底材料及屏蔽材料等發(fā)生康普頓效應時，反散射光子返回閃爍體，通過光電效應被記錄下來，同時根據(jù)入射光子和反散射光子能量的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)當入射光子能量變化很大時，反散射光子能量變化不大，總是在200Kev左右，因此能譜上大約0.2Mev的位置會出現(xiàn)反散射峰。除此之外，由于衰變產(chǎn)物137Ba的K層特征X射線的貢獻，在能譜的低能端會出現(xiàn)32Kev的X射線峰。圖2：137Cs的能譜圖2. 137Cs的蒙特卡羅模擬2.1蒙特卡羅模擬的思想方法中子和

3、光子在物質(zhì)中輸運的宏觀表現(xiàn)是大量粒子與原子核微觀作用的平均結(jié)果，蒙特卡羅方法通過逐一模擬和記錄單個粒子的歷程來求解輸運問題。要得到比較合理的平均結(jié)果需要跟蹤大量的粒子，至于單個粒子在其生命中的某一階段如何度過，可以在已知統(tǒng)計分布規(guī)律的前提下通過抽取隨機數(shù)來決定。2.2MCNP5的輸入文件2.2.1 探測器部分本程序采用3*3Inch的NaI探頭，外層采用0.7cm的鋁膜包裹，后端為光電倍增管部分，利用塑料近似光電倍增管的結(jié)構(gòu)材料，最外層為3cm的鉛板屏蔽。探測器的幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3：NaI探測器的幾何結(jié)構(gòu)2.2.2 放射源137Cs部分放射源采用點源，能量為0.Mev2.2.3 其他 采

4、用光子-電子聯(lián)合運輸方式； 能譜采用500道，最高能量1.2Mev； 模擬運算107次； 能譜展寬系數(shù)為a=0.01688, b=0.06165, c=0.34599。2.3蒙特卡羅模擬的能譜2.3.1能譜與吸收片厚度的關(guān)系在上述探測器條件下，設(shè)置點源距離探測器5.5cm，改變吸收鋁片的厚度分別為1cm，2.5cm，5cm，觀察能譜的變化。模擬結(jié)果如下圖：圖4：137Cs能譜與吸收片厚度的關(guān)系a. 隨著吸收片厚度的增加，能譜計數(shù)率下降，峰位保持不變，與實驗上的結(jié)果一致；b. 就1cm鋁吸收片的能譜而言，全能峰和康普頓坪非常清晰，低能端與實驗測量結(jié)果略有出入，可能是由于低能端的X射線峰能量較低,

5、只有32Kev，與程序中NaI的單一粒子能量截斷相近，在模型較為簡單，模擬次數(shù)較少的情況下，難以得到理想結(jié)果。c. 就1cm鋁吸收片的能譜而言，反散射峰比較平坦，峰位并不突出，但可以觀察到反散射峰的中心位置仍在200Kev左右，與實驗上的結(jié)果相符。峰位不突出可能與能量展寬系數(shù)設(shè)置有關(guān)。d. 5cm鋁吸收片的能譜與1cm，2.5cm時的能譜相比，康普頓坪較為平坦，峰康比明顯減小，可能是由于吸收片厚度增加同時立體角變小而導致計數(shù)率較少的緣故，在后續(xù)模擬中我們將繼續(xù)討論這一問題。2.3.2能譜與放射源位置的關(guān)系在上述探測器條件下，采用1cm厚的鋁吸收片，改變放射源與吸收片之間的距離分別為0.5cm，

6、2cm，8cm，觀察能譜的變化，模擬結(jié)果如下：圖5：137Cs能譜與點源位置的關(guān)系a. 隨著點源與吸收片距離的增加，能譜計數(shù)率下降，峰位保持不變，與實驗上的結(jié)果一致，原因是當距離增大時，點源對探測器所張的立體角變小，探測器能夠接收的粒子數(shù)目減少，因此計數(shù)率下降；b. 當點源距離為2cm和8cm時，基本看不到突出的反散射峰。原因是點源距離越遠，對于探測器所張的立體角越小，與探測器周圍材料發(fā)生康普頓散射的機會也較小，康普頓散射產(chǎn)生的散射光子通過光電效應再次被NaI吸收的概率也相應的減小了，因此反散射峰不明顯。2.3.3能譜與吸收片種類的關(guān)系在上述探測器條件下，保持點源位置不變，吸收片厚度不變，改變

7、吸收片的種類，觀察能譜的變化，模擬結(jié)果如下：圖6：137Cs能譜與吸收片種類的關(guān)系a 吸收片Al的全能峰遠遠高于Zn和Fe，原因是射線的光電吸收截面與Z5成正比，30Zn和26Fe都遠大于13Al，因此對射線的吸收Zn和Fe也遠大于Al，也就造成被探測器記錄到的粒子數(shù)Al遠大于Fe和Zn。b Zn和Fe的康普頓坪高于Al，原因是在能量較低的情況下，射線的康普頓散射截面與Z成正比，Zn和Fe的原子序數(shù)較大，因此在探測器中與NaI作用概率較大，計數(shù)較多。c Zn和Fe的反散射峰高于Al,原因是反散射峰疊加在康普頓坪上，因此相應的Zn和Fe的反散射峰要高于Al，從截面的角度分析，Zn和Fe的原子序數(shù)

8、較大，不僅與NaI康普頓散射作用截面大，與周圍材料的康普頓散射截面也大，產(chǎn)生的散射光子相應多，于是重新進入探測器被記錄到的概率也相對大，因此計數(shù)率較多。3. 存在的問題與分析a. 采用點源近似放射源與實驗所使用的放射源存在差別，如果利用環(huán)形放射源，與實際情況更相符。b. 在時間允許的情況下，增加模擬運算的次數(shù)可以使得能譜更接近實際情況。c. 能譜低能端的模擬不是很理想，考慮增加運算次數(shù)和減小粒子的截斷能量來改善能譜形狀。d. 在分析過程中采用的數(shù)據(jù)較少，每一部分只有三組數(shù)據(jù)，進一步考慮增加模擬的組數(shù)。4. 附錄：MCNP5輸入文件3*3 inch NAI(Tl)-point source1 1

9、 -13.6 (1 -2 -19):(2 -9 18 -19):(9 -13 17 -20):(13 -14 -20) $PB2 2 -3.67 5 -6 -15 $NaI3 3 -2.7 (3 -4 -17):(4 -11 16 -17):(11 -12 -17) $Al4 0 (2 -21 -18):(21 -9 17 -18):(4 -5 -16):(5 -11 15 -16): (12 -13 -17):(1 -9 19 -20)$air5 4 -1.18 6 -11 -15 $plastic6 0 -1:14:207 3 -2.7 (-3 21 -17) $Al 1 PY 02 PY

10、 3 $ 3cm Pb3 PY 19.5 $ 15.5cm air 4 PY 20.2 $ 0.7cm Al 5 PY 20.9 $ 0.7 cm Air 6 PY 28.52 $ 7.62cm NaI7 PY 29.52 $ 1cm light trans8 PY 39.52 $ 10cm 9 PY 40.2 $10 PY 40.411 PY 52.712 PY 52.913 PY 59.914 PY 64.915 CY 3.8116 CY 4.7 17 CY 5.018 CY 9.019 CY 14.020 CY 15.021 PY 14.5 $ 5cm AlMODE P EIMP:P 1 1 1 1 1 0 1M1 82000 1 $PB -13.6 M2 11000 1 53000 1 $NAI -3.67M3 13027 1 $Al -2.7M4 1