铝蜂窝结构对伽马射线的屏蔽研究

铝蜂窝结构对伽马射线的屏蔽研究铝蜂窝夹层结构具有质量轻，刚性结构好，结构稳定等特点，在国外，铝蜂窝结构广泛的应用于航空航天领域。而国内尚处在摸索阶段。在航天器中探测器往往需要通过统计接收到的射线粒子计数来完成探测，但是在宇宙这个复杂的环境下，宇宙射线往往会影响到探测器的计数，这会导致探测器计数无法正确反映事实，因此对于穿过铝蜂窝夹层的射线需要进行探究，以反馈其对探测器的影响程度，本文是探究航天器中铝蜂窝结构对伽玛射线的屏蔽影响本次模拟实验是继承了邵剑雄教授对于航天器测距研究的方向，补充完善对航天器测距研究的内容。航天器测距是在近月环境下，为了确定航天器离月球表面的距离，在航天器下面会装一个向下发射辐射的放射源，经过月球表面散射回来的射线被航天器下面的探测器接收，因为探测器的计数率与月球的高度会有一个关系曲线，人们可以通过探测器得到的计数来计算航天器与月球的高度，但那时在这里我们会忽略一个很重要的问题，就是在复杂的宇宙的环境下，宇宙射线会对探测器的计数造成干扰，这种干扰是不可避免的，但是我们可以模拟这种干扰对探测器造成的影响，来修正计数率与高度之间的关系，这样就必须仔细讨论伽马射线穿过探测器与外部宇宙环境之间的铝蜂窝夹层结构的结果，而本文所讲述的模拟伽马射线穿过航天器中铝蜂窝结构的目的就是为了探究铝蜂窝夹层结构对伽马射线的屏蔽效果，在模拟过程中，为了减小设计难度，使结果更加直观具体，我将使用单能的放射源来代替宇宙环境下的伽马射线射线与物质的相互作用2.1 射线与物质相互作用的一般特性射线属于电磁辐射的一种，其他类型的电磁辐射辐射还包括轫致辐射、湮没辐射和特征X射线等，它们与物质相互的机制相似，只与射线的能量大小有关。所以在下面的对射线与物质的相互作用讨论中，对其它来源产生的电磁辐射也是适用的。由于光子不带电，不能考虑使用带电粒子的阻止本领dE/dX和射程来描述光子在物质中的行为，带电粒子是通过连续碰撞来损失能量，光子和物质的相互作用却截然不同，结果不是完全消失就是大角度散射射线与物质相互作用的方式有很多种，但总的来说射线最主要的相互作用方式有三种（1） 光电效应（2） 康普顿效应（3） 电子对效应其他的相互作用类型还有相干散射、光致核反应和核共振反应，这些相互作用的发生概率非常小，所以通常是可以忽略不计的。射线发生上述三种效应都是有一定概率的，因此有不同的作用截面，所以就存在光电效应界面ph、康普顿散射截面c、电子对效应截面p按光子能量和原子序数来表示的三种相互作用占优势的区域2.2 光电效应 光子与靶物质的束缚电子发生相互作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之脱离束缚发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称光电效应光电子的能量：式中为入射光子能量，为光电子获得的动能，为原子第i层电子的结合能。2.3 康普顿效应 康普顿效应是入射光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞碰撞过程，在这样的过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使之脱离原子成为反冲电子，而光子的运动方向和能量发生变化。散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系散射光子能量为：康普顿反冲电子能量：由此可以得到散射光子与散射角之间的关系，依此函数可以得到2.4电子对效应 当光子从原子核旁经过时，在原子核的库伦场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应在电子对效应中，光子的能量除一部分(1.02MmV)转化为正负电子对外，剩下的作为电子对的动能，所以有能量关系式：其中和分别为正负电子的动能电子对效应，要用狄拉克的电子理论来解释（参考文献）。实际上因为动量守恒的要求，只有能量大于1.02MeV的光子才有可能引发电子对效应。 蒙特卡洛方法蒙特卡洛(Monte Carlo)方法（即M-C方法），也称为计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法，所以又称随机抽样或统计实验方法，属于计算数学的一个分支。这一方法源于美国在第二次世界大战中研制原子弹的“曼哈顿计划”。该计划的主持人之一、数学家冯诺伊曼用驰名世界的赌城摩纳哥的Monte Carlo来命名这种方法，自从在二战中推出以来，蒙特卡罗模拟一直用于为不同的物理和概念系统建立模型：它并不严格去求解一些物理方程，而是通过模拟单粒子在介质中的随机运动过程，然后将大量粒子的平均结果作为系统结果的近似，给出粒子系统在介质中输运的最后结果。传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程,很难得到满意的结果,而 M-C 方法由于能够比较真实地模拟实际物理过程,故解决问题与实际符合较好,可以得到相对满意的结果。其基本思想很早以前就被人们所发现和利用：17世纪，人们就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”，19世纪人们用投针试验的方法来决定。高速计算机的出现，使得用数学方法在计算机上大量模拟这样的试验成为可能。工作原理和工作过程（两步）蒙特卡罗模拟通过替换值范围（概率分布）为具有内在不确定性的任何因素构建可能结果的模型，从而执行风险分析（即产生各种概率分布的随机变量，这便是蒙特卡洛方法模拟过程的第一步）。然后重复计算结果，每次使用分布函数中的一组不同随机值。根据为随机值指定的不确定因素的数量和范围，蒙特卡罗模拟在完成之前可以进行成千上万次重新计算。蒙特卡罗模拟生成可能结果值的分布。（即用统计方法把模型的数字特征估计出来，从而得到实际问题的数值解，这是蒙特卡洛方法模拟过程的第二步）。随机数的生成蒙特卡罗模拟的关键是生成优良的随机数。在计算机实现中,我们是通过确定性的算法生成随机数,所以这样生成的序列在本质上不是随机的,只是很好的模仿了随机数的性质(如可以通过统计检验)。我们通常称之为伪随机数(pseudo-random numbers)。在模拟中，我们需要产生各种概率分布的随机数，而大多数概率分布的随机数产生均基于均匀分布U(0,1)的随机数。所以总体来说，蒙特卡罗模拟提供了发生任何过程可能产生的一系列可能的结果和概率。它说明了最大可能性，即主要物理过程和相对于其他分立物理过程的结果，以及折衷所有物理过程的可能后果和发生方式。在模拟计算过程中使用的MCNP是基于蒙特卡洛方法。 MCNPMCNP(MonteCarloN2ParticleTransportCode)是由美国Los Alamos国家实验室应用理论物理部(X部)的Monte Carlo小组（X6小组）开发研制的基于蒙特卡罗(M-C)方法的用于计算复杂三维几何结构中的粒子（包括中子、光子、中子-光子耦合以及光子-电子耦合）输运问题的大型多功能软件程序包。除了上述计算应用，它也可用于计算临界系统（包括次临界及超临界）的本征值问题。该软件包通过 FORTRAN 语言编程实现。在使用MCNP模拟程序时主要需要说明四大模块的内容，如下：标题卡 /用以说明本例程的功能栅元卡 /用以说明几何体的形状及材料组成（要求空行分隔）曲面卡 /用以说明构成几何体的面（要求空行分隔）数据卡 /用以说明源的定义和物理作用内容（推荐空行作为结束）与栅元卡对应结合使用的还有材料卡，用以说明材料组成和特性。几何空间单元中的材料由包括同位素在内的多种核素组成, MCNP使用精细的点截面数据,对特定的评价库(ENDF/B2IV,V,VI 库或 ENDL851 库), 考虑了这些库中给出的所有中子反应类型。在截面数据文件中收集了多种评价库的数据。对热中子还配备了相应的截面数据,可按自由气体模型或 S(,) 两种模型处理。它的通用性很强，使用也较容易。对光子考虑了相干和非相干散射,并处理了光电吸收后 可能的荧光发射或电子对产生。为方便用户对几何输入卡的检查，配备了几何绘图程序。MCNP 程序具有很强的几何处理能力,几何系统由几何空间单元(cell)组成,而几何空间单元的界面(surface)由平面、二次曲面及特殊的四次椭圆环曲面组成。MCNP的记数部分是精心设计的，除有标准类型的记数外，也为用户准备了接口，MCNP中汇集了非常丰富的降低方差技巧，对截面数据也进行了广泛的收集。 MCNP-3B完全是按照美国国家标准学会（ANSI）的标准FORTRAN77书写的，以前版本中依附于 Los Alarnos软件及操作系统的内容大都于予以替换。广泛使用可调数组，也免除了很多原有的限制（如栅元及曲面数的限制等）。随着MCNP功能不断增加,版本不断发展更新,其适应范围也越来越广泛。目前商用CAD软件中绘制的计算场景的几何模型已经能够转换为MCNP的仿真模型而且同时在场景的某些界面将MCNP的计算结果绘制成二维图形,实现了计算结果的可视化。为便于计算结果的分析、存储和共享,有的后处理 软件能够将 MCNP计算结果输出到电子表格等数据库中。近几年,国内在MCNP前处理与后处理技术领域的研究也取得了非常卓越的进步。主要表现在以下几个方面: 1.在MCNP的计算效率、几何局限性以及二维交互绘图等方面进行了全面很有帮助的探索。2.为了简化MCNP输入文件的制作、显示MCNP的计算进程和计算数据的抽取与显示,研究开发了专用的MCNP程序可视化运行平台,并能以图形化的方式显示MCNP的计算进程和运行时间的相关信息。 3.为了简化 MCNP的几何建模,提高MCNP计算输入文件的编写效率,已有研究将有关CAD文件中的几何模型转换为MCNP仿真模型的算法问题,通过对目前商用图形软件包进行二次开发,开发出专用的MCNP辅助建模工具。 另外,可视化技术已经在自然科学领域得到了广泛的应用。可见，MCNP已经成为一款非常成熟的中子、光子输运问题的模拟软件，利用该软件可以很好的模拟本实验问题中CsI探测器的部分性能的拟合。要用MCNP程序来处理问题，需要说明四大模块的内容，按照MCNP规定的格式编写一个输入文件，在这个文件中要根据要解决的问题给出发射粒子（即源的形状、位置，粒子的种类、能谱）、穿过的介质（包括化学成分、密度、几何形状）、要探测的计数（探测位置、能量区间）的信息，然后提交给MCNP程序进行处理即可得到结果，然后根据自己的需要从输出文件中选取自己感兴趣的信息。程序说明5.1模拟事件描述 模拟伽马射线以不同角度入射铝蜂窝夹层结构后，伽马射线的穿透概率以及穿透后不同能量的概率分布模型描述：在真空环境下，以一个点源作为放射源，放射源离铝蜂窝中心距离为2.61厘米它将以一个张角为10度的圆锥形发射能量为0.662Mev的伽马粒子，粒子将穿过铝蜂窝夹层结构以下为模拟用的铝蜂窝夹层结构示意图以下是我的模型3Dmax示意图黄色外壳内的空间是有效空间，黄色锥角为放射源以锥角放射伽马射线，银白色为铝板，绿色为铝蜂窝结构，蓝色是是探测器将里面的结构单独放出来的效果5.2程序具体说明与介绍C 1 0 -1 trcl=1 （栅元卡） 2 like 1 but trcl=23 like 1 but trcl=34 like 1 but trcl=45 like 1 but trcl=56 like 1 but trcl=67 like 1 but trcl=78 like 1 but trcl=89 like 1 but trcl=910 like 1 but trcl=1011 like 1 but trcl=1125 like 1 but trcl=2526 like 1 but trcl=2627 like 1 but trcl=2728 like 1 but trcl=2829 like 1 but trcl=2930 like 1 but trcl=3031 like 1 but trcl=3145 like 1 but trcl=4546 like 1 but trcl=4647 like 1 but trcl=4749 like 1 but trcl=4950 like 1 but trcl=5051 like 1 but trcl=5165 like 1 but trcl=6566 like 1 but trcl=6667 like 1 but trcl=6769 like 1 but trcl=6970 like 1 but trcl=7071 like 1 but trcl=7182 like 1 but trcl=8283 like 1 but trcl=8384 like 1 but trcl=8490 1 -1.37 -2 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11& #25 #26 #27 #28 #29 #30 #31 #45 #46& #47 #49 #50 #51 #65 #66 #67 #69 #70& #71 #82 #83 #8493 2 -1.36 2 -395 0 3 -4 #9796 0 497 3 -3.67 -51 rhp 0 -1.02 0 0 2.04 0 0.433 0 0 （曲面卡）2 rpp -3.0431 3.0431 -1.02 1.02 -2.007 2.0073 rpp -3.0431 3.0431 -1.05 1.05 -2.007 2.0074 so 205 rpp -3 3 -1.3 -1.2 -2 2mode p （数据卡）imp:p 1 35r 0 1sdef par=2 pos=0 2.61 0 erg=0.662 vec=0 -1 0 dir=d1 si1 -1 0.9962 1sp1 0 0.9981 0.0019sb1 0 0 1m1 14000 -0.5 26000 -0.5 29000 -4 25000 -0.6 12000 -1.5& 28000 -0.1 30000 -0.3 22000 -0.15 27000 -92.35m2 14000 -0.4 26000 -0.4 29000 -0.1 25000 -0.27& 12000 -2.4 22000 -1.05 27000 -96.28m3 11023 1 53127 1drxstr1 0 0 0tr2 0.869 0 0tr3 1.7381 0 0tr4 2.6071 0 0tr5 0.4345 0 0.7526 tr6 1.3035 0 0.7526tr7 2.1726 0 0.7526tr8 0 0 1.5052 tr9 0.869 0 1.5052tr10 1.7381 0 1.5052tr11 2.6071 0 1.5052tr25 0.4345 0 -0.7526tr26 1.3035 0 -0.7526tr27 2.1726 0 -0.7526tr28 0 0 -1.5052tr29 0.869 0 -1.5052tr30 1.7381 0 -1.5052tr31 2.6071 0 -1.5052tr45 -0.4345 0 0.7526tr46 -1.3035 0 0.7526tr47 -2.1726 0 0.7526tr49 -0.869 0 1.5052tr50 -1.7381 0 1.5052tr51 -2.6071 0 1.5052tr65 -0.4345 0 -0.7526tr66 -1.3035 0 -0.7526tr67 -2.1726 0 -0.7526tr69 -0.869 0 -1.5052tr70 -1.7381 0 -1.5052tr71 -2.6071 0 -1.5052tr82 -0.869 0 0tr83 -1.7381 0 0tr84 -2.6071 0 0f4:p 97e0 0 661i 0.662nps 10000000 下面我们详细的介绍一下上面的输入文件：栅元卡 第一行：C这一行是一个注释性质的语句，里面的内容没有任何实际作用，仅仅是用来简单 的向他人说明这个输入文件要解决的问题 第239行：定义了38个cell（即编号为197）cell是输入文件中的基本单元，它代表实验装置中某一特定的物体， 的定义中包含了该物体的几何性质、物理性质。 现详细介绍各个cell：从234行：定义了33个正六棱柱 1 0 -1 trcl=1第一个1指的是这个cell的编号，第二个0代表的是该cell没有包含物质，第三个1用来定义该cell的几何结构，该cell是由1这个面所围的区域，负号代表所围区域的内部，1在后面的曲面卡中会介绍，trcl指的是该cell的中心坐标，trcl=1则是说该cell的中心坐标等于数据卡中tr1的数据。 2 like 1 but trcl=2第一个2指的是这个cell的编号为2，like 1代表这个cell包含物质，结构与编号为1的cell一致，but trcl=2 但是中心坐标等于数据卡中tr2的数据，这样只需要通过对中心坐标的修改，就可以构成一个阵列式的铝蜂窝结构 90 1 -1.37 -2 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11& #25 #26 #27 #28 #29 #30 #31 #45 #46& #47 #49 #50 #51 #65 #66 #67 #69 #70& #71 #82 #83 #84编号为90的cell，1代表里面包含的物质为m1，-1.37代表该cell中物质的密度为1.37，-2代表这个cell是由曲面卡里面编号为2的面所包裹形成的，#1#84是指这个cell里面是不包含编号为184的cell，即，而符号表示对cell的空间取非操作，1表示cell 1之外的空间。 93 2 -1.36 2 -3编号为93的cell，里面包含m2的物质，密度为1.36,2 -3表示为该cell是在面2的里面，面3的外面。 95 0 3 -4 #97编号为95的cell，里面不包含物质，处于面3的外面和面4的里面，且不包含cell 97。 96 0 4编号为96的cell，面4的外面。 97 3 -3.67 -5此是为探测器定义一个cell 97，里面是充满物质3（碘化钠），密度为3.67，在面5的内部。曲面卡定义了前面定义cell时使用到的面 1 rhp 0 -1.02 0 0 2.04 0 0.433 0 0 1表示该面的标号为1，rhp表示这是一个正六棱柱的面，0 -1.02 0表示底面相应的中心坐标，0 2.04 0表示底面到顶面的矢量，0.433 0 0是指轴到侧面的矢量 2 rpp -3.0431 3.0431 -1.02 1.02 -2.007 2.0072表示该面标号为2，rpp表示这是一个长方体，-3.0431 3.0431表示夹在与X轴垂直相交于-3.0431和3.0431的两个面中间的空间，后面的也是一样的概念，最后六个面构成一个体，即2表示长方体的表面。 3 rpp -3.0431 3.0431 -1.05 1.05 -2.007 2.007意义同上 4 so 204表示该面标号为4，so表示一个球体，其半径为20，定义这个面的目的是为了将整个模拟环境包裹在一个体系里面，使其成为一个独立的体系 5 rpp -3 3 -1.3 -1.2 -2 25表示一个长方体，用于构成探测器的面数据卡 mode pmode选项用来告诉 MCNP程序在即将处理的模型中需要考虑哪些粒子的输运计算，P表示只考虑光子的输运过程。 imp:p 1 35r 0 1imp表示某一cell对某一粒子的重要性，后面的每个参数和前面定义的cell按顺序对应，如果其值为0就表示该种粒子在进入对应的cell中的时候会消失，如果大于0而且对应的cell中含有材料则会发生反应，此次模拟表示会发生反应的cell均用1来表示光子对此cell的重要性。 sdef par=2 pos=0 2.61 0 erg=0.662 vec=0 -1 0 dir=d1 si1 -1 0.9962 1 sp1 0 0.9981 0.0019 sb1 0 0 1sdef：表示这行是用来设定源的，整个输入文件有且仅有一个； par=2：表示这个源是发射光子的；pos=0 2.61 0是指源的坐标；erg=0.662表示出射粒子能量；vec=0 -1 0表示源的发射方向矢量；si1中的-1 0.9962 1分别为cos180、cos5、cos-5、cos0的值，sp1则表示发射粒子的出射概率，即表示该源是一个张角为10度，发射方向向Y轴负半轴，其张角内粒子的出射概率为0.9981，张角外粒子的出射概率为0.0019的圆锥形放射源 m1 14000 -0.5 26000 -0.5 29000 -4 25000 -0.6 12000 -1.5& 28000 -0.1 30000 -0.3 22000 -0.15 27000 -92.35m2 14000 -0.4 26000 -0.4 29000 -0.1 25000 -0.27& 12000 -2.4 22000 -1.05 27000 -96.28m3 11023 1 53127 1m1,m2是经过调研所得宇航器铝蜂窝所用的材料，其主要成分为铝合金，两个参数为一组，前面代表各种元素的代码，后面的代表的是其含量占总共的比例 drxstr1 0 0 0tr2 0.869 0 0tr3 1.7381 0 0.tr82 -0.869 0 0tr83 -1.7381 0 0tr84 -2.6071 0 0这里则表示前面所提到的铝蜂窝中心点的坐标，它们将排列成一个57的铝蜂窝。f4:p 97f4代表计算某个体上的体通量，p指对光子计数，97是指要探测的面。e0 0 661i 0.662这是能量卡，把0.662Mev能量分成662个计数区间，每个区间单独计数。nps 10000000总共进行10000000次实验。模拟结果以及数据分析6.1 铝蜂窝结构对不同角度入射的伽马射线的屏蔽效果 在实验中通过增加试验次数减小误差，规定实验次数为10000000次，放射源的放射光子的能量为0.662Mev，通过调整放射源的坐标以及入射方向矢量，分别模拟了放射源垂直于铝蜂窝夹层结构以90角入射，与铝蜂窝板夹角75、60、45、30入射，并且把探测器接受能量分成了662个能量区间计算得到在各个角度下探测器接收得到的概率现象：发现放射源随着入射角度的倾斜，探测器得到计数的概率会逐渐增大为了更好的符合，现将角度全部换算成其余弦值重新用origin作图拟合从图中可以看出拟合的曲线与实际符合的很好，拟合得到的曲线公式为：其中与角度相关的部分为公式误差参数详见下图再附上通过实验数据归纳的以下表格角度总接收概率0.662粒子能量接收概率301.52E-041.45E-04451.15E-041.09E-04609.37E-058.95E-05758.40E-058.05E-05908.11E-057.78E-05这张表格说明总接收的粒子中含有0.662Mev的粒子所占比例为绝大部分，说明与铝蜂窝结构发生作用的粒子绝大部分是不会到达探测器上，也就不会被粒子接收到。结论及分析：随着入射角度倾斜，探测器接收到的概率呈指数上升，即表示射线垂直于铝蜂窝入射时比斜入射时屏蔽效果要好；而且通过上面表格不难发现，由于在总的穿透粒子能量中中主要的接收的射线为0.662Mev的光子，这些能量的光子其实是没有与铝蜂窝发生作用而直接穿透铝蜂窝到达探测器的光子而只有更少部分的发生作用后的次级光子被接收到；并且在此次模拟试验中，放射源的发射张角与入射角度，以及与铝蜂窝夹层结构的距离都是精心设计的，保证不会存在没有经过铝蜂窝夹层结构的伽马光子直接被