137Csγ能谱的蒙特卡罗模拟

吴玉章学院科研训练 4 1 137Cs 能谱的蒙特卡罗模拟能谱的蒙特卡罗模拟 李梦楠 物理科学与技术学院 2010 级核工程与核技术专业 摘要 利用摘要 利用 MCNP5 程序模拟了多种情况下程序模拟了多种情况下 137Cs 的 能谱 并利用所学 知识分析能谱特点及成因 关键词 关键词 137Cs MCNP5 射线与物质相互作用 1 实验测定的实验测定的 137Cs 能谱能谱 1 1 137Cs 能谱及特点能谱及特点 137Cs 是实验室常用的 放射源 半衰期约 30 17 年 衰变产物为137mBa 衰变产生 0 662Mev 的 射线 图1 137Cs的衰变纲图 137Cs 的能谱 采用 NaI 探测器 如图 2 所示 由于137Cs 衰变产生的 射线能量低于电子 对效应发生的能量下限 因此 射线与物质的相互作用方式主要有光电效应和康普顿散射 这些相互作用反映在能谱上为 0 662Mev 的全能峰和能量从 0 0 481Mev 的康普顿坪 考虑 到实际探测过程中 射线与闪烁体周围的物质包括放射源衬底材料及屏蔽材料等发生康 普顿效应时 反散射光子返回闪烁体 通过光电效应被记录下来 同时根据入射光子和反 散射光子能量的关系 我们发现当入射光子能量变化很大时 反散射光子能量变化不大 总是在 200Kev 左右 因此能谱上大约 0 2Mev 的位置会出现反散射峰 除此之外 由于衰 变产物 137Ba 的 K 层特征 X 射线的贡献 在能谱的低能端会出现 32Kev 的 X 射线峰 吴玉章学院科研训练 4 2 图2 137Cs的 能谱图 2 137Cs 的蒙特卡罗模拟 的蒙特卡罗模拟 2 1 蒙特卡罗模拟的思想方法蒙特卡罗模拟的思想方法 中子和光子在物质中输运的宏观表现是大量粒子与原子核微观作用的平均结果 蒙特 卡罗方法通过逐一模拟和记录单个粒子的历程来求解输运问题 要得到比较合理的平均结 果需要跟踪大量的粒子 至于单个粒子在其生命中的某一阶段如何度过 可以在已知统计 分布规律的前提下通过抽取随机数来决定 2 2MCNP5 的输入文件的输入文件 2 2 1 探测器部分探测器部分 本程序采用 3 3Inch 的 NaI 探头 外层采用 0 7cm 的铝膜包裹 后端为光电倍增管部分 利用塑料近似光电倍增管的结构材料 最外层为 3cm 的铅板屏蔽 探测器的几何结构如图 3 所示 吴玉章学院科研训练 4 3 图3 NaI探测器的几何结构 2 2 2 放射源放射源 137Cs 部分 部分 放射源采用点源 能量为 0 Mev 2 2 3 其他其他 采用光子 电子联合运输方式 能谱采用 500 道 最高能量 1 2Mev 模拟运算 107次 能谱展宽系数为 a 0 01688 b 0 06165 c 0 34599 2 3 蒙特卡罗模拟的能谱蒙特卡罗模拟的能谱 2 3 1 能谱与吸收片厚度的关系能谱与吸收片厚度的关系 在上述探测器条件下 设置点源距离探测器 5 5cm 改变吸收铝片的厚度分别为 1cm 2 5cm 5cm 观察能谱的变化 模拟结果如下图 吴玉章学院科研训练 4 4 图4 137Cs 能谱与吸收片厚度的关系 a 随着吸收片厚度的增加 能谱计数率下降 峰位保持不变 与实验上的结果一致 b 就 1cm 铝吸收片的能谱而言 全能峰和康普顿坪非常清晰 低能端与实验测量结果略 有出入 可能是由于低能端的 X 射线峰能量较低 只有 32Kev 与程序中 NaI 的单一粒 子能量截断相近 在模型较为简单 模拟次数较少的情况下 难以得到理想结果 c 就 1cm 铝吸收片的能谱而言 反散射峰比较平坦 峰位并不突出 但可以观察到反散 射峰的中心位置仍在 200Kev 左右 与实验上的结果相符 峰位不突出可能与能量展宽 系数设置有关 d 5cm 铝吸收片的能谱与 1cm 2 5cm 时的能谱相比 康普顿坪较为平坦 峰康比明显减 小 可能是由于吸收片厚度增加同时立体角变小而导致计数率较少的缘故 在后续模 拟中我们将继续讨论这一问题 2 3 2 能谱与放射源位置的关系能谱与放射源位置的关系 在上述探测器条件下 采用 1cm 厚的铝吸收片 改变放射源与吸收片之间的距离分别为 0 5cm 2cm 8cm 观察能谱的变化 模拟结果如下 吴玉章学院科研训练 4 5 图5 137Cs 能谱与点源位置的关系 a 随着点源与吸收片距离的增加 能谱计数率下降 峰位保持不变 与实验上的结果一 致 原因是当距离增大时 点源对探测器所张的立体角变小 探测器能够接收的粒子 数目减少 因此计数率下降 b 当点源距离为 2cm 和 8cm 时 基本看不到突出的反散射峰 原因是点源距离越远 对 于探测器所张的立体角越小 与探测器周围材料发生康普顿散射的机会也较小 康普 顿散射产生的散射光子通过光电效应再次被 NaI 吸收的概率也相应的减小了 因此反 散射峰不明显 2 3 3 能谱与吸收片种类的关系能谱与吸收片种类的关系 在上述探测器条件下 保持点源位置不变 吸收片厚度不变 改变吸收片的种类 观察能 谱的变化 模拟结果如下 图6 137Cs 能谱与吸收片种类的关系 吴玉章学院科研训练 4 6 a 吸收片 Al 的全能峰远远高于 Zn 和 Fe 原因是 射线的光电吸收截面与 Z5成正比 30Zn 和26Fe 都远大于13Al 因此对 射线的吸收 Zn 和 Fe 也远大于 Al 也就造成被探 测器记录到的粒子数 Al 远大于 Fe 和 Zn b Zn 和 Fe 的康普顿坪高于 Al 原因是在能量较低的情况下 射线的康普顿散射截面 与 Z 成正比 Zn 和 Fe 的原子序数较大 因此在探测器中与 NaI 作用概率较大 计数较 多 c Zn 和 Fe 的反散射峰高于 Al 原因是反散射峰叠加在康普顿坪上 因此相应的 Zn 和 Fe 的反散射峰要高于 Al 从截面的角度分析 Zn 和 Fe 的原子序数较大 不仅与 NaI 康普 顿散射作用截面大 与周围材料的康普顿散射截面也大 产生的散射光子相应多 于 是重新进入探测器被记录到的概率也相对大 因此计数率较多 3 存在的问题与分析存在的问题与分析 a 采用点源近似放射源与实验所使用的放射源存在差别 如果利用环形放射源 与实际 情况更相符 b 在时间允许的情况下 增加模拟运算的次数可以使得能谱更接近实际情况 c 能谱低能端的模拟不是很理想 考虑增加运算次数和减小粒子的截断能量来改善能谱 形状 d 在分析过程中采用的数据较少 每一部分只有三组数据 进一步考虑增加模拟的组数 4 附录 附录 MCNP5 输入文件输入文件 3 3 inch NAI Tl point source 1 1 13 6 1 2 19 2 9 18 19 9 13 17 20 13 14 20 PB 2 2 3 67 5 6 15 NaI 3 3 2 7 3 4 17 4 11 16 17 11 12 17 Al 4 0 2 21 18 21 9 17 18 4 5 16 5 11 15 16 12 13 17 1 9 19 20 air 5 4 1 18 6 11 15 plastic 6 0 1 14 20 7 3 2 7 3 21 17 Al 1 PY 0 2 PY 3 3cm Pb 3 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 NaI 7 PY 29 52 1cm light trans 8 PY 39 52 10cm 9 PY 40 2 10 PY 40 4 吴玉章学院科研训练 4 7 11 PY 52 7 12 PY 52 9 13 PY 59 9 14 PY 64 9 15 CY 3 81 16 CY 4 7 17 CY 5 0 18 CY 9 0 19 CY 14 0 20 CY 15 0 21 PY 14 5 5cm Al MODE P E IMP P 1 1 1 1 1 0 1 M1 82000 1 PB 13 6 M2 11000 1 53000 1 NAI 3 6