137Csγ能譜的蒙特卡羅模擬.doc

1、137Cs能譜的蒙特卡羅模擬李夢楠物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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 137 Cs 的能譜，并利用所學(xué)知識分析能譜特點及成因。關(guān)鍵詞： 137 CsMCNP5 射線與物質(zhì)相互作用1. 實驗測定的 137 Cs能譜1.1 137Cs 能譜及特點137Cs0.662Mev是實驗室常用的放射源，半衰期約的射線。30.17 年，衰變產(chǎn)物為137mBa，衰變產(chǎn)生圖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(yīng)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

2、電效應(yīng)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?？紤]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(yīng)時， 反散射光子返回閃爍體， 通過光電效應(yīng)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(dāng)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(xiàn)，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. 137 Cs 的蒙特卡

3、羅模擬2.1 蒙特卡羅模擬的思想方法中子和光子在物質(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(jī)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，外層采用用塑料近似光電倍增管的結(jié)構(gòu)材料，最外層為0.7cm 的鋁膜包裹，后端為光電倍增管部分，利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 137

4、Cs 部分放射源采用點源，能量為0.661661Mev2.2.3其他采用光子 -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

5、， 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 ,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(dǎo)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

6、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， 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(dāng)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(dāng)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(yuǎn)，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(jī)會也較小，康普頓散射產(chǎn)生的散射光子通過

7、光電效應(yīng)再次被NaI 吸收的概率也相應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于 Zn 和 Fe，原因是射線的光電吸收截面與5成正比， 30ZZn和 26Fe 都遠(yuǎn)大于 13Al，因此對射線的吸收Zn 和 Fe 也遠(yuǎn)大于 Al，也就造成被探測器記錄到的粒子數(shù) Al 遠(yuǎn)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

8、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(yīng)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)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(yīng)多，于是重新進(jìn)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

9、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(jìn)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 source11-13.6(1 -2 -19):(2 -9 18 -19):(9 -13 17 -20):(13 -14 -20)$PB22-3.67 5 -6-15 $NaI33-2.7(3 -4 -17):(4 -11 16 -17):(11 -12 -17)$Al40(2 -21-18):(21 -9 17 -18):(4 -5 -16):(5 -11 15 -1

10、6):(12 -13-17):(1 -9 19 -20)$air54-1.186 -11 -15$plastic60-1:14:2073-2.7(-3 21 -17)$Al1PY02PY3$ 3cm Pb3PY19.5$ 15.5cm air4PY20.2$ 0.7cm Al5PY20.9$ 0.7 cm Air6 PY 28.52 $ 7.62cm NaI7 PY 29.52 $ 1cm light trans8 PY 39.52 $ 10cm9 PY 40.2 $10 PY 40.411 PY 52.712 PY 52.913 PY 59.914 PY 64.915 CY 3.8116 CY 4.717 CY 5.018 CY 9.019 CY 14.020 CY 15.021 PY 14.5 $ 5cm AlMODE P EIMP:P1111101M182000 1$PB -13.6M211000 1 53000 1$NAI -3.67M313027 1$Al -2.7M