電子打靶x射線能譜分布的mcnp模擬

電子打靶x射線能譜分布的mcnp模擬

x射線燈分析可用于物質(zhì)和濃度的測(cè)量。入射原級(jí)射線激發(fā)樣品時(shí)產(chǎn)生被測(cè)元素的特征譜線,由其能量和強(qiáng)度信息得到濃度的測(cè)試結(jié)果由于測(cè)量X射線能譜需要高精度的探測(cè)系統(tǒng)和細(xì)致的刻度校正方法,普通實(shí)驗(yàn)室很難直接測(cè)量X射線的譜分布蒙特卡羅采用隨機(jī)事件模擬方法,是核物理計(jì)算研究射線產(chǎn)生和作用的重要手段之一1韌致輻射的連續(xù)譜通常選用元素的K系或L系譜線進(jìn)行熒光分析。對(duì)大多數(shù)元素,激發(fā)特征X射線的入射光子能量不超過100keV,相應(yīng)X射線機(jī)的加速電子能量在keV到幾十keV左右。X熒光分析中為配合不同種類的待測(cè)元素,其靶材料從鉬、銠、銀等中等原子序數(shù)到鎢、鉑等高原子序數(shù)材料。選用略高于待測(cè)元素的材料作為靶元素,可充分利用靶材料的特征譜線以更好激發(fā)待測(cè)元素。原級(jí)X射線能譜通常包括連續(xù)譜和特征譜線兩部分。入射電子在靶材料中減速,能產(chǎn)生韌致輻射的連續(xù)譜。若入射電子的能量大于靶材料的吸收限,還可產(chǎn)生相應(yīng)能級(jí)的特征譜線。受X射線機(jī)出射窗的影響,原級(jí)X射線最低能端的光子大部被吸收,同時(shí)被激發(fā)的X射線光子最大能量不超過入射電子的能量。韌致輻射譜分布曲線的兩端為零,則曲線在中間某一能量處取得最大值。連續(xù)譜采用微分的譜分布描述時(shí),各能量點(diǎn)的數(shù)值代表單位能量間隔的光子數(shù),曲線下的面積對(duì)應(yīng)所選能量區(qū)間的光子數(shù)。靶材料的特征譜線具有確定的能量,其譜線寬度為幾電子伏特,可忽略不計(jì)。一般將特征光子的強(qiáng)度值直接加在連續(xù)譜上的譜分布曲線上。應(yīng)該注意,該數(shù)值與所在能量區(qū)間內(nèi)連續(xù)譜的光子數(shù)同量綱,而不是與譜分布的數(shù)值同量綱除特征譜線外,微分形式的譜分布數(shù)值乘以能量區(qū)間寬度才是該區(qū)間內(nèi)連續(xù)譜的光子數(shù)。如果采用多道方式測(cè)量能譜分布,對(duì)連續(xù)譜部分,每個(gè)道寬內(nèi)的計(jì)數(shù)是譜分布曲線上的數(shù)值與多道道寬的乘積。在包含特征譜線的能區(qū),多道計(jì)數(shù)為特征峰的高度(該高度對(duì)應(yīng)特征峰的光子數(shù))加上所在多道區(qū)間內(nèi)連續(xù)譜下的面積。多道測(cè)量方法劃分能量區(qū)間并統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)光子數(shù)。能量區(qū)間變小,包含特征峰的能量區(qū)間只有連續(xù)譜部分光子數(shù)量減小,特征峰部分的高度不變,其余連續(xù)譜也會(huì)因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)區(qū)間變小而計(jì)數(shù)變小。所以,多道曲線的特征峰和連續(xù)譜部分的比例會(huì)因能量間隔區(qū)間的不同而改變,這在采用類似多道方式統(tǒng)計(jì)能譜分布時(shí)應(yīng)注意。2mcnp數(shù)據(jù)卡MCNP程序通過輸入文件INP對(duì)物理問題進(jìn)行模擬,輸入文件由包含幾何、物質(zhì)分布和不同物理?xiàng)l件等輸入信息的數(shù)據(jù)卡片組成。電子、光子等的截面數(shù)據(jù)文件由MCNP內(nèi)部提供。MCNP程序?qū)﹄娮釉诓牧现械淖饔迷O(shè)置了若干參數(shù),在缺省選擇下詳盡考慮了產(chǎn)生光子等的各種過程。由于電子輸運(yùn)的計(jì)算量比光子輸運(yùn)大很多,MCNP在PHYS數(shù)據(jù)卡上也提供了一些簡化選項(xiàng)。我們需要考慮電子和光子等產(chǎn)生和作用的完整過程,故使用PHYS卡的缺省設(shè)置。另外,對(duì)光子采用MCNP的細(xì)致物理處理過程,包括光電效應(yīng)、Thomson相干散射、康普頓散射以及電子對(duì)產(chǎn)生。光子或電子的能量低于1keV時(shí),MCNP作為吸收處理。MCNP程序詳細(xì)處理了電子-光子輸運(yùn)的各種微觀物理過程。根據(jù)計(jì)算模型在指定卡片上描述靶材料信息、入射電子的能量、幾何位置關(guān)系和計(jì)算結(jié)果輸出要求等,即可計(jì)算所需的原級(jí)X射線能譜分布。建立合適的模型后,改變靶的材料或入射電子能量,或幾何布置和濾光條件等,可得到不同參數(shù)下的系列數(shù)據(jù)。MCNP可分解實(shí)際過程很難分割的因素。采用模擬計(jì)算較真實(shí)實(shí)驗(yàn)具有靈活、便捷的優(yōu)勢(shì)。如實(shí)測(cè)的X射線原級(jí)光子一定先經(jīng)過X光機(jī)的窗材料,但采用模擬方法可計(jì)算無出射窗時(shí)直接從靶上激發(fā)出的能譜分布,這對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。在X熒光分析中,X射線能譜分布也可采用一些計(jì)算公式取得,其計(jì)算方法通常來源于已有測(cè)量曲線的擬合結(jié)果3模型和結(jié)果的計(jì)算3.1mcnp的計(jì)算過程選擇單能入射的電子作為源粒子,入射粒子打在靶材料上,在指定方向上統(tǒng)計(jì)激發(fā)的原級(jí)光子的能量分布。計(jì)算采用圖1所示的幾何條件。首先取能量30keV的電子入射,入射角和出射角均為45°,靶為X熒光分析中常用的鉬材料。鈹窗距離靶點(diǎn)6cm,厚度可選。在距離入射點(diǎn)10cm處取半徑3cm的圓盤統(tǒng)計(jì)光子通過信息。該電子激發(fā)X射線模型可模擬實(shí)際X射線的產(chǎn)生過程。對(duì)于低能電子入射,由于射程很短,電子與材料作用的區(qū)域主要在靶材料表面,原級(jí)X光子基本來自入射點(diǎn)附近。出射射線束按錐形考慮,在距離入射點(diǎn)垂直距離10cm的位置處統(tǒng)計(jì)原級(jí)X射線能量分布。圓盤半徑為3cm,X射線圓錐方向內(nèi)的立體角為0.265。MCNP的計(jì)算結(jié)果歸一化到每個(gè)源粒子,取光子計(jì)數(shù)類型F1,按一定的能量區(qū)間劃分,其計(jì)算值代表每個(gè)區(qū)間內(nèi)X射線的光子數(shù)。MCNP的光子能量下限為1keV,在1~30keV范圍內(nèi)按0.2keV的間隔平均分成145個(gè)區(qū)間。光子數(shù)按能量箱統(tǒng)計(jì),這類似于多道的能譜統(tǒng)計(jì)方式。使用MCNP/4C版本,WindowsXP環(huán)境,CPU為IntelP8400,主頻2.26GHz。取源粒子抽樣為1.0×103.2x-ct-msnp的計(jì)算用MCNP程序?qū)﹄娮哟虬挟a(chǎn)生X射線能譜的研究,已包括連續(xù)的韌致輻射和靶元素的特征X射線峰的影響?？筛淖儼胁牧匣蛉肷潆娮拥哪芰吭O(shè)定,以計(jì)算各種條件下的原級(jí)X射線能譜。30keV電子以45°入射至鉬靶,出射角45°,按能量區(qū)間F1計(jì)數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。X射線機(jī)出口窗材料為鈹,考慮其厚度分別設(shè)為0、0.2、0.5mm3種。厚度為0代表沒有鈹窗存在時(shí)的情況。由圖2可見,譜分布主要由軔致輻射的連續(xù)譜和鉬的K特征譜線構(gòu)成,鉬的K由于鈹窗的吸收,原級(jí)X射線將隨鈹窗厚度增加而減弱,其低能端衰減比例遠(yuǎn)高于高能端。鈹窗分別是0.2和0.5mm厚時(shí),窗的存在使X射線能譜低能端的比例衰減至接近0。窗材料的厚度不同,對(duì)不同能量光子的衰減影響也不同,其譜分布特性將隨之改變。由于MCNP計(jì)算采用的是各區(qū)間的光子數(shù)量統(tǒng)計(jì),將圖2中連續(xù)譜部分的計(jì)數(shù)結(jié)果,除以本模型采用的能量區(qū)間值0.2keV,將得到以keV另外,將靶材料改為鎢,其它條件不變,按同樣模型計(jì)算的結(jié)果如圖3所示。圖3中不同鈹窗的能譜分布與鉬靶的類似,鎢靶9.67keV的L4能譜分布數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用應(yīng)用MCNP程序模擬原級(jí)X射線,在keV到幾十keV范圍內(nèi)可反映電子束打靶產(chǎn)生X射線束的各種射線作用過程,詳細(xì)的計(jì)算還可獲得能