巖石對(duì)γ射線衰減系數(shù)的測(cè)量和MCNP模擬

楊慧

(忻州師范學(xué)院物理系,山西忻州 034000)

巖石對(duì)γ射線衰減系數(shù)的測(cè)量和MCNP模擬

楊慧

(忻州師范學(xué)院物理系,山西忻州 034000)

巖石線性衰減系數(shù)是解決地質(zhì)問題的重要的物性參數(shù).本文以實(shí)驗(yàn)和MCNP模擬相結(jié)合的方法給出巖石(石英砂巖)樣品的衰減系數(shù)的模擬和測(cè)量方法.這種方法對(duì)巖礦石等混合物的γ射線衰減系數(shù)的確定以及解決地質(zhì)問題具有重要的意義.

衰減系數(shù);MCNP模擬;γ射線＊

0 引言

隨著放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、考古等領(lǐng)域應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,有關(guān)中子,x射線、γ射線與物質(zhì)作用的相關(guān)參數(shù)的研究成了一個(gè)熱門話題.其中x射線和γ射線的衰減系數(shù)是科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等許多領(lǐng)域都需要的,國際上也對(duì)其開展了一系列的研究工作.各種材料的衰減系數(shù)已經(jīng)基本完善,可以從文獻(xiàn)中查到,其中也有部分混合物的.本文主要是以實(shí)驗(yàn)和蒙特卡羅中子-光子耦合輸運(yùn)程序M CN P相結(jié)合的方法,對(duì)巖礦石標(biāo)準(zhǔn)(GSR 4)的γ射線衰減系數(shù)進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 基本原理

衰減系數(shù)[1]又叫線性衰減系數(shù)、窄束衰減系數(shù)和吸收系數(shù),四種叫法經(jīng)常交叉使用.光子與物質(zhì)的作用主要分三種,分別是光電效應(yīng)(τ)、康普頓散射(σ)和電子對(duì)效應(yīng)(к),還有相干散射等,線性吸收系數(shù)是多種相互作用的線性吸收系數(shù)的總和,即:

腳標(biāo)表示不同的反應(yīng)過程.在低能區(qū),以光電效應(yīng)為主;而在高能區(qū),以電子對(duì)效應(yīng)為主;中能區(qū),康普頓效應(yīng)占主要地位.相干散射的作用非常小,因?yàn)樗鼪]有能量損失,只有小的偏差,一般可忽略.而μphoto較μcoherent又顯得非常大,所以數(shù)值計(jì)算中我們一般就忽略μcoherent.發(fā)生這三種作用的總幾率μ被稱為線性衰減系數(shù),它是這三種作用幾率的總和.μ (cm-1)=τ+σ+κ,其中

(a是與Z和Eγ無關(guān)的常數(shù);m,n是3～5之間的常數(shù),與Eγ無關(guān);N是原子序數(shù),Z是原子數(shù)).

γ射線的強(qiáng)度與厚度的關(guān)系可由朗伯-比耳定律(B eer-L am bert L aw)表出:

兩邊取對(duì)數(shù),得:

這里,I0為原始入射光強(qiáng)度,I為透射光強(qiáng)度,d為吸收體厚度,μ為衰減系數(shù).

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

源距探測(cè)器的距離是40cm

探測(cè)系統(tǒng)由H PGeγ探測(cè)器(O rtec,相對(duì)效率40%,對(duì)1332keV的分辨率為1.8 keV)、O rtecD espec2p lus數(shù)字化譜儀、計(jì)算機(jī)組成[2].用計(jì)算機(jī)軟件SPAN進(jìn)行γ譜峰分析.本實(shí)驗(yàn)測(cè)量并計(jì)算了137C s和152Eu對(duì)2 cm厚的巖礦石樣品的衰減系數(shù),見表1,此實(shí)驗(yàn)分兩步:第一步測(cè)量了準(zhǔn)直后的γ射線穿過空的聚乙烯瓶后的γ譜I0,第二步測(cè)了其穿過樣品后的聚乙烯瓶的γ譜I,樣品尺寸為d=2 cm、h=2 cm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

1.3 模擬

M CN P(M on te Ca rlo N 2p a rtic le code)是由美國Lo s A lam o s實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于多粒子傳輸模擬計(jì)算的蒙特卡羅程序.該程序能對(duì)任意三維空間構(gòu)成的材料——其幾何由一維或者二維,甚至特殊的四維(如橢圓面)曲面組成――進(jìn)行計(jì)算.其中M CN P4C是由M CN P4B版本發(fā)展而來,是將M CN P和LAH ETTM合并而成的,能夠進(jìn)行34種不同類型粒子的生成和輸運(yùn).合并后已進(jìn)行了多次升級(jí)和增強(qiáng),程序的最新版本是2005年4月發(fā)布的M CN PX 2.5.0,其特殊功能是能夠輸運(yùn)帶電粒子,如:質(zhì)子、輕離子、直至粒子(氘核、氚核、H e和粒子).可跟蹤的中子最高能量達(dá)到GeV以上.在計(jì)算臨界系統(tǒng)的特征值以及輻射防護(hù)研究中得到了廣泛的應(yīng)用.我們使用的是M CN P4C版本[3].

M cnp4C的模擬值的誤差都≤0.05,模擬值一半可靠,將這些值帶入(2)得吸收系數(shù),見表2

表1

表2

2 結(jié)論

?

根據(jù)公式的計(jì)算結(jié)果可知:M CN P4C模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差在04%～8.07%的范圍內(nèi),及兩者結(jié)果基本一致,表明用M CN P4C模擬計(jì)算衰減系數(shù)是可信的.使實(shí)驗(yàn)無法測(cè)到的γ射線能量范圍內(nèi)吸收體衰減系數(shù)的確定變得非常容易,應(yīng)該指出的是,室內(nèi)測(cè)定衰減系數(shù)時(shí),巖礦石的自然條件(溫度、壓力、含水量等)與室外條件不同,因此往往室內(nèi)取得的數(shù)據(jù)與實(shí)際參數(shù)有較大偏差,而且有的巖礦石容易風(fēng)化破碎,難以制成標(biāo)本.而野外所求的衰減系數(shù)值包含著鉆孔內(nèi)液體的影響,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)引起注意.

[1]R.M.W.Overwater.The PhysicsofB ig Samp le Instrum entalNeutron A ctivation Analysis[J].DelftUniversity of Techno logy,Delft,1994.

[2]肖才錦等.玻璃參考物質(zhì)中重金屬污染元素的中子活化比對(duì)分析[J].核技術(shù),2008,32(7):533-536.

[3]Briesmeister,J.F.(Ed.).MCNP-AGeneral Monte Carlo N Particle Transport Code[J].Version 4C,LA-13709-M, 2000.

Abstract:Rock linear attenuation coefficient is an important Physical parameter to solve geological problems.We give the simulation and measurement m ethods of rock’attenuation coefficient by combining methods of experiments and MCNP simulated.It is important to amixture of rocks andminerals such asγ-ray attenuation coefficient to determine and the solution of geological problem s.

keyword:attenuation coefficient MCNP simulationγ-ray

Measurement ofγ-ray Attenuation Coefficient and Simulation of MCNP by Rock

YANG Hui
(Department of Physics Science,Xinzhou Teachers University,Xinzhou 034000,China)

O572.21

A

1004-7077(2010)02-0009-03

2010-03-23

楊慧(1982-),女,山西忻州人,忻州師范學(xué)院助教,研究方向?yàn)樵优c分子物理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

[責(zé)任編輯:陳慶朋]